張 洋，李啟民

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

從1992年起，我國(guó)能源消費(fèi)總量就超過(guò)了能源生產(chǎn)總量，原油從1993年開(kāi)始也由凈出口轉(zhuǎn)為進(jìn)口，2007年我國(guó)成為世界第二能源消費(fèi)大國(guó)。以煤炭、石油為主體的傳統(tǒng)能源在給人類(lèi)創(chuàng)造財(cái)富的同時(shí)，也給環(huán)境造成了巨大的污染，導(dǎo)致生態(tài)破壞。我國(guó)的排放量?jī)H次于美國(guó)居世界第二位。

20世紀(jì)80年代初，鍋爐改造問(wèn)題就引起各方面的重視。2004年國(guó)家公布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》將小鍋爐改造列為十大示范工程的首位。為改善北京空氣質(zhì)量，迎接奧運(yùn)，2008年前北京市將四環(huán)路以?xún)?nèi)20 t/h以下的鍋爐改燒天然氣，并對(duì)改燃的單位給予經(jīng)濟(jì)補(bǔ)助?？梢?jiàn)，大力發(fā)展可再生能源是我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)的能源要求。

可再生能源工程強(qiáng)調(diào)建筑節(jié)能和低品位能源的綜合開(kāi)發(fā)與利用，盡量減少對(duì)自然界和環(huán)境的不良影響，創(chuàng)造整體有序、協(xié)調(diào)共生的良性生態(tài)系統(tǒng)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[1-4]。

在礦井建設(shè)和生產(chǎn)期間，大氣降水、地表水和地下水都有可能通過(guò)地層的孔隙或裂隙在井下形成礦井涌水[5]。礦井涌水必須通過(guò)井下排水設(shè)備排至地面，否則會(huì)影響礦井建設(shè)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。礦井涌水、生活廢水等經(jīng)過(guò)處理后形成的中水可達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而且溫度比較高，是集水、熱于一體的可再生復(fù)合資源[6-8]。中水再生回用既可節(jié)約清潔水資源，又可減輕水污染，是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施。2019年北京市廢水排量約12.2億t，但實(shí)際利用量卻比較少。

1 小鍋爐供熱分析

工業(yè)鍋爐是中國(guó)重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，包括工業(yè)用蒸汽鍋爐、采暖用熱水鍋爐、民用生活鍋爐、工業(yè)企業(yè)自備發(fā)電鍋爐、特種用途和余熱鍋爐等。我國(guó)工業(yè)鍋爐共有8個(gè)大類(lèi)，38個(gè)系列，85個(gè)品種，300多個(gè)規(guī)格[9]。燃煤工業(yè)鍋爐的品種規(guī)格較多，其燃燒方式主要是層燃，約占燃煤工業(yè)鍋爐總?cè)萘康?5%(其中鏈條爐排鍋爐約占65%，往復(fù)爐排占20%，固定爐排約占10%)，循環(huán)流化床鍋爐約占3%～5%。

我國(guó)燃煤鍋爐效率低，污染重。鍋爐設(shè)計(jì)效率為72%～80%，平均運(yùn)行效率約60%～65%，平均運(yùn)行效率比國(guó)外先進(jìn)水平低15%～20%，是主要的煤煙型污染源。燃煤鍋爐存在的問(wèn)題還有：?jiǎn)闻_(tái)鍋爐容量小，設(shè)備陳舊老化，鍋爐平均負(fù)荷小，鍋爐自動(dòng)化水平低，燃燒設(shè)備和輔機(jī)質(zhì)量低，使用煤種與設(shè)計(jì)煤種不匹配，缺乏熟練的專(zhuān)業(yè)操作人員，污染控制設(shè)施簡(jiǎn)陋，節(jié)能監(jiān)督措施不力等。

因此，利用可再生能源(特別是礦井涌水、生活廢水等)代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，從根本上解決化石能源燃燒造成的污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)美麗中國(guó)具有更加深刻意義。

2 項(xiàng)目概況

2.1 既有供熱系統(tǒng)

某機(jī)關(guān)位于北京郊區(qū)，占地4.67 hm2，既有采暖建筑面積2.05萬(wàn)m2，計(jì)劃增加采暖建筑面積0.4萬(wàn)m2，職工近500人。既有建筑多為20世紀(jì)80年代所建，保溫效果較差，為非節(jié)能建筑物。

該機(jī)關(guān)原冬季供暖采用燃煤鍋爐，鍋爐房建筑面積為323 m2，設(shè)置2臺(tái)4 t燃煤熱水鍋爐采暖，一運(yùn)一備，單臺(tái)供熱量2.8 MW。原供熱系統(tǒng)末端設(shè)備全部采用普通鑄鐵散熱器，各建筑物供熱系統(tǒng)采用單管上供下回形式。原供熱系統(tǒng)采用間歇式運(yùn)行，最高供水溫度80 ℃，最高回水溫度60 ℃。

2.2 既有供熱系統(tǒng)問(wèn)題分析

污染嚴(yán)重：燃煤鍋爐供熱過(guò)程中，排出大量的CO2,SO2,煙塵等有害氣體，對(duì)周?chē)h(huán)境造成較大的危害，嚴(yán)重影響首都的形象。

運(yùn)行成本增高：原煤價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致燃煤鍋爐的運(yùn)行增加。

資源浪費(fèi)大：小型燃煤鍋爐的熱效率低，供熱管網(wǎng)保溫性能差，造成了較大的資源浪費(fèi)。

舒適性差：間歇式供熱室內(nèi)溫度波動(dòng)大(13 ℃～17 ℃)，用戶(hù)反映舒適性很差。

3 資源條件分析

該機(jī)關(guān)遠(yuǎn)離市區(qū)，資源貧乏。距離城市天然氣管網(wǎng)遠(yuǎn)，利用燃?xì)忮仩t供熱短時(shí)間難以實(shí)現(xiàn)。

該地區(qū)水文地質(zhì)條件較差，含水層薄，地下水量小，保證程度低。尤其是遇到連續(xù)干旱時(shí)期，地下水補(bǔ)給減少，地下水資源出現(xiàn)連續(xù)虧損狀態(tài)，水位不斷下降，目前該地區(qū)地下水位埋深已在30 m以下。另外，地下水污染程度增加，第四系地下水硬度、礦化度等均已超過(guò)國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

距離該機(jī)關(guān)約1.0 km處為一中外合資污水處理廠，日處理污水7萬(wàn)t，冬季中水的設(shè)計(jì)最低溫度為15 ℃，處理后的中水用于沖洗附近河流，凈化環(huán)境。在以后幾年里，該污水處理廠的生產(chǎn)能力還要進(jìn)一步擴(kuò)大。污水處理廠中水參數(shù)詳見(jiàn)表1，中水渠源頭見(jiàn)圖1。

表1 中水相關(guān)參數(shù)

4 項(xiàng)目研究與設(shè)計(jì)

4.1 能源選擇

污水處理廠的中水用于凈化河流環(huán)境，其熱能卻沒(méi)有得到有效地開(kāi)發(fā)，屬于低品位能源的浪費(fèi)。該機(jī)關(guān)距離中水源頭較近，中水使用量和使用溫度均不受下游用戶(hù)的影響，有著較好的利用條件。所以，該機(jī)關(guān)燃煤鍋爐改造工程因地制宜地將中水作為可再生能源研究對(duì)象，提取熱量還原水量，投資少、見(jiàn)效快、資源可靠，為低品位可再生能源的二次開(kāi)發(fā)利用探討新方法和新技術(shù)，意義重大。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

冬季采暖室外計(jì)算溫度取-9 ℃，采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃。一期工程采暖熱負(fù)荷為1 398 kW，二期工程總采暖熱負(fù)荷為1 578 kW。供熱系統(tǒng)最高供水溫度68 ℃，最高回水溫度58 ℃。

4.3 工藝流程

1)工作原理。

以城市中水作為熱源，采用2臺(tái)大溫差水源熱泵機(jī)組運(yùn)行，從中提取熱量，供建筑物采暖，并通過(guò)熱交換器供洗浴中心熱水(每周2個(gè)下午)，單臺(tái)熱泵機(jī)組額定制熱量730 kW。中水能源系統(tǒng)承擔(dān)采暖基礎(chǔ)熱負(fù)荷，并利用機(jī)組能量級(jí)別和建筑物區(qū)劃耦合技術(shù)進(jìn)行節(jié)能調(diào)峰。

2)采暖系統(tǒng)。

采暖系統(tǒng)維持原來(lái)的鍋爐采暖系統(tǒng)不變，末端設(shè)備為原來(lái)的鑄鐵四柱813型散熱器。

3)系統(tǒng)性能。

熱泵機(jī)組可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷大小進(jìn)行能量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到運(yùn)行節(jié)能目的，能量調(diào)節(jié)范圍為：12.5%～100%。系統(tǒng)低溫供熱能效比為4，高溫供熱能效比為3，供熱工藝流程見(jiàn)圖2。

5 項(xiàng)目施工

5.1 中水引入系統(tǒng)

中水輸送管道采用埋地鋼管，環(huán)氧煤瀝青防腐處理后采用聚氨酯泡沫塑料保溫。中水設(shè)計(jì)流量為200 m3/h。加壓泵室位于中水渠取水口附近，采用地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

5.2 數(shù)據(jù)與控制系統(tǒng)

熱工監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括：溫度、壓力、流量等。重要的熱工參數(shù)監(jiān)測(cè)通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)和人工監(jiān)測(cè)兩種方式進(jìn)行。

大溫差熱泵機(jī)組設(shè)置自動(dòng)控制和人工控制兩種方式，加壓泵和循環(huán)水泵通過(guò)變頻裝置進(jìn)行人工控制，補(bǔ)水泵則通過(guò)遠(yuǎn)傳壓力表進(jìn)行自動(dòng)控制。

5.3 土建工程

對(duì)原燃煤鍋爐房進(jìn)行改造和裝修后，根據(jù)工藝要求并結(jié)合現(xiàn)狀重新布置設(shè)備，形成了新的熱力機(jī)房，見(jiàn)圖3。

5.4 節(jié)能措施

主設(shè)備采用能效比大的大溫差熱泵機(jī)組。循環(huán)泵、加壓泵和補(bǔ)水泵均配置變頻調(diào)速裝置。對(duì)于室外中水輸送管道、室內(nèi)熱力管道均進(jìn)行保溫處理，減少熱損失。

6 系統(tǒng)運(yùn)行分析

6.1 節(jié)能運(yùn)行

根據(jù)室外溫度的變化，通過(guò)調(diào)整熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和供熱溫度，對(duì)熱力系統(tǒng)輸出能量進(jìn)行控制，使供熱量和耗熱量耦合，同時(shí)對(duì)循環(huán)水泵和加壓泵實(shí)施變頻調(diào)速，達(dá)到供熱系統(tǒng)與外界氣候同步變化(同時(shí)考慮建筑物室內(nèi)溫度變化的滯后效應(yīng))，達(dá)到節(jié)能目的。

供熱系統(tǒng)補(bǔ)水率每增加1%，補(bǔ)水熱損失造成的能量消耗增加2.9%。本項(xiàng)目通過(guò)改善排氣系統(tǒng)，減小系統(tǒng)補(bǔ)水量，達(dá)到節(jié)能目的。

6.2 中水溫度監(jiān)測(cè)

在某一供暖期里，中水溫度的平均值為18.6 ℃，其中最低旬平均值為17.1 ℃(出現(xiàn)在1月上旬)，最高旬平均值為19.9 ℃(2月下旬)，中水的旬平均溫度變化趨勢(shì)與室外氣溫的旬平均溫度變化趨勢(shì)一致，比原設(shè)計(jì)溫度更為理想，中水溫度與室外氣溫變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

值得一提的是，4個(gè)月的供暖期中，中水溫度最低值出現(xiàn)在3月4日。春天來(lái)了，3月4日的北京下起了暴雨，大量的冷凍雨水沖進(jìn)了污水渠和中水渠，中水溫度迅速降至11.7 ℃～15.6 ℃，持續(xù)時(shí)間5 h。隨著氣溫的進(jìn)一步降低，暴雨變成了暴雪，地面雨水停止了流動(dòng)，中水溫度又迅速回升到18 ℃左右。本次雨夾雪強(qiáng)度大，北京降水量超過(guò)30 mm。

6.3 供熱效果分析

選擇一個(gè)辦公室和一個(gè)居室進(jìn)行溫度跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，4個(gè)月的采暖期里，室內(nèi)溫度的變化范圍為18 ℃～20 ℃，用戶(hù)滿(mǎn)意。

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

某采暖季里，中水可再生能源供熱系統(tǒng)共運(yùn)行121 d，單位面積耗電量指標(biāo)(包括洗浴熱水)為30.2度/m2，比某干休所淺層地下水水源熱泵供暖系統(tǒng)(同為80年代的非節(jié)能建筑，地下水溫度為14.5 ℃，并折合到相同的室內(nèi)溫度)節(jié)電7%左右。中水平均溫度比地下水溫度高4.1 ℃，根據(jù)試驗(yàn)資料[10]，水源熱泵機(jī)組能效比(COP)提高8%左右。

7.2 環(huán)境效益分析

該機(jī)關(guān)原燃煤鍋爐在一個(gè)采暖季里燃燒原煤約550 t(包括采暖和洗浴)，利用中水能源供熱后，同期減少排放各種污染物約1 394.6 t[11]，其中減排SO2氣體11.4 t，減排NOx氣體5.6 t，減排CO2氣體1 369.3 t，減排煤塵8.3 t。

8 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目利用可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，對(duì)中水進(jìn)行二次利用，提取熱量保留水量，建立了循環(huán)利用模式，供熱效果好，有效地推動(dòng)了建筑物供熱工程的節(jié)能減排工作，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，并得出以下經(jīng)驗(yàn)：

1)本項(xiàng)目利用中水置換燃煤鍋爐進(jìn)行供暖，每個(gè)采暖季節(jié)省煤炭550 t，減排各種污染物約1 394.6 t，實(shí)現(xiàn)了中水能源的再生利用，節(jié)能減排的意義重大。

2)中水水源熱泵可再生能源供熱系統(tǒng)比地下水水源熱泵節(jié)電約7%，水源熱泵機(jī)組能效比(COP)提高8%左右。

3)根據(jù)室外氣溫調(diào)節(jié)機(jī)組供回水溫度，可取得更好的節(jié)能效果。

4)在中水引入系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)計(jì)多道凈化或清理設(shè)備，清除中水懸浮物。