山東齊魯高陽建筑設(shè)計院有限公司 張海燕
山東中潤集團淄博置業(yè)有限公司  衣明

       【摘  要】本文通過山東齊銀集團特種水泥廠利用其生產(chǎn)線400m³冷卻循環(huán)水池最高25℃的低品位熱源，采用余熱水源熱泵機組進一步提取循環(huán)水熱量用于辦公、宿舍、餐廳、俱樂部等一萬㎡的建筑供暖；節(jié)省了大部分供暖初投資，大大降低了冬季供暖費用。同時采用冷卻水池替代冷卻塔，也解決了夏季制冷需要，取得了事半功倍的雙重效益。

       【關(guān)鍵詞】循環(huán)冷卻水  低品位余熱  水源熱泵  雙重節(jié)能效益

引  言

       華銀集團旗下的山東齊銀集團公司特種水泥生產(chǎn)線是目前為止亞洲規(guī)模最大、技術(shù)水平最先進、水泥產(chǎn)品標(biāo)號最高的特種水泥生產(chǎn)線。生產(chǎn)線建廠于2007年，位于齊魯工業(yè)園東南部約5公里的丘陵荒山地帶。由于地理偏僻且遠(yuǎn)離市區(qū)和成熟的工業(yè)區(qū)，如何解決辦公、宿舍、餐廳、俱樂部等一萬㎡建筑冬季供暖成為廠區(qū)配套建設(shè)的重中之重。擺在工程技術(shù)人員面前的現(xiàn)實是配套實施只有電力到位，市政熱力遠(yuǎn)在荒山野嶺5公里之外，熱力公司開出了高額的管線工程費用和更高額的開戶費，以及遠(yuǎn)大于1萬㎡建筑供暖所需的最小用熱量；自建鍋爐房手續(xù)、工期、費用等也超出了建廠規(guī)劃和預(yù)算。

       上世紀(jì)水源熱泵中央空調(diào)用于建筑供暖在淄博既有成熟業(yè)績，而在淄博地區(qū)普通的水源熱泵熱源井水一般取自地下50~100米深水井的淺層地下水，水溫一般在16~18℃。齊銀集團生產(chǎn)廠區(qū)建廠前曾經(jīng)打井用于施工用水，水質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重污染、水量很小，不能利用，更不能滿足水源熱泵機組的需要。

       特種水泥廠建有400m³冷卻循環(huán)水池，池內(nèi)水溫最高時達(dá)25℃，春節(jié)、元旦等生產(chǎn)淡季也在13℃以上，結(jié)合當(dāng)前流行的工業(yè)余熱回收，工程技術(shù)人員與空調(diào)廠家經(jīng)過核算、分析認(rèn)為以冷卻循環(huán)水為低品位熱源，用水源熱泵機組解決冬季供暖效果可靠、投資最省、運行費用最經(jīng)濟、可行性最佳；冷卻循環(huán)水的水溫條件優(yōu)于夏季空調(diào)冷卻塔循環(huán)水，可進一步用于夏季制冷系統(tǒng)冷卻水。經(jīng)過近4個供暖季的實踐也驗證該技術(shù)的應(yīng)用取得很高的經(jīng)濟性和可靠性。

一、特種水泥生產(chǎn)余熱水源熱泵機組供暖與其它幾種供暖方式的投資比較

       利用水泥生產(chǎn)循環(huán)冷卻水的余熱水源熱泵系統(tǒng)，直接在冷卻水池內(nèi)安裝潛水泵供給水源熱泵機組，然后直接返回循環(huán)水池，同樣采用風(fēng)機盤管末端系統(tǒng)與其它幾種冷熱系統(tǒng)比較節(jié)省了大筆投資。

       以該工程供暖面積1萬㎡實際投資差額估算見下(表一)：

表一  幾種冷熱系統(tǒng)的投資差額比較表

       以上比較參考了國內(nèi)知名品牌、按中檔配置在其它工程中的投標(biāo)報價；通過比較幾種系統(tǒng)初投資差額很大，分別高出余熱水源熱泵系統(tǒng)達(dá)340%、80%和200%。

二、特種水泥生產(chǎn)余熱水源熱泵機組供暖系統(tǒng)原理及設(shè)備設(shè)計選型

       2.1 余熱水源熱泵機組系統(tǒng)原理

       利用水泥生產(chǎn)循環(huán)冷卻水的余熱水源熱泵系統(tǒng)，冷卻水池直接利用，也省去了冷卻塔系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備原理相對簡化了許多，參見(圖1)一目了然。

圖1 余熱水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

       冬季供暖和夏季制冷的工況轉(zhuǎn)換通過圖中連接蒸發(fā)器、冷凝器的A、B、C、D、E、F、G、H四個閥門通過設(shè)定程序的控制自動切換實現(xiàn)，末端由于冷暖采用風(fēng)機盤管一套系統(tǒng)不必調(diào)節(jié)。

       冬季，冷卻循環(huán)水池內(nèi)的潛水泵抽水供給水源熱泵機組，經(jīng)由機組提取熱量后返回循環(huán)水池，冷卻循環(huán)水池的有效容積為400m³，循環(huán)冷卻水池與特種水泥生產(chǎn)線之間的循環(huán)周期為每小時一次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不斷的低品位熱量即來自生產(chǎn)線。余熱水源熱泵機組提取的熱量通過管網(wǎng)和風(fēng)機盤管釋放到房間內(nèi)實現(xiàn)供暖。

       夏季，房間內(nèi)的熱量經(jīng)由風(fēng)機盤管和管網(wǎng)，輸送給水源熱泵機組，然后通過機組和潛水泵轉(zhuǎn)移到循環(huán)水池，再經(jīng)由循環(huán)水池冷卻釋放。

       2.2 主要設(shè)備的設(shè)計選型：

       齊銀集團特種水泥生產(chǎn)廠的建余熱水源熱泵機組機房設(shè)備通過社會公開招標(biāo)后確定以“交鑰匙工程”形式，由中標(biāo)單位設(shè)計、施工總承包。

       廠區(qū)宿舍建筑為240厚外墻、俱樂部采用了大型鋼架玻璃穹頂自然采光、食堂則直接采用板房結(jié)構(gòu)，均為不節(jié)能建筑；設(shè)備廠家經(jīng)過估算，結(jié)合了廠區(qū)遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)劃考慮了足夠負(fù)荷富余量：

       主機設(shè)備選型“清華同方”SGHP350M（壓縮機耗電功率80Kw）兩臺單機頭機組，根據(jù)生產(chǎn)可靠性要求一用一備；

       循環(huán)水泵選型規(guī)格為：流量Q=50m³/h，揚程H=18米，電機功率N=9Kw，三臺，兩用一備；

       余熱熱源泵（潛水泵）選型規(guī)格為：流量Q=27m³/h，揚程H=50米，電機功率N=11Kw，三臺，兩用一備；

       熱源側(cè)機組進水處設(shè)80型旋流除砂器一臺。

       2.3 末端系統(tǒng)及其節(jié)能措施

       冷暖系統(tǒng)末端均采用了風(fēng)機盤管系統(tǒng)。

       每套風(fēng)機盤管設(shè)帶液晶顯示的可溫控三速調(diào)節(jié)開關(guān)，溫控開關(guān)預(yù)設(shè)冬季供暖22℃、夏季制冷26℃下限控制，有效的實現(xiàn)自動節(jié)能。

       風(fēng)機盤管用電與其供暖、供冷區(qū)域的日常用電合并一套計量，通過核算確定稍寬裕的合理用電量限制，并建立獎懲制度落到實處，通過措施做到人走燈滅、空調(diào)停，約束實現(xiàn)自覺的行為節(jié)能。

       水源熱泵機組則通過傳感器檢測到的系統(tǒng)回水溫度，控制壓縮機的啟停實現(xiàn)節(jié)能。

       2.4 室外管網(wǎng)的無補償直埋的施工

       室外管網(wǎng)分熱源側(cè)和接末端側(cè)兩部分內(nèi)容且均為低溫水范疇，故均采用無補償直埋敷設(shè)施工工藝：

       熱源側(cè)即潛水泵管網(wǎng)，采用DN100的PE80級塑料給水管，外包20厚橡塑板保溫后直埋輻射。管網(wǎng)循環(huán)為通過循環(huán)冷卻水池的開式循環(huán)系統(tǒng)，管線敷設(shè)結(jié)合跟進地形的起伏自然地坪下埋深1.0米。

       水源熱泵機組接建筑冷暖埋地主管線，選用無縫鋼管采用氰聚無補償直埋敷設(shè)工藝：無縫鋼管經(jīng)過機械除銹后外刷高效防水防腐涂料氰凝樹脂漆一道，外包40厚的聚氨酯發(fā)泡保溫，外做1.5厚的環(huán)氧玻璃鋼保護層；管溝回填細(xì)沙柔性墊層厚再宿土夯填。

       氰聚無補償直埋技術(shù)可確保鋼管較長的使用壽命和系統(tǒng)可靠、節(jié)能的運行，這一技術(shù)的優(yōu)勢在瑞典、德國等城市供暖管網(wǎng)應(yīng)用中已實踐檢驗證實，在近幾年也被列入國內(nèi)建筑工程技術(shù)目錄中加以推廣技術(shù)支持。無縫鋼管的氰聚直埋管道保溫大樣圖，詳見圖2：

圖2

三、特種水泥生產(chǎn)余熱水源熱泵機組供暖運營實踐的可靠效果與經(jīng)濟性

       3.1 系統(tǒng)運行效果可靠、舒適度良好

       系統(tǒng)運行以來，實現(xiàn)了冬季供暖室內(nèi)20℃、夏季制冷室內(nèi)26℃的運行效果；房間內(nèi)冬季升溫、夏季降溫快，熱舒適度高；在換季期間根據(jù)氣候溫度自由實行供暖不受熱力公司壟斷控制，反饋良好。

       3.2 余熱水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性顯著

       根據(jù)資料統(tǒng)計，魯中地區(qū)采用水源熱泵進行建筑供暖與制冷，采用地下水水源熱泵，按電價0.58元/度計，按一年8個月冷暖運行運行總費用均在26元/m²以下，僅采暖運行費用也在17元/m²之內(nèi)，按工業(yè)用電0.70元/度計為21元/m²。

       齊銀集團特種水泥廠區(qū)余熱水源熱泵空調(diào)由于采取了一系列自動節(jié)能技術(shù)措施及行之有效的行為節(jié)能管理措施，運行三個采暖季以來費用在7~8元/m²之間；節(jié)能效果相當(dāng)顯著。

       物價局核定的工商業(yè)冬季供暖為36元/m²（如果考慮最小用熱量限制費用會更高），如果采用集中供暖加冷卻塔、螺桿機制冷，1萬m²的建筑每個冷暖季運行費用約45萬元；而齊銀集團采用的低品位余熱水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實際費用只有8萬元不到，扣除設(shè)備折舊每年可節(jié)約30萬元左右，節(jié)省的費用為綜合運行費用的近四倍。

四、系統(tǒng)存在的問題與改造建議

       4.1 系統(tǒng)存在的問題分析

       4.1.1 余熱水源熱泵機組采用單壓縮機機組，機組選型根據(jù)滿負(fù)荷運行需要選定，選型同時也考慮了廠區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃需要，造成壓縮機功率過大；特別是在用餐時間只有食堂使用冷暖，壓縮機經(jīng)常在25%負(fù)荷工況下（即通常說的“大馬拉小車”）運行且啟停頻繁。壓縮機運行工況遠(yuǎn)超出經(jīng)濟工況范圍，且頻繁的啟停非常影響機組正常運行，將大大縮短機組的使用壽命。

       4.1.2 同樣，循環(huán)泵流量估算確定，選型與實際需要比較過大；運行觀測記錄供回水溫差一般在4~5℃之內(nèi)，即使在連續(xù)一個月最低氣溫16℃以下的2010年冬季，供回水溫差也不超過5℃。循環(huán)泵選型過大也是造成機組頻繁啟停的原因之一。

       4.1.3 通過更粗略的估算選型的余熱水源泵（潛水泵）也嚴(yán)重過大，機組設(shè)計進出水溫差為10℃，很多情況下即使開啟一臺溫差也只有5℃左右。潛水泵的揚程經(jīng)過計算只需要25米，而實際選型整整高出了一倍。

       4.1.4 末端風(fēng)機盤管只是通過風(fēng)機的啟停實現(xiàn)節(jié)能，管路系統(tǒng)內(nèi)的總流量并未實現(xiàn)變流量轉(zhuǎn)換。循環(huán)水泵只能通過人工進行啟停和控制開啟臺數(shù)。潛水泵只能通過人工控制，未與機組實現(xiàn)聯(lián)動。

       4.2 建議通過以下改進進一步節(jié)能提高經(jīng)濟性

       4.2.1 通過精確地計算和精密的工況分析確定數(shù)據(jù)、規(guī)范設(shè)計。避免數(shù)據(jù)依據(jù)估算產(chǎn)生，杜絕經(jīng)驗型、粗獷型設(shè)計。

       4.2.2 結(jié)合近遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)，繪出近遠(yuǎn)期負(fù)荷工況曲線對比設(shè)備運行工況參數(shù)，兩者兼顧，確定主機、水泵設(shè)備選型；既滿足負(fù)荷需要又要避免長期“大馬拉小車”的運行狀態(tài)。

       4.2.3 針對齊銀集團特種水泥余熱水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建議通過以下措施改造進一步提高節(jié)能效果和運行的經(jīng)濟性：

      （1）將其中的一臺余熱水源熱泵機組改造為雙壓縮機頭，通過人工粗略控制分別按25%、50%、75%、100%投入運行，再結(jié)合機組自控實現(xiàn)的壓縮機25%、50%、、75%、100%四級工況調(diào)節(jié)，使得每臺壓縮機盡量處在經(jīng)濟運行工況范圍內(nèi)。

       （2）循環(huán)水泵采用大小結(jié)合搭配，將其中的一臺循環(huán)泵換成一臺流量只有一半的小泵，小泵設(shè)變頻控制；循環(huán)水泵工況根據(jù)負(fù)荷從小到大一次為Q小的變頻控制、Q大的60~100%工頻控制、Q大100%加Q小變頻控制、Q大100%加Q大工頻控制調(diào)節(jié)運行。

       末端系統(tǒng)本著相對集中和節(jié)省改造成本的原則，分別對宿舍、俱樂部、辦公、食堂設(shè)時間控制開關(guān)，根據(jù)使用與否隨時開關(guān)。

       （3）將其中的一臺潛水泵換成一臺流量、揚程均只有一半的小泵，其余換成揚程只有原來一半的小泵，根據(jù)運行觀察記錄人工控制水泵啟停臺數(shù)。

       （1）-（3）項系統(tǒng)改造，既花費相對很少的成本，又可以進一步大大降低運行費用。僅就目前投入使用的一萬平方建筑供暖計算，壓縮機耗電功率可平均降低10Kw、循環(huán)水泵電功率可平均降低8Kw、潛水泵耗電功率可平均降低10Kw；全部系統(tǒng)科平均降低耗電功率28Kw左右，綜合能效比（COP）提高25%左右。改造費用在之前的節(jié)能的基礎(chǔ)上兩個采暖季(甚至一年的供暖、制冷)就可以節(jié)省出來。

五 結(jié)論 

       1、利用生產(chǎn)余熱甚至是低品位的生產(chǎn)余熱，采用余熱水源熱泵機組空調(diào)系統(tǒng)解決工業(yè)廠區(qū)配套宿舍、辦公冬季供暖，可大大節(jié)省初期建廠投資，更可大幅度降低冬季供暖運行費用，取得節(jié)能經(jīng)濟雙重效益。在工業(yè)廠區(qū)尤其是化學(xué)、建材工業(yè)密集、生產(chǎn)低品位余熱豐富的魯中化工地區(qū)宜大力推廣。

       2、余熱水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，甚至是普通地下水水源熱泵機組，普遍有空調(diào)廠家設(shè)計施工，設(shè)備設(shè)計選型普遍保守過大，通過縝密設(shè)計、施工，可以進一步大幅提高系統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能效益。

參考文獻(xiàn)

       [1] 中國有色工程設(shè)計研究總院.GB50019—2003  采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2004
       [2] 徐偉，路賓，鄒瑜等譯.  地源熱泵工程設(shè)計指南[M].北京: 中國建筑出版社,2001. 
       [3] 徐偉，鄒瑜，刁乃仁等.  地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005.北京: 中華人民共和國建設(shè)部,2005
       [4] 汪訓(xùn)昌.關(guān)于發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的若干思考. 暖通空調(diào)，2007,37（3）
       [5] 徐偉.可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)指南.北京：建筑工業(yè)出版社，2008
       [6] 趙軍，戴傳山.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用.北京：建筑工業(yè)出版社，2007
       [7] 馬最良，姚洋，楊自強.水環(huán)熱泵與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006
       [8] 趙溪保。山東齊銀集團余熱水源熱泵空調(diào)工程設(shè)計與運行報告.淄博：淄博魯盛物資有限公司，2008~2011

       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。