高温水源热泵在工业废水中的应用

摘要：针对目前传统方式供暖的现状，介绍了一种全新的工业余热水、高温水源热泵的供暖方案。在比较了各种常规的供暖模式的经济及环保效益的同时，为低温地热水、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热水资源提供了一种高效、合理的利用途径。用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，应用于我国北方城市的冬季供暖是热电联产供暖方式的必要、有力的补充。有关部门应给予重视及大力推广。
关键词：高温水源热泵；供暖；工业余热水；节能；环保
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一、我国能源现状、环境及高温水源热泵供暖
解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗25-30%；我国的能源消耗因能源利用方式不同、利用效率水平低及节能建筑推广慢等因素，建筑耗能的比例则更高。随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。
我国的能源结构主要依靠矿物燃料，并且是以煤炭为主，燃煤所造成的大气污染是严重的。1998年我国大气排放中CO2为6～7亿吨（其中85％是由燃煤排放形成），SO2的排放为1593万吨（其中90％是由燃煤排放形成），排放的工业烟尘为1175万吨（其中73％是由燃煤排放形成），其中CO2为温室效应的元凶，SO2、NOX等有害气体和大气中的总悬浮颗粒物是大气环境污染的主要成因，1999年中国环境状况公报中统计了338座城市中的137座城市超过了国家空气质量二级标准，占统计城市的40.5%。环境污染问题已成为我国可持续发展的重要制约因素。根据国家环保局计算，中国环境问题所造成的经济损失占国家生产总值的10％左右。环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变，现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了热电联产集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。随着可持续发展和人们环保意识的提高，环保和节能已成为建筑能耗的首要问题。从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径。

我国能源紧缺，一次能源及各种余热资源利用水平较低，特别是对于30℃～60℃温度段上的余热资源的能量利用水平和效率更低。为实现可持续发展目标，国家制定了“十五能源发展战略规划”：要求调整能源结构，减少燃煤造成的污染，大力发展新能源可再生能源的利用技术，其中提到要开发这种中低品位余热资源利用的热泵技术，以充分利用余热资源及有效地保护环境。

北京市科委立项，清华大学热能系和北京清源世纪科技有限公司共同研制开发出的QYHP系列的高温水源热泵机组，采用了高温环保工质HTR01,解决了以往热泵传统工质高温工况下工作压力过高的技术瓶颈，保证了设备在高温工况下运行的安全可靠。 QYHP系列高温水源热泵可将各类30-60℃的余热水直接利用，经热泵机组进行能量提升将温度升到70-90℃，适用于各种供暖方式，解决了高寒地区的余热热泵供暖以及用高温水源热泵取代燃煤锅炉仍可利用暖气片热水式热力循环系统的采暖改造问题。被利用后的余热水排水温度最低可低于10℃，符合环保的要求。制热工况COP可达到3.5以上，也就是说，花费一份代价，可以得到3.5倍以上的热量。

用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，没有燃烧过程，不排放废水、废气、废物，利用的是各种余热资源属于可再生能源，符合可持续发展及环保的要求，与传统的各种矿物燃料锅炉及电锅炉相比，节能及环境效益十分明显，更具有良好的经济运行性（见表一）。高温水源热泵在办公楼、宾馆、医院、饭店、别墅、住宅小区等建筑的采暖和空调的实际工程项目中正日益得到广泛的应用，同时随着节能、环保意识的提高及工作的展开，高温水源热泵也正在逐步应用于工业余热水的回收利用，回收后的能量用于冬季供暖或生产工艺，并逐渐应用于石油、化工、冶金、纺织、食品等各行业。

用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，应用于我国北方城市的冬季供暖，是热电联产供暖方式的必要、有力的补充。有关部门及业内人士理应给予高度重视，同时国家亦应制定相应的政策大力推广。

二、项目简介
河南郑州某厂，其铸造车间因工艺需要对工业炉进行炉体冷却，产生大量的40-45℃的工业炉冷却循环水，其水质情况为杂质较多，但腐蚀性低。采用高温水源热泵对该冷却水进行余热回收，制取75℃高温热水对末端为散热器片的8000㎡办公楼实行冬季供暖。

三、负荷计算
1、设计所需相关规范：
采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87
建筑通风设计防火规范GBJ16-83
室内空调舒适温度GB5701-83
办公建筑设计规范JG67-89

2、采暖室外计算参数



干球温度(℃)
大气压力(Kpa)

冬季
-5.0
1020.4


3、采暖室内计算参数
冬季室内设计温度t=18--22℃

4、负荷计算

取面积热指标： q = 60 W/㎡

供暖总建筑面积： F = 8000㎡

冬季总热负荷： Q = q × F = 60×8000=480 kW

四、工艺方案
40-45℃工业余热水经简单处理（除砂，杂质过滤，加药或用电子水处理仪防结垢）后，应用板式换热器进行热交换，输出37-42℃二次热水（软水）进高温水源热泵机组进行能量提升，高温水源热泵机组输出75℃的热水供8000㎡办公楼冬季采暖。工业余热水水温降为33-38℃，可使生产工艺中的炉体冷却效果更好。

建议供暖系统设计采用进回水双垂直立管的系统（新建项目的供暖系统均应采用这种方式），室内散热器片的面积应比传统的95℃供水70℃回水的单管垂直串联方式的供暖系统增加40%。

设备选型：（设备选型应为480kw×1.1＝528kw）拟选用两台北京清源世纪科技有限公司生产的QYHP-300H型的高温水源热泵机组，两台机组制热量共为624KW，一次水水量为84t/h，二次水量为66t/h，需工业余热水量为76－80t/h，电源额定功率为190KW。这样选型的好处是：在大约80%的供暖时间仅需开启一台机组（311kw，38.88w/㎡）就可满足系统负荷的需求，在较冷的季节可同时开启两台设备以满足负荷需求，既减少了机组的开启次数又节约了运行费用，同时在一台设备出现故障进行维修的时候可启用另外一台热泵机组，系统尚有较强的供热能力。

机组除冬季供暖外，尚有320KW的制冷能力，可约为4000㎡普通建筑物实施夏季供冷。

机组可利用各种余热水全年提供生活热水。除采暖季外，在适当加设热水箱的前提下，可为约1000人提供生活热水的需求（每人每天生活热水按160升考虑）。提供生活热水的费用约为同样输出功率的电锅炉的13.3%，燃气锅炉的33.2%，燃油锅炉的18.7%，经济效率十分可观（经济性分析详见表二）。

两台高温水源热泵机组的额定电机输入功率为：190KW。

五、流程示意图图见附图
75℃
60℃
37-42℃
40-45℃
33-38℃


六、经济性分析

（一）、各种供暖方式就一次性投资及运行成本的经济性比较分析

高温水源热泵除具有环保的特点外，更具有明显的节能优势，下面将利用各种余热资源采用高温水源热泵的供暖方式同现行的各种供暖方式（市政热力、燃煤锅炉房供热、燃油锅炉房供热、燃气锅炉房供热、分户燃气供热），就一次性投资、运行成本依据基础数据（结合类似工程的造价情况及有关设备、材料、施工定额价格估算而得）等作分析比较如下表：

表一：各种供暖方式就一次性投资及运行成本的经济性比较分析表


供热方式
耗能量 （/m² 年）
运行成本（元/m² 年）
一次性投资（元/ m²）

市政热力
0
24
150

燃煤锅炉
38.7Kg
11.6
50

燃油锅炉
11升
37.4
25

燃气锅炉
12.8 m3
23
30

分户燃气
12.8 m3
23
70

电锅炉
104.5kw
41.8
40

高温水源热泵
26.5kw
10.6
65


说明：1、电价0 5元/（KW h）、低谷电价0 2元/（KW h），每日低谷电价运行8小时、天然气价1 8元/ m3、煤价300元/t、自来水3 2元/t、燃油3 4元/L。

2、单位建筑面积热负荷：设备选型按60W/㎡ ，实际运行按31 82 W/㎡ 计取（系统24小时不间断运行的全年平均值）。采暖系统运行按130天/年。

3、燃料燃烧值按国家标准计取，燃煤锅炉效率η取0 55，燃气锅炉效率η取0 90，燃油锅炉效率η取0 90，电锅炉效率η取0 95，水源热泵机组COP=3 75。

4、运行费只计主要设备的燃料费，未计入管理费、燃煤锅炉大修费等。

5、在一次性投资及运行费用中各种供暖方式相同的部分不做比较。

通过上表我们可以看到应用高温水源热泵能节省可观的运行费用，同时需要指出的还有因采用这种方式供暖同运行费用较低的燃煤锅炉供暖方式相比所带来的巨大的潜在经济效益：如锅炉维护人员的减少，省掉了锅炉的大修费用、煤场占地灰渣场占地的场地费用、排渣费用（这几项费用约为全年运行费用的20%，即燃煤锅炉总运行费用约比高温热泵高25%）；锅炉房对景观的破坏，锅炉烟气对环境造成的污染等等环保方面的效益。

利用各种余热资源采用高温水源热泵的供暖方式在实现冬季供暖的同时，因高温水源热泵机组还可提供生活热水及夏季制冷，从而避免了重复投资。高温水源热泵机组的一次性投资中还可节约24元/ m2的制冷投资（单位建筑面积冷负荷按80W/㎡计取），冬、夏两季运行的工况下高温水源热泵供暖项目一次性投资中的设备折旧也大为降低（为冬季供暖及夏季制冷各半）。 （二）、各种热源制取生活热水的运行成本比较分析

高温水源热泵除具有环保的特点外，更具有明显的经济节能优势，下面将采用高温水源热泵回收利用冷凝热或其它余热水资源制备生活热水同现行的各种方式（燃油锅炉、燃气锅炉、电锅炉），就运行成本依据基础数据作分析比较如下表（表中均以每小时制备100t生活热水为计算比较单位）

表二： 各种热源供生活热水的运行成本比较分析表


供热方式
耗能量
运行成本

元

燃油锅炉
745升
2533

燃气锅炉
752m3
1428

电锅炉
7107kw
3553

高温水源热泵
947kw
474


说明：1、电价0.5元/（KW.h）、天然气价1.9元/ m3、煤价300元/t、燃油3.4元/L。

2、单位生活热水负荷：每人每天200升，夏季自来水温度按10℃考虑，生活热水水温65℃，冷却水设计温度为出水37℃、回水32℃，设备选型依据国家关于生活热水尖峰负荷等规定执行。

3、燃料燃烧值按国家标准计取，燃煤锅炉效率η取0.55，燃气锅炉效率η取0.85，燃油锅炉效率η取0.85，电锅炉效率η取0.90，水源热泵机组COP=4.3。

4、运行费只计主要设备的燃料费，未计入管理费、燃煤锅炉大修费等。

5、高温水源热泵回收利用冷凝热或其它余热水资源制取生活热水的系统方案见北京清源世纪科技有限公司的其它已发表的文章或资料。

七、方案特点

1、 余热利用、经济节能
采用高温水源热泵机组可直接回收利用低温地热水、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热资源，从根本上解决了此类余热资源不能被热泵机组直接回收利用的现状。机组制热工况出水温度可根据用户需求调节，最高出水温度可达90℃，可满足不同用户的空调、供暖、制备生活热水的需求，低温余热水+高温水源热泵取代燃煤锅炉进行冬季供暖无须改造供暖末端及现有供暖管网，从而使现有资源得到了最合理的利用。能源利用率提高，投入1KW的电能可得到3.5KW以上的高品位热能，运行费用与常规方式相比更节约。

2、绿色环保、效益显著
采用工业余热水加高温水源热泵取代燃煤锅炉可取得很好的环保效应和经济效应，避免了燃煤锅炉的废气、废渣对周围环境的污染，省掉了燃煤的运输费用、贮煤场地费用、除尘费用、灰渣的运输、排放处理费用等。同时解决了这类30～60℃之间的余热水排放对环境造成的热污染的问题，经此方案后炉冷却循环水的温度降为33-38℃，大大改善了炉体冷却循环水的工况。

3、一机多用，节约资金
在该项目中，利用高温水源热泵提供冬季供暖的同时，还可提供夏季制冷，尚有320KW的制冷能力，可约为4000㎡普通建筑物实施夏季供冷，一机多用,从而避免了中央空调系统的重复投资,提高了设备的利用率。


4、性能稳定、安全可靠
高温水源热泵运行自动化程度高，便于操控,运行人员少，无压力容器存在，安全性好。因炉体冷却循环水温度稳定，热泵供热为连续供热温度恒定，人体的舒适感好。机组体积小，可灵活安置在任何地方，节约空间。

八、清源世纪QYHP系列热泵产品的性能和特点

1、 技术领先
QYHP系列产品系我公司与清华大学在北京市科委支持下联合研制而成，采用特殊的高温环保工质－HTR01，解决了传统工质高温工况下工作压力过高的技术瓶颈，从根本上保证了设备在高温区运行的安全可靠。

2、 国内唯一
该系列产品因技术为国内首创，因而是国内唯一一家可直接利用低温地热水、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热资源的产品，从根本上解决了此类余热资源不能直接回收利用的现状。机组制热工况出水温度可根据用户需求调节，最高出水温度可达90℃，可满足不同用户的空调、取暖、制备生活热水的需求，解决了高寒地区的热泵供暖以及用高温热泵取代燃煤锅炉仍可利用暖气片热水式循环的采暖改造问题。

3、设计合理
本系列机组全部零部件及电控箱整体组装，产品结构紧凑、占地面积小、操作简便，为用户设计、安装、操作及维护提供最大的方便性和经济性。

4、耗电低、寿命长
本系列机组采用PLC高精度控制（德国西门子技术），根据负荷变化压缩机能自动实现50%~75%~100%三段能量控制，主机启动电流低，调节过渡平稳，系统控制先进、灵活、合理，节省电力、延长机组使用寿命。

5、控制先进
本系列机组配备西德西门子可编程序控制器，采用先进的控制方法，具有全自动控制功能:故障自诊断、报警及保护，实时显示机组的运行参数、报警参数，监测热（冷）水的出水温度和回水温度，根据室外温度变化及室内温度要求自动控制压缩机的上载、卸载、机组启停，从而准确的控制机组供热量（供冷量）自动化程度高，实现最佳节能效果，同时节省了人力物力，达到运行安全可靠及高效节能的目的。

6、安全保护完善
本系列机组设有完善的安全保护系统：压缩机排气压力过高保护、压缩机吸气压力过低保护、电机保护（过载保护、线圈过热保护、反相保护）、断水保护、冷水温度过低（防冻）保护、热水温度过热保护等，安全保护装置齐全，因此运行安全可靠。

7、运行平稳、噪音低
本系列机组压缩机采用了当代最先进的双螺杆压缩机（德国比泽尔为清源世纪高温水源热泵专门设计），对长时间不间断运行有更强的适应能力，具有运转平稳、振动极小、低噪音、高效率等特点，保证了机组运行的可靠性。

8、换热效率高
本系列机组的两大换热器，均采用壳管式换热器，其换热管采用先进的高效的换热管，换热管材选用优质进口材料，换热效率高。

9、经济运行
本系列机组能效比COP>3.5即输入1KW电能可产生3.5KW以上的热量，运行费用为电采暖方式的1/4~1/3，且显著低于燃油、燃汽类供暖方式。运行稳定，几乎不受天气及环境温度变化的影响。

10、环保节能
本系列机组以低温地热水、地热尾水、油田含油污水及其它工业废水为热源，从中吸收热量，不消耗水资源，利用的是可再生能源，节约了一次能源。本系列机组没有燃烧过程，不排放粉尘和有毒气体，省去了锅炉、锅炉房、堆煤堆渣的场地（省地），因而不造成任何污染，有效的解决了传统的供暖方式造成的大气污染。是真正绿色环保节能的产品。

11、用途广泛
本系列机组可广泛应用于办公楼、宾馆、医院、饭店、别墅、住宅小区等建筑的采暖和空调，还可以为石油、化工、冶金、纺织、食品等行业提供工艺热水及冷冻水。

12、一机三用
本系列机组在实施夏季制冷、冬季供暖的同时还可将生活用水接在冷却器上来免费制取高温生活用水。

参考文献
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作者简介：尤晶（1966-），男，高级工程师，北京清源世纪科技有限公司，从事中央空调及管理工作