燃气锅炉排烟余热调节地源热泵系统冷热平衡的应用研究

林玉森

摘要：通过利用燃气锅炉使用时的排烟废热为地源热泵系统的室外换热系统提供补充热源，两个系统形成良好的互补，既解决了我国北方地区应用地源热泵长期运行的地下冷热量平衡的难题，又降低了燃气锅炉的排烟温度，减少了污染物排放。文章介绍了利用燃气锅炉排烟余热解决地源热泵系统地下冷热量平衡的方法及控制方式，并对实际应用效果进行了分析。

关键词：地源热泵；燃气锅炉；排烟余热；冷热平衡

中图分类号：Q938 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0085-02

地源热泵技术是目前成熟的供暖制冷技术，已经在很多实际应用中得到了验证，可以冬天供热、夏天制冷，一机两用，并具有高效节能、对环境污染小、运行稳定可靠、维护费用低、运行费用低等诸多优点，是理想的建筑冷热源，特别是在我国北方地区，冬季寒冷漫长建筑能耗高，使用地源热泵作为建筑的冷热源会明显降低能耗、减少污染物排放。但是因为北方冬季的热负荷远大于夏季的冷负荷，单一应用地埋管系统而没有调节地下冷热平衡的措施，冬季取热、夏季排热，由于其负荷差很大、冷热不平衡，长期运行将会造成地温持续下降，在地埋管区域形成“冷岛”，最终将导致地源热泵系统效率降低甚至不能运行。使用太阳能集热板、余废热等为冬冷夏凉地区地源热泵系统提供补充热能是调节室外换热系统冷热平衡的有效办法。

本工程位于吉林省长春市，地源热泵系统总建筑面积26000m2，共有两栋建筑，一栋为工厂综合办公楼，一栋为工厂生产辅助用房。经业主与设计院反复论证和实际项目考察，建筑的冷热源采用土壤源热泵系统，利用为工厂生产提供蒸汽的燃气锅炉的排烟废热作为地源热泵室外换热系统的补充热源。

1 主要设计参数及热参数换算

1.1 夏季室外设计计算参数

表1

干球温度 日平均温度 湿球温度 极端温度 大气压力

30.4℃ 26.1℃ 24℃ 36.7℃ 96780Pa

1.2 冬季室外设计计算参数

表2

采暖温度 室外相对湿度 干球温度 极端温度 大气压力

-20.9℃ 77% -24.3℃ -33.7℃ 99650Pa

1.3 夏季室内设计计算参数

详见表3。

1.4 冬季室内设计计算参数

详见表4。

1.5 冷热负荷

详见表5。

1.6 燃气锅炉系统参数

表6

额定蒸发量 额定蒸发量 节能器进出口烟温 循环水泵

16t/h 22t/h 110℃/50℃ 扬程32m、流量35t/h

1台 2台 3台

1.7 地源热泵系统冬季取热量的计算

实际运行平均热负荷按计算热负荷40%，采暖天数170天，热泵机组COP值3.8。

冬季取热量=（1860×40%）×（1-1/3.8）×

170×24×3600=8052116210kJ

1.8 地源热泵系统夏季放热量的计算

实际运行平均冷负荷按计算冷负荷70%，制冷天数70天，每天制冷时间10h，热泵机组COP值5.5。

夏季放热量=（1650×70%）×（1+1/5.5）×

70×10×3600=3439800000kJ

1.9 地源热泵系统冷热不平衡量的计算

冷热不平衡量=8052116210-3439800000=4612316210kJ

1.10 燃气锅炉系统余热量计算

锅炉系统年均补水按23000t，平均进水温度15℃，平均出水温度45℃，锅炉年均消耗天然气3700000Nm3，天然气低位发热值32650kJ/Nm3，锅炉平均效率按92%，节能器热回收率80%。

锅炉系统出加热补水外可提供给热泵系统的余热量=32650×（1-92%）3700000×80%-23000×1000×（45-15）×4.186=4843180000kJ。

1.11 板式换热器换热面积计算

按逆流换热进行计算，计算公式：F=Wq/（K·△T）。

换热量：Wq按锅炉锅炉节能器可提供的余热量取值，即热水箱水位处于高位，电动给水阀关闭且软水箱温度达到设定值，全部水流都流经地源热泵系统补热板式换热器，锅炉最大天然气流量1500Nm3/h。Wq=1500×32650×（1-92%）×80%×1000/3600=870666W。

进出口温度：热媒进出口温度50/20℃，冷媒进出口温度9/19℃进行计算，传热系数K值取4000W/m2℃；平均温差△T：△T=〔（50-19）+（20-9）〕/2=21℃。

换热器的有效换热面积：F=Wq/（K·△T）=870666/4000·21=10.4m2。

1.12 过渡季节循环水泵选型计算

流量Q=W/（T2-T1）

其中：W为总热量（单位：kcal）、T2为换热器出口温度（单位：℃）、T1换热器进口温度（单位：℃）

W=870666×3600/1000/4.186=748781kcal

Q=W/（T2-T1）=748781/（19-9）/1000=75m3/h

扬程：板式换热器压降取0.05MPa，管道不超100m且管件等较少阻力取0.1MPa，压头余量按0.1MPa，则水泵扬程=0.05+0.1+0.1=0.25MPa。

1.13 余热补充系统的流程

详见图1所示。

2 系统的控制和监测

2.1 控制

2.1.1 锅炉余热端的控制。软化水经锅炉节能器加热后分别可以送至锅炉热水箱和地源热泵补充热能的板式换热器，利用管路上的电动阀调节送至板式换热器的流量，优先保证锅炉用水加热的需要，合理调节进入节能器的水温，保持节能器运行在高效率状态。

当阀1开度增大时，热水直接进入软化水箱的流量增大，进入地源热泵换热器的流量减小，软化水箱内水温升高，节能器出口水温升高，锅炉除氧器加热用蒸汽量减少；反之则节能器出口水温降低，锅炉除氧器加热用蒸汽量增加。

图1

电动调节阀检测节能器的水出口温度和烟气出口温度进行恒定调节，保持水出口温度不低于50℃，排烟温度不高于50℃。

2.1.2 地源热泵端的控制。冬季采暖和夏季制冷地源热泵系统开动时，地埋侧循环水直接进入板式换热器汲取热量；过渡季节或地源热泵系统停机时系统自动将循环动力切换到使用小循环泵，同时开闭对应电动阀门；小循环泵根据装在换热器热媒进口的温度传感器采集的温度数据判断启动和停止（温度高启动、温度低停止），以避免不必要的电能消耗；通过小循环泵的循环将热量带到地下系统中。

2.2 监测

检测地源热泵室外换热侧水泵进口的温度变化情况，用以监测地温变化情况，分析冬夏季的冷热平衡情况。

3 经验结果总结

2009年11月投入运行至2012年共经历了4个寒冷冬季，锅炉的最终排烟温度40℃～50℃，地源热泵系统地温11℃～15℃，完全可以做到室外系统的冷热平衡，运行状况十分理想。

（1）锅炉节能器至热泵系统的管道使用的是无缝钢管，软化水经节能器加热升温后原水中的溶解氧析出，造成管道的氧腐蚀，导致管道流通面积减小，流动阻力增大，局部出现漏水现象。应在系统中再加装一组换热器，使余热回收利用的循环水封闭循环，消除氧腐蚀，锅炉补充软水管路在换热器后采用不锈钢管道。

（2）利用锅炉排出的废热对地源热泵系统进行地下冷热平衡调节，使地温不会因为地源热泵系统的取热和放热的不平衡而降低，保障了该系统可以长期稳定、高效地运行。

（3）锅炉排烟温度降低到50℃以下，天然气燃烧后产生的水蒸气大部分冷凝下来，二氧化硫、氮氧化物排放量大大减少，减少了热排放和污染物排放。