自来水厂采暖系统节能改造实践及分析

刘永强 ,尚坚利

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 2.山西省临汾市自来水公司，山西 临汾 041000)

自来水厂采暖系统节能改造实践及分析

刘永强1,尚坚利2

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 2.山西省临汾市自来水公司，山西 临汾 041000)

分析了山西某净水厂原有采暖系统能耗高的原因，根据实际情况，提出了在不改动室外管网和室内采暖系统的情况下，将燃煤锅炉系统改造为水源热泵系统的方案.该方案中设置了换热器，避免了对水源污染的可能性；充分利用了该厂原有水泵资用压力，省去了常规的水源侧循环水泵，节省了投资，降低了运行能耗.最后对该系统运行以来的数据进行了统计分析，结果表明，改造取得了很好的节能效果.

燃煤锅炉；节能改造；采暖系统；水源热泵

1 项目概况

山西某自来水厂，建于20世纪80年代，水源为地下水，日供自来水60 000m3/d，水处理量平均2 500 m3/h.厂区内设有各类建筑共计13 000m2，其中采暖建筑面积9970m2.该厂区附近没有集中供热管网，热源采用1台燃煤热水锅炉(额定热功率1.4MW)，室内采用四柱813型铸铁散热器.该水厂在室外气温低于0℃时即开始间歇供暖，每年供暖时期5个月(城市集中供热为4个月).2010年—2012年平均消耗煤炭约700吨/年，供暖燃煤费用约50万元/年，折合单位面积采暖费用约为55.2元/m2，采暖运行费用较高，能源浪费严重.同时，当地环保政策也开始限制燃煤锅炉的使用，因此进行供暖系统节能改造.

2 采暖系统能耗偏高原因分析

2.1 建筑围护结构未考虑节能措施，能耗较大

该厂区内建筑大多均为20世纪80年代建造，围护结构均未考虑节能措施，因此建筑物采暖能耗较大.

2.2 热源设备选型偏大

根据围护结构实际情况计算热负荷，结果见表1.由表可见，该采暖系统热源选用1台0.7 MW热水锅炉即可，实际使用1台1.4MW热水锅炉，选型过大，导致锅炉热效率比较低，造成能源浪费，是采暖运行费用高的主要原因之一.

表1 采暖负荷计算表

建筑名称采暖面积/热负荷/kW热指标/W·m-2层数办公楼2700181．37663深度水处理车间2300126．96551投药楼130087．06661其余车间3670215．67601合计9970611．0661．3

2.3 热源设备效率下降

该采暖锅炉已使用10年左右，平时维护保养不到位，锅炉热效率下降严重，导致燃料消耗大，也是采暖运行费用高的主要原因之一.

2.4 运行管理落后

该系统采暖季采用间歇供暖方式，系统运行及燃料添加主要依靠人工方式进行，主观随意性较大，造成能源浪费.

3 节能改造方案确定

经前述分析，该采暖系统存在问题主要集中在热源，因此尽可能仅对热源进行节能改造，室外管网及室内采暖系统需进一步分析以确定是否需要改造.

表2 天然气费计算表

参数数值备注供暖天数/天150设计热负荷/kW611．06室内计算温度/℃18供暖期室外平均温度/℃1．1供暖室外计算温度/℃-6．6来自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A全年耗热量/GJ6148．75依据《城镇供热管网设计规范》3．2．1条计算天然气热值/MJ·m-338．6天然气耗用量/m3176993．49 锅炉热效率按0．9计天然气费/元566379．18

该厂区周围没有集中供热管网，有天然气管网，同时该厂水资源丰富，因此热源类型主要考虑燃气锅炉或水源热泵.经调查，当地天然气价格3.2元/m3，天然气热值取38.6 MJ/m3[1]，据此计算采用燃气锅炉的运行费用，结果见表2，采用燃气锅炉的运行费用甚至高于原燃煤锅炉运行费用.在其它同类工程中的分析也表明燃气锅炉的经济性较差[2-3]，因此本项目重点考虑采用水源热泵的可行性.

4 采用水源热泵方案的有利条件及问题分析

4.1 采用水源热泵的有利条件

(1)该净水厂水源采用地下井水，井水水温(17±1)℃，适宜于水源热泵机组冬季运行.

(2)该净水厂日处理水量8万m3，24小时生产，高峰时处理水量2500 m3/h，能充分保证水源热泵机组运行所需的水量.

(3)相比一般的水源热泵机组项目来说，利用水厂水源还可节省打井及取水的相关费用.

4.2 采用水源热泵存在的问题及解决方案

4.2.1 水源热泵与锅炉供暖参数不一致的问题及分析

从实际情况来看，原锅炉实际出水温度最高达80℃，供回水温差25℃.水源热泵出水温度目前最高65℃，供回水温差一般介于5℃～15℃之间(通过调查各热泵机组厂家获得).这通常导致两个问题，一是供回水温度的降低导致散热器的散热能力下降，在散热量不变的情况下，需增加散热器面积；二是热泵机组供回水温差比原有系统小，在供热量不变的情况下，系统流量加大，原有管网的规格有可能无法满足要求.就本项目来说，考虑到原锅炉选型偏大的现象，对这两个问题尚需具体分析.

(1)供回水温差对管网规格的影响及分析

供回水温差一方面影响系统流量，进而影响比摩阻，温差越大，系统流动阻力越小，则越有可能利用旧有管网；另一方面供回水温差也会影响进出散热器的平均水温，供水温度一定的情况下，温差越大，进出散热器平均水温越低，散热器的散热能力也越低，需要的散热器面积相对就越大，原有的散热器数量不满足要求的可能性就越大.

经调查，该厂区采暖室外管网干管为DN125焊接钢管，将供回水温差分别取值5℃、8℃和10℃计算其比摩阻，计算结果见表3，温差为8℃和10℃时流量处于或接近经济比摩阻范围(30～100Pa/m)[4].

表3 不同温差情况下比摩阻计算

负荷/kW供水温度/℃回水温度/℃供回水温差/℃流量/m3·h-1管径/mm比摩阻/Pa·m-1611．0665605105．157865．7551052．5150195．476．6449．18

(2)供水温度降低对散热器数量的影响及分析

本项目中除办公楼为三层外绝大多数系统均为单层建筑，为便于分析，暂将热源供回水温度等同于散热器进出水温度.

依据式(1)～(3)[5]，供水温度tsg的降低将导致散热器内热媒平均温度tpj降低，在利用水源热泵做为热源的情况下，室内散热器的单片散热器q将降低，如果要保持室内供热量Q维持原状，将需要增加散热器的片数.仅由此分析来说，这意味着需要对室内采暖系统进行改造.

(1)

(2)

(3)

式中:n为散热器片数(片)；Q为散热器散热量(W)；q为散热器单片散热量(W/片)；tpj为散热器内热媒的平均温度(℃)；tn为室内采暖计算温度(℃)；tsg为散热器进水温度(℃)；tsh为散热器回水温度(℃)；

本项目中，各楼栋设置散热器数量见表4，计算可发现在原有供水温度条件下，采暖系统供热量超过热负荷指标，即散热器数量超过实际需要量.采用同样方法，进一步计算各建筑物采暖系统在水源热泵工况条件下的供热量，结果见表5.由表5可知，采用供回水温度65/57℃时，可保证室内温度16℃，该数值已能满足该厂使用要求.

综合以上，该项目采用水源热泵作为热源，采用供回水温度65/57℃时，既不需要改动室外管网也不需要增加室内散热器数量，即可满足供暖要求，由此可节约部分费用.

表4 各楼栋散热器数量统计及供热能力表

建筑名称单位面积散热器片数n/片·m-2供回水95/70℃，室湿18℃时散热器散热量q/w·片-1供回水95/70℃，室温18℃时供热量/W·m-2热负荷指标/W·m-2办公楼0．69151．7104．766水处理车间0．59151．789．555投药楼0．71151．7107．766其余车间0．63151．795．660

表5 热泵工况下，室内采暖系统供热能力表

建筑名称热指标/W·m-2供回水65/55℃，室温18℃供热能力/W·m-2供回水65/55℃，室温16℃供热能力/W·m-2供回水65/57℃，室温18℃供热能力/W·m-2供回水65/57℃，室温16℃供热能力/W·m-2办公楼66．0059．7563．4861．6265．39水处理车间55．0051．0954．2852．6955．91投药楼66．0061．4965．3263．4067．29其余车间60．0054．5657．9656．2659．71

4.2.2 热泵系统对水源水质可能造成污染的分析及解决

(1)热泵机组对水源污染的问题及解决办法

采用水源热泵机组，需将水源直接接入机组蒸发器中，机组蒸发器材质为铜管，蒸发器内循环介质为制冷剂(氟利昂)，制冷剂和水通过铜管进行换热，制冷剂和水源不直接接触，正常情况下不会对水源水质造成污染.如果铜管破裂，氟利昂泄漏，就会污染水源，为了防止这种情况，可加设水-水换热器，彻底隔绝水源系统和氟利昂系统，确保水质不受到污染.

(2)管路系统对水源水质污染的解决办法

为了防止管路系统水源水质造成污染，水源系统的管材选用给水用PE管，管路阀门均选用铜质或不锈钢材质.

5 水源热泵系统改造方案及改造运行情况

5.1 水源热泵系统改造方案

结合前述分析，为了避免污染水厂水体，热泵机组和水厂水体之间加上换热器.该水厂既有各类水池等静止水体，也有各类水流管线等流动水体.采用流动水体利用水源管网既有压力，可以节省取水水泵的费用.经过现场调查分析，确定在水厂地下泵房至深度水处理车间的供水管线上旁通引出部分水流作为热泵机组水源，最终确定该水厂水源热泵系统的工艺流程，如图1所示，主要设备参数见表6.为了节约能源，在控制上设置气候补偿系统，根据室外环境温度调节热泵机组出水温度，同时实现了无人值守，节约了人工费用.

5.2 水源热泵系统改造费用及运行情况

该系统改造费用包括热泵机房设备、管线安装、变配电系统、自控系统和水源取水管线，共计成本150万元人民币.

该水源热泵系统2013年10月改造完毕，当年11月投入使用，24小时运行，每个采暖季运行5个月，至今运行良好，室内温度一直可保持在16～18℃范围内.

表6 主要设备参数表

序号设备名称型号参数1水源热泵机组设计工况下制热量702kW2板式换热器设计工况下换热量550kW3供热循环水泵流量73m3·h-1，扬程32mH2O，功率15kW4换热循环水泵流量120m3·h-1，扬程8mH2O，功率55kW5补水定压装置补水流量1．0m3·h-1，扬程22mH2O，调节容积0．2m3

图1 某水厂水源热泵供热流程图

6 水源热泵系统改造的经济性分析

6.1 改造前后运行费用比较分析

煤炭价格波动因素无法考虑，因此按照改造前的煤炭购买价格计算，单价700元/吨，原锅炉年消耗燃煤700余吨，另有循环泵耗电费用及工人工资，共计需541 000元，具体计算见表7.

改造后三年来电费消耗情况见表8，三年来热泵系统共耗电1 122 380 kW·h，当地实行阶梯电价，平均后电价为 0.5元/ kW·h，三年电费共计为561 190元，年均187 063.33元.热泵系统自动化运行，因此其运行费用只有电费.

改造后每年节省费用541 000-187 063.33=344 936.67元.

年收益率=344936.67/1500000=23.6%[3].

实际上，即使考虑近几年煤炭价格下降，按照单价350元/吨计算，原锅炉系统年消耗费用为700*350+27000+24000=296000元，实际年收益率=(296000-187063.33)/1500000≈7.26%[5].

表7 改造前运行费用

名称数量单价费用/元备注燃煤700/t700元/t490000实际运行统计数据循环泵耗电54000/kW·h0．5元/kW·h27000功率20kW，每天运行18小时工人工资5个月4800元/月24000合计541000

表8 改造后三年来电量消耗统计

月份当月电量总消耗/KW·h2013年2014年2015年2016年小计11月54560399805634015088012月9386083520895402669201月934801071601331003337402月6646086800802002334603月347005648046200137380

6.2 与城市集中供热费用比较的经济性分析

由于该热泵系统运行期比当地城市集中供热期多一个月，为了将二者费用进行比较，将热泵运行期首月和末月电量分别只计一半，计算折算后运行费用见表9，经计算采暖季其单位面积供暖费用为16.35元/·采暖季，而该地区采暖季城市集中供热费用为23.2元/·采暖季，该热泵系统运行费用仅为集中供热费用的70.4%.

表9 按供暖期为4个月折算后的运行费用

三年总电量/kW·h总电费/元年均电费/元平米费用/元·(·季)-1978250489125163041．716．35

7 结论及建议

(1)部分作为采暖热源的燃煤锅炉，在不改动室外循环管网和室内散热器系统的情况下可以用热泵机组代替，缘由在于原设计数据偏大.本项目中，供回水温度根据水源热泵机组性能、室内散热器布置情况和室外管网规格情况，综合选定65/57℃.

(2)对部分水资源相对“丰富”的项目，如水厂等，供暖热源选用水源热泵机组是比较经济的方案.一般情况下应尽可能采用流动水体作为水源，以进一步提高节能效果和经济性.统计本项目三年的运行数据显示，该水源热泵系统的运行费用仅为当地城市集中供热费用的70.4%(在仅改造热源的情况下).

(3)对净水厂来说，选用水源热泵机组需采取防止水源污染措施.

(4)旧有采暖系统的节能改造，不需要一味的追求新技术，只要能根据项目实际情况具体分析，根据项目特点选择适宜的技术方案就能达到节能效果.

(5)对水资源丰富项目，如能将夏季供冷与冬季供热结合起来，其节能率、经济性将进一步提高.

[1]刘雪玲,朱家玲.水源热泵在冬季供暖中的应用[J].太阳能学报,2005,26(2):262-265.

[2]刘逸,李炳熙,付忠斌,等.严寒地区太阳能-土壤源热泵运行经济性分析[J].热能动力工程,2011,26(4)：471-473.

[3]吴宜珍.水源热泵在集中供应热水系统中的应用[J].中国给水排水,2006,22(24)：67-635.

[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,2008:396-635.

[5]李晓琳.地源热泵-燃气锅炉供暖系统的动态经济评价[J].建筑节能,2016,44(7)：115-117.

(编辑：刘宝江)

Energy saving reconstruction measures and effects of a waterworks

LIU Yong-qiang1,SHANG Jian-li2

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Shandong University of Technology，Zibo 255049,China; 2. Linfen Water-Supply Company, Linfen 041000,China)

The paper analyzed the reasons of high energy consumption for the original heating system of a waterworks, and according to the actual situation of the project, the scheme that coal-fired boiler system was transformed into water source heat pump system was put forward. At the same time, outdoor heating pipe network and indoor heating system was not reformed.The operation data for three years were analyzed. and the analysis shows that good energy saving effect has been achieved. The reform should be popularized.

coal-fired boiler; energy saving reconstruction; heating system; water source heat pump

2017-03-06

刘永强，男，Yongqiangliu110@163.com; 通信作者：尚坚利，男，453510098@qq.com

1672-6197(2017)06-0038-04

TU831/TU

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