佛山市某化工厂污水源热泵的节能分析

吴艺博

中铁建设集团有限公司

0 引言

污水源热泵技术，主要是以城市生活及工业污水作为提取和储存能量的冷热源，借助热泵机组系统内部制冷剂的物态循环变化，消耗少量的电能，从而达到制冷制暖效果的一种创新技术。与其他热源相比，污水源热泵的技术关键和难点在于防堵塞、防污染与防腐蚀。但对于节能环保来说，污水源热泵由于采暖没有燃烧过程，避免了排烟污染，且有效利用了污水作为能量来源，节能减排效益明显，不产生任何废渣，废水，废气和烟尘。

本文中，佛山市某化工厂污水排放量大，主要来源于化学原料加工废水，是一种巨大的低温余热源，是水-水源热泵的理想低温热源。本文以污水源热泵系统在佛山市某化工厂空调系统中的应用为例[1]，着重对应用污水源热泵与传统水冷机组系统进行经济性与环保性分析比较，以期为广东佛山东莞等地众多化工厂类似的工程项目，提供参考。

1 项目概况

该项目一共由 6 层大楼组成，建筑面积为 177355 m2，其中地上5 层需要冬季供暖，夏季制冷，面积为42574 m2，通过计算得冷负荷 4106 kW，热负荷2844 kW。工厂性质为化工厂，每日污水排量较大，且水量稳定，为污水源热泵的使用提供了稳定的流量基础，但由于排水特征为间歇性排放，为了保证污水源热泵系统的稳定可靠使用，需设置蓄水池以保证系统稳定运行。经测量，污水全年日平均温度在12.2～31.7℃ 之间变化。最高为 8 月份，平均温度30.8 ℃。最低为2 月份，平均温度为14.1 ℃。污水浊度及游离氯含量偏高，需对污水进行适当处理，本项目采用反渗透技术，将高浓度含氯废水的进行脱盐处理后，作为污水源热泵的冷热源。

2 污水源热泵系统设计

2.1 污水源热泵换热器设计

在本项目中，由于此化工厂排出的污水中含有大量油性污物，对于普通的换热器，换热管内温度高的情况下，污水流经换热管时会产生挂膜现象，从而导致管壁粘结黏泥，不仅增大了换热热阻，而且影响了污水流速，影响换热效果。因此在本项目中，采用管壳式换热器。

污水换热器的主要换热热阻集中在污水侧，由于换热管内高温产生的挂膜现象不能忽略，因此，查文献可知，当换热管管壁污泥为 0.5 mm 厚时，换热效率将下降35%左右。为提高换热系数，本项目在换热管中加入搅拌棒，通过不停的震动搅拌使得污水流动处于紊流状态，从而减少换热管管壁的结垢，提高换热效率。

2.2 污水源热泵系统设计

本项目拟采用经反渗透脱盐处理后的污水源热泵作为6 层楼的冬夏两季辅助冷热源，污水源热泵设计流量为50 m3/h，采用直接换热方式。

机组冬季设计要求，用户端提供 45/40 ℃的热水，夏季设计要求，用户端提供 7/12 ℃的冷水。在过渡季节，通过管路中阀门的开闭来控制制冷剂流路的冷热切换，热泵机组为生活热水进行预热。热泵用单向阀开闭进行工况转换，原理如图1 所示。

根据本项目工程设计要求，夏季供冷运行时间为150 天，每天运行 24 小时，冬季供热运行时间为90天，每天运行 24 小时，过渡季节生活热水预热时间为120 天，每天运行 10 小时。

通过相关负荷计算可知，机组夏季制冷量274.8 kW，冬季制热量 468.5 kW，再根据上述参数参照热泵厂家提供的主机参数选型可知，机组夏季压缩机输入功率为73.79 kW。冬季压缩机输入功率119.5 kW。

图1 污水源热泵系统图

3 经济性、节能减排性分析

3.1 初投资成本对比

由于本化工厂污水源热泵项目地点位于佛山，本文选取佛山地区常用的空调冷热源方案冷水机组+燃气锅炉系统与污水源热泵系统进行对比。

对常规冷水机组+燃气锅炉系统进行计算选型，冷水机组和污水源热泵夏季工况设定为一样，制冷量274.8 kW，压缩机输入功率73.79 kW。燃气锅炉冬季制热量468.5 kW，锅炉效率η取90%。

根据厂家选型目录以及报价，常规冷水机组+燃气锅炉系统与污水源热泵系统初投资如表1：

表1 两种方案初投资对比

由表1 可以看出，污水源热泵系统总的初投资为31.2 万元，而采用传统的冷水机组+燃气锅炉系统总的初投资为29.4 万元，污水源热泵初投资成本相对传统冷水机组+燃气锅炉仅高出1.8 万元，而污水可以得到更有效的利用，环保价值远远高于经济价值。

3.2 运行成本比较

本项目所在地为广东省佛山市，电力价格按佛山市当地的商业用电计算，按 1.2 元/kWh 选取。天然气价格按正常的工业用气来计算，当前佛山市工业用天然气价格为3.79 元/m3。污水源热泵机组按全年满负荷工况运行计算。

本文计算时，冷水机组和污水源热泵夏季工况设定为一样，制冷量 274.8 kW，压缩机输入功率73.79 kW。燃气锅炉冬季制热量468.5 kW，锅炉效率η取90%。

在水费方面，由于此项目所在化工厂本身用水量较大，常规冷水机组+燃气锅炉方式夏季冷却塔的补水量相对来说微乎其微，且水费相对主机运行费用而言也较小，为简化计算，本文运行成本对比中忽略水费计算。经计算，两种方案各自的运行费用结果具体如表2。

表2 两种方案运行成本比较

从计算结果可知，与常规制冷机组+燃气锅炉系统相比，污水源热泵系统在电费上每年可以节省 30%左右的运行费用，但是由于污水源热泵的特殊性以及采用的反渗透脱盐处理，无水源热泵系统在年维护管理费用、年投资费用分别比常规制冷机组+燃气锅炉系统多花费10%和6.7%。但是总体成本上，污水源热泵年运行费比25.4 万元，15 个月时间就可以省下全部的污水源热泵初投资。

3.3 节能性评价

3.3.1 制冷一次能源利用率

制冷一次能源利用率是单位制冷量所消耗的一次能源量，用PER R表示，单位为 kW/kW，则热泵空调系统制冷工况的一次能源利用率为[2-3]：

式中：COPR为制冷性能系数；Df为一次能源发电效率，在本项目计算时，取 33%；Ds为电网输送损耗效率，在本项目计算时，取 5%；fR为制冷辅助设备耗能系数，在本项目计算时，取 10%。

3.3.2 制热一次能源利用率

制热一次能源利用率是指单位制热量所消耗的一次能源量，用PERHP表示，单位为kW/kW，则热泵空调系统制热工况的一次能源利用率[2，3]为：

式中：COPHP为供热性能系数；Df为一次能源发电效率，在本项目计算时，跟制冷一样取33%；Ds为电网输送损耗效率，在本项目计算时，跟制冷一样取 5%；fHP为制热辅助设备耗能系数，在本项目计算时，跟制冷一样取，取 10%。

对于锅炉系统而言，一次能源利用率[2]公式：

式中：η为燃气锅炉的热效率，在本项目中，综合厂家给出的参数，取 90%；f为其他辅助设备的能耗，在本项目中，综合厂家给出的参数，以总能耗的 5%计。

3.3.3 全年一次能源利用率

冷热源系统全年制冷量为QR'，制热量为QHP'，则系统的全年一次能源利用率为[2-3]：

3.3.4 计算结果

污水流量为50 m3/h，计算结果见表3：

表3 污水源热泵系统与常规系统的一次能源利用率与一次能耗

由计算结果可知：

1）在本项目中，污水源热泵系统全年一次能源利用率为 1.084，常规制冷机组+燃气锅炉系统仅为0.921，污水源热泵全年一次能源利用率比常规系统高0.163。

2）通过计算可知，污水源热泵系统全年一次能耗量为2365285 kWh，常规制冷机组+燃气锅炉系统一次能耗量为2783197 kWh，相比于常规制冷机组+燃气锅炉系统，污水源热泵系统全年一次能源消耗节省量417912 kWh，相当于节省38673m3天然气。污水源热泵系统与常规系统相比节能效果显著。

通过对该化工厂的生产运营情况调研可知，该化工厂夏季为旺季，因此用电高峰主要集中在 5-10 月份，而对于整个佛山地区来说，由于 5-10 月份气温较高，用电量也增大，采用污水源热泵系统不仅可以为化工厂节省耗电量，还可以缓解佛山地区当地电网用电高峰的压力，减少用电高峰时限电对其他工厂或企业影响。

4 结论

本文以佛山市某化工厂污水源热泵应用为例，从经济性与环保性角度，分析佛山东莞等地此类工程采用污水源热泵的可行性。结果表明：

1）与常规冷水机组+燃气锅炉系统相比，采用污水源热泵后，年投资费用、年维护管理费用分别增加10%和 6.7%，但是年运行费用节省 30%左右，节省了25.4 万元，仅用 15 个月的时间，就可以收回整个污水源热泵系统的全部初投资成本。

2）与常规冷水机组+燃气锅炉系统相比，采用污水源热泵后，不仅可以减少能耗，还能有效地利用污水中蕴藏的低位热能，污水源热泵系统全年一次能源利用率为 1.084，常规制冷机组+燃气锅炉系统仅为0.921，污水源热泵全年一次能源利用率比常规系统高0.163。

3）通过对该化工厂的生产运营情况调研，采用污水源热泵系统不仅可以为化工厂节省耗电量，还可以缓解佛山地区当地电网用电高峰的压力，减少用电高峰时限电对其他工厂或企业影响。

综上所述，对于化工厂类冷热源工程，采用污水源热泵代替常规冷水机组+燃气锅炉系统，具有明显的经济效益及环保优势，符合国家的节能环保政策。在佛山东莞等化工厂企业众多的地方，值得大力推广。