太阳能与冷凝水耦合采暖系统经济性分析

殷士海，陈小元，肖松

(1.鲁南贝特制药有限公司，临沂 276000; 2.临沂大学机械与车辆工程学院，临沂 276000)

0 引 言

在工业企业(例如，医药、食品、化工及化肥等)生产中，蒸汽所占动力的比重很高。作为重要热源，蒸汽做功后会转化为高温冷凝水，其可回收利用的热量约占蒸汽总热量的15%～20%[1]。因此，合理利用该部分热量，成为减少能源消耗，实现低碳生产的重要途径。

现阶段，冷凝水利用效率仅为20%左右，如果将其利用率提升到80%，每年可较少3 000多万t标煤消耗，节约工业用水30多亿立方米[2-3]。根据计算，锅炉给水温度每提高6 ℃，可降低能源消耗1%[4]。总之，冷凝水余热回收利用关系到企业的节能减排及绿色低碳生产[5]。

鲁南制药集团厚普中药车间生产过程中会产生大量冷凝水，现阶段冷凝水全部排放，造成厂区的热污染及能源的浪费。冬季，集团需要通过燃气锅炉额外提供蒸汽进行采暖。为降低冬季采暖成本及减少锅炉燃料费用，拟将太阳集热系统加以改造用于冬季公寓、办公楼、经警楼及幼儿园的供暖，且冷凝水已回收到热动力中心，可以作为辅助热源予以补充。从而实现企业低碳生产及采暖。

1 太阳能与冷凝水耦合采暖系统

鲁南制药仓储区太阳能项目于2016年建设，该系统太阳能集热器面积大约10 000 m2，设计为24 h 120 t水加热到≥65 ℃。此外，鲁南厚普中药车间生产过程中每小时产生13 t/h的高温冷凝水(温度≥90 ℃)。根据采暖热负荷，我们通过将太阳能与冷凝水二个系统耦合，实现企业冬季采暖低碳化。该耦合系统设计分为可分为二个时间段：非采暖季与采暖季。对于非采暖季，利用该系统加热10 t/h软化水，提高进入除氧器软化水温度，从而减少除氧消耗蒸汽量，达到提高锅炉效率，减少燃气消耗，系统示意图如图1所示。

图1 夏季太阳能加热系统提供锅炉进水温度示意图

由图1可知，夏季太阳能热水系统主要用于提高锅炉给水温度，从而减少燃料消耗。此时，阀门2、11关闭，阀门1、12开启。50 ℃的软化水进入循环水箱通过循环水泵1输送到太阳能加热系统加热后通过阀门1进入除氧器除氧。同时，阀门5开启，阀门4关闭，冷凝水直接回到除氧器加以利用。

对于采暖季，利用该系统与冷凝水余热回收系统耦合通过换热器对采暖二级管网循环水进行加热，达到利用太阳能与余热不需要供热公司或企业自身锅炉采暖的目的，系统示意图如图2所示。

当A点供水温度低于设定温度5 ℃的时间大于1小时，此时阀门3、5关闭，阀门4、7开启，二网采暖循环水经过换热器A加热后进入换热器B继续加热，然后供给各个采暖建筑，放热后的二网循环水通过循环水泵2的加压，经过阀门10进入换热器A进行加热，完成二网的一次循环。冷凝水通过换热器B后通过阀门7回到除氧器加以利用，如图2所示。

图2 太阳能热水系统耦合冷凝水回收系统采暖示意图

此外，采暖初期及即将结束期，由于外界环境温度并没有降到极冷状态(属于初冷阶段)，此时尽量只使用太阳能加热系统对采暖二级管网循环水进行加热，在保证舒适度的情况下，而冷凝水将不经过耦合系统换热器全部回到除氧器，系统示意图如图3所示。

由图3可知，首先，开启阀门2、3、5、9、10、11，而阀门4、6、7、8关闭。监测A点供水温度，如果该点温度满足设计要求，则保持上述阀门状态。此时，系统将完全由太阳能热水系统提供采暖所需全部热量，即循环水箱中的循环水通过循环水泵1输送到太阳能加热系统进行加热，加热后通过阀门2进入换热器A加热采暖二网循环水，然后通过阀门11回到循环水箱，完成一次循环。二网循环水通过换热器A加热后经过阀门9、3供给各个采暖建筑，放热后的二网循环水通过循环水泵2的加压，经过阀门10进入换热器A进行加热，完成二网的一次循环。冷凝水通过阀门5直接回到锅炉除氧器加以利用。

图3 完全利用太阳能热水系统采暖示意图

2 太阳能与冷凝水耦合采暖系统理论计算

(1)采暖循环水量Q(t/h)

=132 t/h

式中，S为采暖面积m2；q为热负荷w/m2；Δt为温差℃。

(2)采暖需要热量E(kJ/h)

E=27 919×55×3 600÷1 000=5.5×106kJ/h

(3)折成天然气量V1(m3/h)

(4)采暖季消耗燃料量V(m3)

V=V1×24×120=4.92×105m3

(5)采暖季消耗燃料价值CS(万元)

CS=V×4.8=236.2万元

(6)太阳能加热系统与冷凝水余热耦合系统采暖提供热量E1(kJ/h)

E1=15 000×10×4.2+30×103×

(100-60)×4.2=5.63×106kJ/h

(7)提高回水温度年节约的燃气量

V=330×103×(100-50)×300÷

9 000÷85%=647 059 m3/y

(8)节约燃气价值

C1=V×4.8=647 059×4.8=310.6万元/y

(9)减少软化水费用

C2=330×300×4.5=44.6万元/y

(10)年节约总价值

CL=C1+C2=310.6+44.6=355.2万元/y

根据上述计算可以清楚发现太阳能加热系统与冷凝水余热耦合系统采暖提供热量E1大于采暖需要热量E。因此，必须采用太阳能热水系统与冷凝水回收系统耦合方式进行冬季供暖，以保证采暖效果的连续性。而夏季，太阳能热水系统可以对锅炉上水进行预热，可以将现阶段50 ℃左右的进水温度提高15 ℃，从而提高锅炉热效率2%～3%左右。

3 太阳能与冷凝水耦合采暖系统环境效益分析

天然气燃烧主要的污染物为二氧化碳及氮氧化物。通过余热回收，可以减少天然气的使用量，从而达到二氧化碳及氮氧化物的减排，具有很好的环境效益。根据统计，天然气燃烧产生的二氧化碳及氮氧化物指标分别为55.9 kg/109J及3.5 kg/109J。

每年减少二氧化碳排放量

Q1=(5.5×109×24×120+0.945×109×

8×120)÷85%×55.9÷109=1 101 t/y

每年减少氮氧化物排放量

Q2=(5.5×109×24×120+0.945×109×

8×120)÷85%×3.5÷109=68.9 t/y

4 太阳能与冷凝水耦合采暖系统经济性分析

太阳能与冷凝水耦合采暖系统投资(M)505.7万，主要由太阳能热水系统、冷凝水回收系统、蒸汽补充系统、管网及智能控制系统等组成。因此，整个系统改造的投资回收期(T)为：

T=M÷(CS+CL)=505.7万元÷

(236.2+355.2)万元=0.86年=10.2个月

5 结束语

通过对鲁南集团原有太阳能加热系统恢复及与冷凝水回收系统耦合，可满足集团冬季采暖需求(节省采暖费用236.2万元)，每年可减少能源使用费用591.4万元。整个系统投资505.7万元，投资成本10.2个月全部回收小于国家规定的3年时间；此外，由于燃气量消耗减少可以减少二氧化碳排放约1 101 t，氮氧化物68.9 t，实现集团生产过程的节能减排及冬季的绿色采暖。因此，该项目的实施可以给企业带来巨大的经济效益和社会效益。