商业综合体供能系统余热回收技术经济性分析

李金彬，夏 斐，郑瑞琪

(1.青岛开源热力设计研究院有限公司，山东 青岛 266071；2.山东科技大学，山东 青岛 266590)

1 概述

能源消费结构向清洁低碳加快转变。初步核算，2019年煤炭消费量占能源消费总量比例为57.7%，比2012年降低10.8%。天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量比例为23.4%，比2012年提高8.9%。非化石能源消费量占能源消费总量比例达15.3%，比2012年提高5.6%，已提前完成到2020年非化石能源消费量比例达到15%的目标。

近年来，燃气锅炉在公共建筑供能中得到大量应用。为消除供暖期燃气锅炉烟气排放温度过高导致的白色烟羽(白烟)，行业内一般采用烟气换热器联合热泵回收余热的方式[1-5]。烟气换热器分为直接接触换热器、间接接触换热器[6-8]，小型燃气锅炉多采用系统简单、维护方便的直接接触式换热器。按照热泵机组驱动方式的不同[9-12]，热泵分为电驱动热泵、燃气机热泵、溴化锂吸收式热泵。由于公共建筑内空间紧张、消防安全要求严格，占地小、安全性更高的电驱动热泵得到公共建筑项目的青睐。本文结合工程实例，对某商业综合体供能系统余热回收的技术经济性进行分析。

2 项目概况与改造思路

① 项目概况

某商业综合体位于青岛市，总建筑面积为14×104m2，地上最高23层，地下2层，以框架结构为主，含两栋多层建筑(1、2号)，两栋高层建筑(3、4号)。供热(冷)面积为8.8×104m2，设计供暖热负荷为4 258 kW，设计冷负荷为7 300 kW，设计生活热水负荷为542 kW。供暖期为11月15日—次年4月5日，共141 d。供冷期为7月1日—9月30日，共91 d。生活热水为常年需求。建筑工作时间为7:00—17:00，除建筑工作时间外，供暖期其他时间需提供值班热负荷。

供暖热负荷、生活热水负荷由冷凝式燃气锅炉(简称燃气锅炉)提供，冷负荷由离心式冷水机组(简称冷水机组)提供。3号楼屋顶布置3台额定热功率为1.6 MW的燃气锅炉、冷却塔。3台额定制冷量为2 450 kW的冷水机组、水泵及自控系统布置在负1层。

天然气组成见表1。天然气高热值为37.04 MJ/m3，低热值为33.37 MJ/m3，价格为4.38 元/m3。燃气锅炉额定参数见表2。电价为0.68 元/(kW·h)。

表1 天然气组成

表2 燃气锅炉额定参数

② 改造思路

供暖期，虽然燃气锅炉利用热网回水降低排烟温度，但实测排烟温度仍达65 ℃，导致大量白色烟羽产生。供冷期，利用冷却塔承担冷水机组冷凝器热负荷，不仅造成热污染，这部分热能也未得到充分利用。

针对上述问题，笔者提出利用螺杆式水源热泵机组(简称热泵机组)，供暖期回收排烟余热制备生活热水、消除白色烟羽，供冷期回收冷水机组冷却水余热制备生活热水，过渡期联合空气换热器制备生活热水。

3 改造后供能系统

3.1 改造方案及设备选型

设计工况下，3台燃气锅炉排烟质量流量为8 217.53 kg/h，排烟温度为65 ℃。若烟气换热器将排烟温度降至30 ℃，根据文献[13]、[14]计算方法，可计算得到全热余热回收量为542 kW，凝结水质量流量为672 kg/h。

在燃气锅炉烟气出口设置烟气换热器，回收排烟余热。热泵机组及配套低温热水循环泵均设置在负1层。单台烟气换热器的额定换热量按181 kW选取。排烟余热回收中产生的凝结水为弱酸性，在配合加药装置进行中和后，可全部用于空调系统补水。

热泵机组额定制热量选为542 kW，额定输入电功率110.8 kW。供暖期，由排烟余热作为低温热源(烟气换热器与热泵机组的中间传热介质为低温热水)制备生活热水，由于排烟余热品位比较高，热泵机组制热性能系数取6.8。供冷期，由冷水机组冷却水作为低温热源，由于冷却水品位低于排烟余热，热泵机组制热性能系数取5.8。过渡期，燃气锅炉、冷水机组均不工作，热泵机组与空气换热器(额定换热量为542 kW)组合制备生活热水，因此热泵机组制热性能系数在全年中最低，取3.6。

分析建筑冷负荷、供暖热负荷可知，供冷期、供暖期的冷水机组冷却水余热量、排烟余热量均能满足热泵机组制备生活热水需求。

3.2 改造后供能系统流程

保留原有燃气锅炉、冷水机组、冷却塔，改造后供能系统流程见图1。图中未给出凝结水箱、加药装置、凝结水泵等装置。图中阀门编号代表空调系统供回水管或设备进出水管上的2个阀门。改造后，燃气锅炉3及阀6所在环路作为备用，以应对热泵机组故障工况与维护。

供暖期，阀10开启，由燃气锅炉制备供暖热水。阀4、6～8、11关闭，冷水机组、冷却塔、冷水循环泵、冷却水循环泵、空气换热器停用。阀5、9开启，低温热水回收排烟余热，消除白色烟羽，热泵机组利用低温热水回收的排烟余热制备生活热水。凝结水经加药处理后作为空调系统补水。

供冷期，阀6、8～10关闭，燃气锅炉1～3关闭。阀4、5、7、11开启，由冷水机组制备冷水，热泵机组利用冷水机组冷却水余热制备生活热水，冷却水富余余热由冷却塔散失至大气。

过渡期，除阀5、8外，其他阀均关闭，燃气锅炉、冷水机组停用。热泵机组联合空气换热器制备生活热水。

4 经济性分析

4.1 新增设备购置费

改造后供能系统新增主要设备额定参数、数量、单价见表3。由表3可知，新增主要设备购置费为84.3×104元。配套管子管件、阀门、仪表自控设备购置费为24.0×104元。新增设备购置费为108.3×104元。

图1 改造后供能系统流程1～3.燃气锅炉 4～11.阀门

表3 改造后供能系统新增主要设备额定参数、数量、单价

4.2 制备生活热水费用

生活热水负荷为常年负荷，设定年供应生活热水时间为365 d，每日运行10 h，生活热水平均负荷率为0.6。供能系统改造前生活热水负荷由燃气锅炉承担，可计算得到，燃气锅炉年耗气量为13.92×104m3/a，年燃气费为60.97×104元/a。

供能系统改造后，生活热水由热泵机组承担。设定热泵机组年运行时间为360 d，维护时间(选取在供暖末期燃气锅炉运行时间)为5 d。根据供暖期、供冷期、过渡期热泵机组制热性能系数、运行时间，可计算得到供暖期、供冷期、过渡期热泵机组电费分别为4.42×104、3.51×104、8.11×104元，热泵机组年电费为16.04×104元/a。供暖期燃气锅炉年燃气费为0.84×104元/a。可计算得到，改造后年制备生活热水费用为16.88×104元/a。

由于供暖期空调系统补水量有限，因此忽略回收凝结水的收益。因此，供能系统改造后年制备生活热水费用可减少44.09×104元/a。

4.3 静态差额投资回收期

由以上分析可知，改造后供能系统新增设备购置费为108.3×104元，年制备生活热水费用可减少44.09×104元/a。可计算得到，项目静态差额投资回收期为2.46 a。

5 改造效果

经实测，改造后燃气锅炉排烟温度可降至32 ℃。经过1个供暖期的观测，烟囱口白色烟羽高度小于1 m的时间达129 d，燃气锅炉烟气脱白效果显著。

6 结论

① 改造后供能系统新增设备购置费为108.3×104元，年制备生活热水费用可减少44.09×104元/a，项目静态差额投资回收期为2.46 a，经济性良好。

② 改造后，燃气锅炉烟气脱白效果显著。