水源热泵在重工行业余热采暖系统中的应用实例

薛贵生，周自强

（1.中国中元国际工程公司，北京100089；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

水源热泵在重工行业余热采暖系统中的应用实例

薛贵生1，周自强2

（1.中国中元国际工程公司，北京100089；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

通过对太原重工大型铸锻件车间工业冷却循环水系统进行分析，结合当前单级电驱动水源热泵技术及太重铸锻件车间辅助间、办公楼的采暖条件，定量分析了循环冷却水余热利用的可行性。同时对于整个冷却循环水系统进行筛选，综合比较可靠性、经济性，确定了水源热泵热源及系统经济设计参数。最后经过核算，定量分析了该项目的节能潜力。

工业循环冷却水；余热利用；水源热泵；节能环保

0 引言

随着能源价格的上涨，在国民经济生产、生活的各个环节均采用越来越多的节能措施来降低能源消耗，提高能源综合利用效率。水源热泵作为最流行的节能措施之一在民用建筑领域使用非常广泛。但是对于存在大量低品质废热的重工业领域却并未能得到大规模的应用。太原重工水源热泵项目应用水源热泵替代太原重工的燃煤采暖锅炉房，达到提高能源综合利用效率，实现节能、环保、减排的目的。

1 工业循环冷却水系统

太原重工大型铸锻件车间的工业冷却水有6大系统，分别为真空和喷淬循环冷却、浸淬单级开放式循环冷却、炼钢除盐水封闭式循环冷却、炼钢除盐水开式二级循环冷却、压机液压油循环冷却、浸淬油封闭循环冷却系统。

6大系统共计36路分支，循环冷却水总量达到14 225m3/h。根据各个回路的设计循环冷却水供回水温差计算，可得工业循环冷却水可利用废热量达到189.50MW，见表1。

表1 循环冷却水参数表

综合考虑到各系统的运行稳定性、冷却水水质等各方面因素后选择炼钢除盐水开式循环水冷却系统作为水源热泵的余热热源。该系统可利用余热热量为45.06MW。该系统初始设计流程见图1。

考虑水源热泵从除盐水热水池取水后，经热泵提取热量降温后的回水接至除盐冷水池，从系统上来说还起到了减少板式换热器及冷却塔热负荷的作用。同时由于系统的两端都是大容量水池，保证了运行工况的稳定性，最大程度上弱化了水源热泵系统于对原循环冷却水系统的干扰。

图1 炼钢除盐水开始冷却循环水系统

2 热泵及采暖系统设计参数

2.1 采暖热负荷

应用水源热泵进行采暖的建筑主工包括新建的及原有炼铸钢车间及辅房等建筑。经过实地勘察发现，原有生产厂房的围护结构综合导热系数大，加上车间内空间过于高大，兼有长期开窗自然通风的需求，导致采暖热负荷大，同时采暖效果也非常差。考虑到这些因素，应用水源热泵进行供暖的区域仅限于生产车间部分单独分割的有维护结构的区域、辅助间及办公楼较为合适。

依据采暖范围内各个建筑的使用功能及建筑围护结构的综合导热系数，核算了各个建筑的采暖热负荷[1]。经过计算，各个供暖建筑的采暖面积及热负荷见表2。

2.2 热泵设计及选型

2.2.1 余热热源温度

由于余热热源是本设计的最根本的影响因素，所以首先需要确定余热热源温度。根据设计参数，余热热源即炼钢循环冷却除盐水热水池的温度为48℃，除盐水冷水池的温度为33℃。实际经过调取现有的温度测量记录，除盐水热水池的温度在20～30℃范围内波动，并随着季节变化及生产调整而变化。为了保证余热利用效果，确定本次的余热热源温度采用20～30℃作为设计温度。

2.2.2 水源热泵驱动方式及出水温度

为了实现节能环保减排的目的，已经决定用水源热泵来代替现运行的燃煤蒸汽锅炉。所以在选择水源热泵时，排除了蒸汽及高温热水驱动的热泵，最终选择了电驱动水源热泵。热泵在制热工况下经常使用性能系数COP（Coefficient of Performance）来表征热泵的性能。COP表征的是热泵的热量输出与制热消耗能量之比。

对于电驱动水源热泵，在余热热源温度为20～30℃的条件下，现有技术所能实现的单级最高出水温度为65℃，COP也较高。如果需要更高的出水温度，压缩机必须要使用非常规的制冷剂，同时系统必须设计为串级连接。在常规的单级65℃出水后再串接一级高温型水源热泵，使得最终出水温度达到85～90℃，但COP较低。

通过分析调取历年的采暖数据，发现目前采暖系统运行最高温度仅为65℃，大多数时间维持在60℃，而且人员的舒适性也没有受到影响。但由于原有厂房采暖系统设计参数为95/70℃，如果使用常规单级电驱动水源热泵，则需要对采暖末端进行改造以适应新热源的参数。两方案对比见表3。

表3 方案对比表

通过表3可以看出虽然采用单级电驱动水源热泵一次性投资略高于双级电驱动水源热泵系统，但是由于单级电驱动水源热泵系统运行费用低于双级电驱动水源热泵系统，从长远看来，采用单级电驱动水源热泵还是具有明显的优势。

2.2.3 热泵系统设计

确定了以上参数后，考虑到负荷的调节方便以及新建采暖面积滚动发展的需要，选择SRBLG800DAM型水源热泵6台，其中一台作为备用兼做预留发展容量。单台热泵额定制热量800 kW，标准工况（进水25℃，出水65℃）下COP为3.68。余热热水侧进出水温度为25/17℃，供热热水侧进出水温度为57/65℃。

6台热泵以并联方式接入系统，为了保证余热热水的正常循环，选用2台余热热水加压泵作为动力源。对于采暖末端，选用2台末端采暖循环泵以将供热热水输送至各个采暖末端。由于余热热水侧及供热热水侧的供回水温差均为8℃，两侧的设计流量均为520m3/h，为了保证末端系统运行的可靠性，还设置了一套定压补水装置作为管网正常及事故漏损的补充。

同时考虑到远期利用热泵夏季供冷的可能性，在系统内设计了切换阀，可通过阀门切换实现供热供冷双工况。

3 节能潜力分析

3.1 计算条件

采用水源热泵供暖后，主要消耗的能源类型为电力，水源热泵COP按照3.68计算。由于采用燃煤锅炉供暖与水源热泵供暖条件下系统的动力设备电耗相当，所以在计算时没有进行动力设备能耗的对比计算。

太原的城市供暖周期为150 d，共计3 600 h。根据表2，在室外温度-12℃时总的采暖热负荷为4.153MW。供暖期内在不同的室外温度下要保证相同的室内采暖温度。不同室外温度对应的采暖热负荷可根据对应室内外温差之比按式（1）求取[3]。

式中：Tw——不同的室外温度，℃；

Tn——设计室内温度，℃；

Q1——Tw对应的采暖热负荷，MW；

年总耗热量可通过式（2）求取。

式中：Q——年总供热量，GJ；

ti——不同的室外温度持续时间，h。

根据式（1）与式（2）可计算得出总的耗热量为34 767.77GJ，见表4。

表4 年采暖热负荷计算表

3.2 节能减排量

使用燃煤锅炉供暖的情况下，每年的折合标煤耗量为1 484.79 t。使用水源热泵供暖后，每年的电耗量应为2 624 379 kW·h。考虑一、二次能源的转换效率，按2008年全国发电机组平均供电煤耗349g／（kW·h）计算，该部分电耗折合标煤915.91 t。两部分相减可得年节能量折合标煤568.88 t。

使用电驱动热泵虽然在局部区域内实现了燃煤污染物的零排放，但是考虑目前电能来源为火力发电厂，一、二次能源转换过程中仍然有污染物排放。因此仅考虑节能部分带来的污染物排放减少。按照燃煤设施装设除尘、脱硫设施计算，烟气各项指标达标排放浓度见表5[4]，[5]。

表5 燃煤锅炉烟气排放指标限值

燃煤设施采用链条锅炉，过量空气系数1.55，根据当地采暖常用煤种的元素分析数据，计算可得年均减少烟气排放总量为4 560 473 Nm3。根据烟气量和排放值计算可得年烟尘减排量为0.26 t；年SO2减排量为0.87 t；年NOx减排量为0.70 t。

4 结论

重工业领域的低品质余热潜力非常巨大。通过把水源热泵与低温余热热源相结合，使得原来消耗化石燃料的重污染生产过程被清洁高效的生产过程代替。同时由于充分利用了余热热源，使得大大提高了能源综合效率，同时降低了烟尘、二氧化硫、二氧化氮等大气污染物的排放量，实现了节能、环保、减排的目的。

［1］北京市煤气热力工程设计院有限公司.CJJ34—2010城镇供热管网设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010：5-6.

［2］深圳麦克维尔空调有限公司.GB/T 19409—2003水源热泵机组［S］.北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2003：7-8.

［3］贺平.供热工程［M］.第三版.北京：中国建筑工业出版社，2002：141-142.

［4］北京市劳动保护科学研究所.GB 13271-2001锅炉大气污染物排放标准［S］.北京：中国环境科学出版社，2001：3-4.

［5］太原市环境保护局，太原环境科学学会.太原市锅炉污染物排放标准［J］.大众标准化，2005（4）：36-37.

The Application of W ater-source Heat Pump in Residual-heat-used System of Heavy Industry

XUE Gui-sheng1，ZHOU Zi-qiang2
（1.State Grid China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China；2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the analysisof the circulated coolingwateratcasting and forging workshop of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd. aswell as the currentelectricity driven heat pump technology and the heating condition of the auxiliary rooms,the possibility of reusing residualheatof the coolingwater is analyzed quantitatively.Then the coolingwater system was sieved to determine the parameters ofheat sourceand the heating system.Finally，the energy-saving potentialof the projectwasanalyzed quantitatively.

circulated cooling water；residual heat utilization；water-source heat pump；energy-saving and environment protection

TU831.3

B

1671-0320（2014）01-0061-04

2013-09-03，

2013-11-11

薛贵生（1983-），男，甘肃白银人，2009年毕业于东南大学能源与环境学院动力工程及工程热物理专业，工程师，主要从事城市供暖系统设计;

周自强（1984-），男，江苏徐州人，2009年毕业于东南大学能源与环境学院动力工程及工程热物理专业，工程师，主要从事信息安全工作。