空压机余热回收经济性对比研究

摘要：本文通过典型案例，利用空压机余热回收，加热水源用于厂房内工人淋浴热水的使用，与相同使用条件下太阳能系统和空气源系统经济性进行对比分析，即在使用年限内，满足厂房使用要求，对比由初投资和运行维护费用折算成的综合能源价格，为今后设计提供参考依据。

关键词：空压机;余热回收;经济对比分析

中图分类号：X706 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）04-0-02

Abstract：In this paper，through the typical case，the use of air compressor waste heat recovery to heat water for workers shower hot water.Compared with the economic conditions of solar energy system and air source system under the same conditions of use，the comprehensive energy price converted from initial investment and operation and maintenance cost is compared with the requirement of plant use in the service life，which will provide reference for future design.

Keywords：Air compressor;Waste heat recovery;Economy comparative analysis

工业能源系统每年产生大量余热废热，如能充分利用工业余热，可以减少能量使用，节约成本，减少碳排放。本文利用厂房内空压机余热回收产生的热水作为工人淋浴热水使用。本文将通过综合能源价格，将空压机余热回收热水系统与作为清洁能源的太阳能热水系统和空气源热水系统进行经济性对比。

1 研究方法

对于热源进行经济效益分析的目标函数很多[1]，本文采用综合能源价格作为经济效益的比较标准。综合能源价格是一个将初投资考虑在内的全面反映经济分析对象相对于提供单位能量所需费用的参数，即在使用年限内，热水器制造单位热量所需要的资金，包括初投资和运行维护费用。具体计算公式为：

（公式--1），

式中，M为综合能源价格现值，万元/MJ;F为使用周期内总费用，初投资和运行维护费用/万元;V为将安装等费用计入的生活热水系统的初投资，万元/套;Zx为第x年运行维护费用，万元/年;i为银行存款年利率，%，以2012年7月6日央行公布的最新金融机构人民币一年期整存整取基准利率为贴现率，即i=1.75 %;y为热水器有效设计使用年限，年;x为年序数，年;ET为使用期限内的总供热量，MJ。

2 典型案例

本文选取上海市某厂房作为本次研究的典型案例，本厂房的设计规模，使用特点具有同类型工业厂房的普遍适用性。上海的气温和太阳能资源相对居中，分析数据对附近城市具有一定的参考意义。本厂房采用淋浴热水系统，浴室下班后开放1.5h。最高日用水量为20m3/d，最高日最大时用水量为16.72m3/h（55°C），设计小时耗热量（不计管网损失）为2232MJ/h，即620kW。

不管是采用哪种热源，使用周期内总供热量ET为生活热水系统使用周期内年供热量Ey的总和，即（公式--2）。一年工作日按251天考虑。

生活热水系统日供热量Ed等于将日热水量加热至所需温度的耗热量E'd和供水管网损失热量之和。配水管网热损失按耗热量的5%计。

日热水量加热所需热量：（公式--3）

式中，E'd为日用热水量加热至所需温度的耗热量，MJ/d;C为水的比热，C=4.187kJ/kg·℃;qrd为设计日用热水量，m3/d;Tr为热水温度，取为55℃;TL为冷水温度，取为10℃;ρ为热水的密度，55 ℃时为986.68kg/m3。

经计算，使用周期内总供热量约为9.8×106 MJ。

3 基本假设

（1）热水器在使用期限内没有效率的衰减，每年的制热量相同。（2）忽略通货膨胀对银行年利率的影响，i 取常数，为 1.75 %。（3）电价在未来的十年内保持恒定，以2016年价格为准，电价按0.885元/kWh计算。（4）太阳能热水器、空气源热泵热水器以及空压机余热回收系统的使用年限均按10年计算。（5）室外管网供水压力足够大。

4 系统组成

4.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统设备主要由太阳能集热板收集太阳辐射能把水加热，本文采用全玻璃真空管集热器。集热水箱存储热水。考虑到阴天下雨等无太阳的天气，本文采用容積式电热水器作为太阳能系统的辅助热源。太阳能热水系统的水动力设备主要有集热水泵、供水泵等。其中集热水泵的作用是强制循环太阳能集热板和集热水箱内的水，令其不断升温，并在冬季进行防止太阳能系统的防冻循环，所以集热水泵的每日运行时间约等于每天日照小时数。供水泵的作用是供给到厂房需热水处。

4.2 空气源热泵热水系统

空气源热泵热水系统主要由空气源热水器、集热水箱、循环水泵和供水泵。空气源热泵热水器主要是利用逆卡诺循环原理，以环保冷媒为载体，低温冷媒先吸收空气中的热量后汽化，再由压缩机变成高温高压的气体，经过双级冷凝与低温水充分换热以降低温度，最后膨胀阀释放压力，回到低温低压的气液混合状态，如此往复循环，机组不断从空气中吸收热量，制取热水。循环水泵的功能类似集热水泵的作用，主要用于循环空气源热水器和集热水箱内的水。供水泵作用同太阳能热水系统。

4.3 空压机余热回收系统

空压机余热回收系统主要由换热机组，循环水泵和供水泵。换热机组的工作原理就是吸收空压机排出的热量，通过热交换的方式将冷水升温，制取热水。循环水泵和供水泵作用同空气源热泵热水系统。

5 经济性分析

5.1 初投资

不同系统的初投资主要包括系统内的主要和辅助的设备投资和管道投资等。综合对比各厂家报价，得出不同系统的初投资造价，参见表1。

由表1可见，初投资的费用太阳能热水系统>空气源热泵热水系统>余热回收热水系统，余热回收系统的初投资费用仅为太阳能热水系统的33%，占空气源热水系统的55%。主要差异在于集热装置的投资，余热回收系统的集热装置最为简单，造价最为低廉，太阳能热水系统最为复杂。同时太阳能热水系统需要辅助热源，又增加了初投资费用。

5.2 运行费用

5.2.1 太阳能热水系统

不同系统运行费用主要为辅助热源、循环泵和供水泵的运行费用。其中太阳能热水系统根据太阳能保证率，得出辅助热源的年供热量，折算成辅助设备的耗电量。循环泵和供水泵根据运行时间和水泵功率，估算出水泵的耗电费用，不同系统的运行费用可参考表2所示。

5.2.2 空气源热水系统

本文参照《建筑用标准气象数据库》中典型气象年逐月月均平均昼温，计算年平均昼温为18.51℃。根据空气源热泵热水机组厂商资料，查得所选热泵机组在该气温时的小时供热量Q'g，并根据生活热水系统日供热量Ed，计算出热泵日运行时间，

按（公式--4）计算

根据热泵总运行时间（运行时间大于10 h时取10 h）及热泵输入功率和集热循环泵功率计算出日耗电量。根据城市电价计算出空气源热泵热水机组的运行费用见表3。

5.2.3 余热回收热水系统

通过对空压机的运行状况调研，得知空压机设备加载时间占运行时间的60%～95%，本文采用90%，考虑到全年中10%的能源由辅助热源供应，电辅热运行费用见表4。

5.2.4 运行费用对比

由上述运行费用表格可以看出，太阳能热水系统的运行费用>空气源热泵热水系统>余热回收热水系统。余热回收系统相比其他两个系统需要提供的辅助热量较少，辅助加热措施简单，所以运行费用最为节省。

5.3 综合能源价格

根据上述的不同系统的初投资和运行费用，结合综合能源计算公式—1，得出不同系统综合能源价格，见表5。

从综合能源价格表可以看出，太阳能热水系统>空气源热泵热水系统>余热回收热水系统。由于较低的初投资和运行费用，使得余热回收热水系统的综合能源价格远低于其他两个热水系统。

6 总结

通过上述经济性比较可知余热回收热水系统设备初投资、运行费用和綜合能源价格都远远低于太阳能和空气源热泵热水系统。因此在有条件的厂房，应充分利用工业废热，建议采用余热回收系统，这样能够节省大量能源、降低经济成本，也能够达到较好的生态效益。

参考文献

[1]于立君，郝利光.工程经济学[M].北京：机械工业出版社，2010.

收稿日期：2019-01-14

作者简介：乔梦曦（1987-），女，硕士研究生，研究方向为建筑给水排水、城市雨洪控制与管理等。