余熱的利用在住宅小區的應用

臧 青

能源資源問題關系我國經濟社會發展全局。為了促進可再生能源的開發利用,增加能源供應,改善能源結構,保障能源安全,保護環境,實現經濟社會的可持續發展,國務院于2006年1月1日頒布了《可再生能源法》。隨后,財政部、建設部于2006年9月25日頒布了《可再生能源建筑應用專項資金管理暫行辦法》,在專項資金支持的六項重點領域中,有四項都依靠水源熱泵技術。

現階段,我國正處于城市化的快速進程中,隨著城市人口的增長及人們生活的提升,以環保和節能為主要特征的綠色建筑及相應的空調系統應運而生,從各種循環利用的水源中提取能量,以解決建筑物供冷供熱的水源熱泵技術,將成為城市供冷供暖的理想選擇。近幾年,建筑市場發展迅猛,一大批建筑都在向“綠色”靠攏。地源熱泵技術仍然是政府熱,市場冷。

1 工程概況

本工程為山西天柱山化工廠焦化廠的職工居住小區余熱利用項目。

由于生產工藝要求,焦化廠設有冷卻塔兩臺,需600m3/h的冷卻水常年四季不間斷運行,冷卻水進塔溫度37℃～38℃,降至30℃左右返回系統。另有500m3/h左右的循環氨水,出水溫度70℃左右(冬季不低于65℃,夏季高于 75℃以上),水質呈弱堿性,含微量氨和焦油,可按照10℃溫降回收。

焦化廠循環水和循環氨水每天24 h不間斷運行,每時每刻向外排放大量余熱資源。

項目:公司擬在焦化廠近期距離廠址2 km的汾河邊投資房地產項目,主要供天柱山化工有限公司職工居住,住宅小區由住宅樓、商鋪、地下汽車庫等組成,采暖總建筑面積為 15.60萬m2。原設計為采暖熱源來自城市集中供熱管,經小區內設置的熱交換站制取40℃～50℃低溫水供各建筑物采暖系統使用。

根據天柱山住宅小區的生活所需熱水及所需熱負荷,設計方案熱源利用山西天柱山化工有限公司生產工藝循環氨水余熱資源經換熱后供給,熱水供水溫度60℃。

根據建設方提供的以上相關資料建議采用水源熱泵和余熱回收換熱器技術,回收冷卻水和氨水的預熱資源,提供建筑采暖及生活熱源所需。余熱資源的回收與利用是一項很好的節能、減排、環保措施,大力開展能源節約與資源循環利用是企業降低成本、節能減排、增強競爭力的必然選擇。熱泵是一種熱能置換裝置,輸入少量的電能將低品位置換成高品位熱能,提供采暖所需熱能。

采用熱泵型節能減排產品可獲政府補助(詳見山西省人民政府辦公廳文件晉政辦發[2008]10號文件)。故若采用水源熱泵機組加余熱回收系統既利用廢熱、環保節能、減少污染物排放及節約大量運行費用,還可有效的降低初投資。

2 總體設計思路

該項目主要以提取利用冷卻水和循環氨水的廢熱資源,加水源熱泵主機二次提熱為建筑提供集中熱源和部分生活熱水。

住宅小區的供熱需求及生活熱水由剩余循環氨水及水源熱泵機組(由冷卻水作為低溫熱源)提供。水源熱泵機房系統設計以“必須保證系統安全可靠運行、機房內設備充分考慮其互換性和備用性”為設計宗旨,以“環保節能、營造舒適環境”為主導設計思想,按照國家相關規范和要求為設計依據對該工程進行設計。

確定建筑物的熱負荷:1)循環氨水經板式換熱器換熱后為天柱山住宅小區提供所需的生活熱水負荷,供水溫度為60℃。2)剩余循環氨水經板式換熱器換熱為新建住宅提供一部分50℃熱水可滿足地暖的制熱需求。3)在機房設計中重點考慮運行的安全性、可靠性、節能性和降低運行成本,結合建筑物不同功能分區的負荷情況,考慮全年的部分負荷運行情況,通過測量機房室內側回水溫度來開啟或停止冷凍水泵,對系統進行流量調節來達到節能運行的目的?？照{機組運行臺數與樓內冷熱負荷相協調匹配?？照{主機的運行與水泵相互協調匹配,這樣達到節能運行的目的。

表1 主機相關參數

3 工程總負荷計算及主機的確定

計算該工程總的熱負荷,以建筑物總的熱負荷為基礎,作為選用熱泵主機的依據:1)生活熱水部分:循環氨水冬季按65℃設計,經板式換熱器換出60℃的熱水提供系統所需的生活熱水;板式換熱器1熱源側進出水溫為65℃/60℃,所需的循環氨水量為:1417/1.163/(65-60)=243 m3/h;本工程現有的循環氨水可滿足天柱山住宅小區設計小時耗熱量設計需求。由機房接出生活熱水外管網管道主管徑為DN100。2)采暖負荷部分:板式換熱器2熱源側進出水溫為60℃/55℃,低溫熱源側進出水溫為50℃/40℃;生活熱水暫按 200m3/h考慮;可為住宅部分提供的采暖負荷為:200×1.163×(60-55)=1163 kW。以上負荷可為天柱山住宅小區高層住宅、商業建筑、綜合樓建筑及地下車庫提供冬季所需采暖熱負荷。3)水源熱泵主機需提供的制熱負荷5109.4 kW。據建筑物的總熱負荷,選用地源熱泵空調主機,其主機的制冷量、制熱量和耗電量為適合該水源工況下的參數(見表1)。

4 可行性分析

采用水源熱泵和余熱換熱器回收技術,回收利用冷卻循環水和循環氨水廢熱資源,為民用建筑集中熱源和部分生活熱水,替代傳統的鍋爐房供熱方式,從而可大量減少一次能源消耗,減少污染物排放。水源熱泵空調技術就是利用少量電能為代價,吸收工業廢水這一低品位熱源的熱量變成高品位的熱能為末端用戶供暖,一般COP值不小于4。真正達到降低運行費用、變廢為寶零污染的效果。

此方案符合國家節能減排的原則,可獲得國家提供的專項關于節能減排項目的補助資金。

本項技術目前的水準為國際領先。這種系統為國家推廣項目,并有很多成功的推廣經驗,該系統節能降耗、高效減排,是適合城市發展的新型能源形式。

5 社會環境效益分析

1)綠色環保。目前中國的大氣環境污染主要是燃煤、燃氣,尤其是冬季采暖,多以燃氣鍋爐為主。采用水源熱泵方案,每年減少向大氣排放的大量二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)。水源熱泵空調系統,僅使用少量電能驅動便可達到冬季采暖目的,是一種新型的綠色環保的能源方式。在民用建筑及公共建筑的建設中,水源熱泵系統,不僅具有改變大氣環境的實際功效,還可作為體現“綠色環保”的形象工程。2)促進環保節能技術的發展。水源熱泵系統在國外已有十幾年的運行歷程,形成了一套比較完備的技術和經驗。該項技術目前在國內也得到了重視,很多大型的工程已經投入運行且目前運行狀況良好,通過該項目的實施,對于促進城市環保節能事業的發展,是十分必要和有益的。3)安全可靠,運行穩定。水源熱泵系統使用電能驅動熱泵,吸收工業廢水中的熱量(或排放熱量),無燃燒設備。從而不存在爆炸、燃燒等隱患。同時受天氣和溫度變化的影響很小。據專家介紹,在節電方面,水源熱泵系統能效比為4.0以上,與大型燃煤鍋爐相比一次能源利用效率提高80%以上,能源利用效率是電采暖方式的3倍～4倍,比傳統中央空調系統節省30%～60%的運行費用。水源熱泵系統沒有燃燒過程,不存在固體廢棄物、有毒有害氣體和煙塵的排放,減少了“溫室效應”。

[1]劉金萍.住宅建筑規劃與設計的節能措施[J].山西建筑,2009,35(17):224-225.