熱泵技術在卷煙廠的應用與節能分析

魏佳宏

（吉林煙草工業有限責任公司，吉林 長春 130033）

熱泵技術在卷煙廠的應用與節能分析

魏佳宏

（吉林煙草工業有限責任公司，吉林 長春 130033）

通過對長春卷煙廠能源結構的分析和不同形式的熱泵技術的分析比較，采用土壤源熱泵技術，利用鍋爐余熱回收、閃蒸汽余熱回收和冬季空調進行熱平衡調節，滿足人員的舒適性要求，實現了節能目的。結合工程實例從技術性和經濟性進行了分析。說明熱泵技術在卷煙廠的應用中具有顯著的節能效果。

熱泵技術；土壤源熱泵；節能

引 言

近些年世界經濟快速增長，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，節能減排已經上升到十分重要的位置，可持續發展已經成為世界共識。在全部能源消耗中，工業生產所占比重近 70%，而實際能源利用率卻不高，節能潛力很大。在工業生產過程中,大量的低品位熱能被直接排放或散失掉。如果能加以有效回收利用，將產生巨大地能量效益。本文通過對長春卷煙廠能源結構的分析，結合長春卷煙廠的空調與采暖特點。采用土壤源熱泵技術，利用燃氣鍋爐排煙和空壓系統壓縮余熱熱，解決了土壤源熱泵的冷熱平衡問題，保證了地源熱泵的運行。滿足人員的舒適性要求，實現了節能目的。

1 工程概況

該工程位于吉林省長春市，地源熱泵總負荷面積約26000平方米。地源熱泵機組采用2臺意大利克萊門特的雙工況螺桿式地源熱泵機組，單臺制冷量1163.6KW，單臺制熱量為1218.5KW；同時設置一套功率為2047.5KW的汽水換熱系統切換使用。并采用板式換熱器回收燃氣鍋爐煙氣余熱，調節冷熱平衡。末端采用風機盤管和地板輻射采暖（局部采用散熱器）。為綜合辦公樓和工廠生產輔助用房提供夏季空調和冬季采暖或空調。

室外換熱系統共分為A、B、C三個區，A區位于綜合樓西側，B區位于廠前區廣場西側，C區位于廠前區廣場東側，三個區共有495個換熱孔，孔深100米，孔直徑200mm，孔內為雙U型換熱管。

2 熱泵技術選擇

2.1 空氣源熱泵系統

空氣源熱泵機組在我國長江中下游、西南、華南地區得到廣泛的應用，這些地區冬季室外溫度一般不低于零下5℃[1]，室內需熱量不大，夏季氣溫較高，有制冷要求。可以實現一機兩用[2]。但對于北方寒冷和嚴寒地區，系統的制熱量隨著外溫的下降而迅速下降，而需熱量隨著外溫的下降迅速上升。同時室外溫度降低，機組COP急劇下降、壓縮機的壓縮比越來越大，導致排氣溫度不斷升高，長期運行會損壞壓縮機。還有除霜的問題都限制著空氣源熱泵在北方地區的使用。

2.2 水源熱泵系統

水源熱泵利用水體的儲熱性能，夏季將建筑物的熱量轉移到水中，冬季則從水中取出熱量。可以利用自來水、地表水和深層地下水等。水源熱泵使用應該具備水源可靠、水量充足、水溫適宜和良好水質的特點。在閔行路南側進行了水源勘探測試，因取水量有限放棄水源系統的方案。

2.3 土壤源熱泵

土壤源熱泵通過與土壤進行換熱，冬季通過熱泵利用土壤中的低品位熱能，對建筑供暖，同時將冷量儲存在大地中；夏季則通過熱泵將建筑物內的熱量轉移到土壤中，對建筑供暖。通過對綜合樓西側進行了土壤系統的熱響應試驗，考慮到土壤源熱泵技術既避免了空氣源熱泵需要除霜、受環境影響大的缺點，也避免了水源熱泵水質污染、地面沉降的缺點。確定采用土壤源熱泵技術。

3 熱泵技術應用

3.1 燃氣鍋爐尾氣廢熱回收

卷煙廠生產中離不開蒸汽，一般都是通過鍋爐獲得蒸汽；我廠應用的是燃氣鍋爐，在選型上已經裝有一級節能器，煙氣溫度從200℃降到120℃以下。仍然有大量熱能可以利用。在煙道后部又加裝了二級冷凝式節能器，見流程圖一。如果冷媒充足其排煙溫度可降低到 50℃以下，煙氣余廢熱可以得到高效利用且減少污染物排放；二級節能器的最佳排煙溫度不高于57℃，考慮換熱效率方面的因素，其最佳排煙溫度在50℃以下，冷媒熱出口溫度在55℃以下。

鍋爐二級節能器的冷媒只是鍋爐補充用水的軟化水，年均用量約為23000噸，進水溫度約為15℃，鍋爐年耗燃氣約為3700000Nm3，實測天然氣低位發熱值7800 Kcal/Nm3，鍋爐的平均效效率92%，節能器熱回收率80%。

鍋爐系統出加熱補水外可提供給熱泵系統的余熱量= 32650*（1-92%）3700000*80%-23000*1000*（45-15）*4.186= 4843180000KJ。

通過利用燃氣鍋爐使用時的排煙廢熱為地源熱泵系統的室外換熱系統提供補充熱源，兩個系統形成良好的互補,可以有效的解決我國北方地區應用地源熱泵長期運行的地下冷熱量平衡的難題[3]。

3.2 蒸汽凝結水閃蒸汽余熱回收

卷煙廠生產中產生大量蒸汽凝結水，回收率約可達到50%，其中閃蒸汽約占2%，通過蒸汽凝結水回收系統的閃蒸汽余熱回收裝置。可以為熱泵系統提供一部分補充熱能，又可以為凝結水系統的穩定運行提供條件，年可提供 200000000 Kcal熱能。

經過2009、2010、2011、2012年三個冷熱周期的運行效果十分理想，負荷端冬夏溫度都得到了保障，舒適度很高。室外系統地溫，2009初期投入運行時為9.6℃，最低達到了6.6℃，經系統進行熱能補充，2010年采暖期初運行時達到了15℃，最低時 10.2℃，地溫沒有降低，完全可以保障系統安全運行，且還可以增加末端負荷，擴大供熱面積 30%。系統經效能測試，綜合能效比達到了3.8。實際運行與采用集中供熱相比，運行費用節省50%。

3.3 冬季空調

原設計方案認為生產車間冬季是不需要冷源的，只需要進行加熱。但2010年實際投入運行時發現冬季車間正常生產時溫度偏高，必須進行加冷降溫，嘗試了使用空調加新風降溫的方式，十分不理想，大量新風進來以后，溫度雖然降下來了，可是濕度無法保證。加濕器全部開啟也無法滿足加濕需求，浪費大量能源且濕度波動很大；后又對原制冷系統在循環水管道上進行了一些改進，使系統冬季可以利用室外冷卻塔制造冷水，為生產空調提供冷源，這樣做空調系統的溫濕度都得到了保證，可是還是存在冬季冷卻塔結冰、消耗水和電的問題。

冬季利用地源熱泵系統提供冷源，在用于采暖的同時，將蒸發器端產生的低溫水用于為生產車間的空調系統提供冷源，一舉兩得。系統運行時大部分時間蒸發器出口水溫低于10℃，水流量150-300噸/小時，空調冷水系統冬季所要求的水溫14℃以下、流量200噸/小時左右即可，二者恰可以互補，且系統改動不大。系統流程圖見圖二。

2011年運行效果良好，一個冬季較使用冷卻塔直接供冷節約自來水用量3000噸，節約用電80000度，并且解決了冷卻塔冬季運行結冰的難題。

3.4 空壓機熱回收

壓縮空氣系統是卷煙廠生產必不可少的，且功率都很大，總功率達500千瓦以上，并且不分冬夏，只要生產就要運行。我廠空壓系統正常運行時空壓機、冷干機、水泵總功率約計600千瓦，而位于同一站房的綜合庫和片煙庫采暖換熱機組的設計功率為1600千瓦，實際連續運行時供熱功率達到設計功率的30%-50%即可滿足供熱需求，二者具有匹配性。利用熱泵將空壓系統的余熱用于兩個庫房的冬季供熱，為優先保證空壓系統的冷卻需求，選取了供熱能力為846千瓦的熱泵機組，其輸入電功率為180Kw，滿負荷工作時可吸收熱量為666千瓦，可以保障空壓機系統的冷卻需求，又考慮熱泵系統蒸發器吸入口溫度不宜過高設置了混水調節閥及供熱負荷變化時冷卻塔輔助降溫的調節調度閥門等保障系統的可靠穩定運行。系統流程圖如圖三。

2012年10月系統進行了調試運行，于10月28日開始正式運行，雖然長春市的天氣在此時段較正式的冬季溫度要高一些，但為測試系統的能力，運行時的供熱溫度已經按照上一年度冬季常用的供熱溫度和水流量進行供應，狀態穩定時供熱端回水溫度42℃、供水溫度48℃，冷卻水進水溫度30℃、出水溫度22℃，在穩定運行時冷卻水溫度還有上升趨勢，所以開啟了輔助降溫電動閥，使冷卻水流經冷卻塔，降低2℃溫度，保證了系統的穩定，可以看出如果正式供熱，系統仍可以達到供熱需求。一個采暖期可以節約天然氣85000立方米、節水1000噸，但需耗電56000度，每年可節約運行費用187000元。

4 結論

(1)在能源日益緊張的今天，通過分析廠內能源的特點，對于大量低品位的熱能，可以利用熱泵技術。實現能源的高效利用，減少能源浪費和污染物的排放。

(2)通過合理的設計土壤源熱泵，利用燃氣鍋爐廢氣熱回收技術，調節土壤源熱泵冬夏季熱平衡。土壤源熱泵在北方寒冷地區卷煙廠具有顯著的節能潛力。對于緩解能源問題、環境問題將發揮巨大作用。

[1]柴沁虎,馬國遠.空氣源熱泵低溫適應性研究的現狀及進展[J].能源與環境,2002,(5).

[2]龍惟定.試論中國的能源結構與空調冷熱源的選擇取向[J].暖通空調,2000,(5).

[3]林玉森.燃氣鍋爐排煙余熱調節地源熱泵系統冷熱平衡的應用研究[J].中國高新技術企業,2013,(32).

TH6

A

1673-2219（2014）05-0043-03

2013－12－11

魏佳宏（1964－），男，吉林長春人，吉林煙草工業有限責任公司長春卷煙廠總工程師，研究方向為地源熱泵在煙草行業的應用。

(責任編校：何俊華)