空壓機余熱回收經(jīng)濟性對比研究

摘要：本文通過典型案例，利用空壓機余熱回收，加熱水源用于廠房內(nèi)工人淋浴熱水的使用，與相同使用條件下太陽能系統(tǒng)和空氣源系統(tǒng)經(jīng)濟性進行對比分析，即在使用年限內(nèi)，滿足廠房使用要求，對比由初投資和運行維護費用折算成的綜合能源價格，為今后設計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空壓機;余熱回收;經(jīng)濟對比分析

中圖分類號：X706 文獻標識碼：A 文章編號：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

工業(yè)能源系統(tǒng)每年產(chǎn)生大量余熱廢熱，如能充分利用工業(yè)余熱，可以減少能量使用，節(jié)約成本，減少碳排放。本文利用廠房內(nèi)空壓機余熱回收產(chǎn)生的熱水作為工人淋浴熱水使用。本文將通過綜合能源價格，將空壓機余熱回收熱水系統(tǒng)與作為清潔能源的太陽能熱水系統(tǒng)和空氣源熱水系統(tǒng)進行經(jīng)濟性對比。

1 研究方法

對于熱源進行經(jīng)濟效益分析的目標函數(shù)很多[1]，本文采用綜合能源價格作為經(jīng)濟效益的比較標準。綜合能源價格是一個將初投資考慮在內(nèi)的全面反映經(jīng)濟分析對象相對于提供單位能量所需費用的參數(shù)，即在使用年限內(nèi)，熱水器制造單位熱量所需要的資金，包括初投資和運行維護費用。具體計算公式為：

（公式--1），

式中，M為綜合能源價格現(xiàn)值，萬元/MJ;F為使用周期內(nèi)總費用，初投資和運行維護費用/萬元;V為將安裝等費用計入的生活熱水系統(tǒng)的初投資，萬元/套;Zx為第x年運行維護費用，萬元/年;i為銀行存款年利率，%，以2012年7月6日央行公布的最新金融機構(gòu)人民幣一年期整存整取基準利率為貼現(xiàn)率，即i=1.75 %;y為熱水器有效設計使用年限，年;x為年序數(shù)，年;ET為使用期限內(nèi)的總供熱量，MJ。

2 典型案例

本文選取上海市某廠房作為本次研究的典型案例，本廠房的設計規(guī)模，使用特點具有同類型工業(yè)廠房的普遍適用性。上海的氣溫和太陽能資源相對居中，分析數(shù)據(jù)對附近城市具有一定的參考意義。本廠房采用淋浴熱水系統(tǒng)，浴室下班后開放1.5h。最高日用水量為20m3/d，最高日最大時用水量為16.72m3/h（55°C），設計小時耗熱量（不計管網(wǎng)損失）為2232MJ/h，即620kW。

不管是采用哪種熱源，使用周期內(nèi)總供熱量ET為生活熱水系統(tǒng)使用周期內(nèi)年供熱量Ey的總和，即（公式--2）。一年工作日按251天考慮。

生活熱水系統(tǒng)日供熱量Ed等于將日熱水量加熱至所需溫度的耗熱量E'd和供水管網(wǎng)損失熱量之和。配水管網(wǎng)熱損失按耗熱量的5%計。

日熱水量加熱所需熱量：（公式--3）

式中，E'd為日用熱水量加熱至所需溫度的耗熱量，MJ/d;C為水的比熱，C=4.187kJ/kg·℃;qrd為設計日用熱水量，m3/d;Tr為熱水溫度，取為55℃;TL為冷水溫度，取為10℃;ρ為熱水的密度，55 ℃時為986.68kg/m3。

經(jīng)計算，使用周期內(nèi)總供熱量約為9.8×106 MJ。

3 基本假設

（1）熱水器在使用期限內(nèi)沒有效率的衰減，每年的制熱量相同。（2）忽略通貨膨脹對銀行年利率的影響，i 取常數(shù)，為 1.75 %。（3）電價在未來的十年內(nèi)保持恒定，以2016年價格為準，電價按0.885元/kWh計算。（4）太陽能熱水器、空氣源熱泵熱水器以及空壓機余熱回收系統(tǒng)的使用年限均按10年計算。（5）室外管網(wǎng)供水壓力足夠大。

4 系統(tǒng)組成

4.1 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)設備主要由太陽能集熱板收集太陽輻射能把水加熱，本文采用全玻璃真空管集熱器。集熱水箱存儲熱水。考慮到陰天下雨等無太陽的天氣，本文采用容積式電熱水器作為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源。太陽能熱水系統(tǒng)的水動力設備主要有集熱水泵、供水泵等。其中集熱水泵的作用是強制循環(huán)太陽能集熱板和集熱水箱內(nèi)的水，令其不斷升溫，并在冬季進行防止太陽能系統(tǒng)的防凍循環(huán)，所以集熱水泵的每日運行時間約等于每天日照小時數(shù)。供水泵的作用是供給到廠房需熱水處。

4.2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要由空氣源熱水器、集熱水箱、循環(huán)水泵和供水泵。空氣源熱泵熱水器主要是利用逆卡諾循環(huán)原理，以環(huán)保冷媒為載體，低溫冷媒先吸收空氣中的熱量后汽化，再由壓縮機變成高溫高壓的氣體，經(jīng)過雙級冷凝與低溫水充分換熱以降低溫度，最后膨脹閥釋放壓力，回到低溫低壓的氣液混合狀態(tài)，如此往復循環(huán)，機組不斷從空氣中吸收熱量，制取熱水。循環(huán)水泵的功能類似集熱水泵的作用，主要用于循環(huán)空氣源熱水器和集熱水箱內(nèi)的水。供水泵作用同太陽能熱水系統(tǒng)。

4.3 空壓機余熱回收系統(tǒng)

空壓機余熱回收系統(tǒng)主要由換熱機組，循環(huán)水泵和供水泵。換熱機組的工作原理就是吸收空壓機排出的熱量，通過熱交換的方式將冷水升溫，制取熱水。循環(huán)水泵和供水泵作用同空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

5 經(jīng)濟性分析

5.1 初投資

不同系統(tǒng)的初投資主要包括系統(tǒng)內(nèi)的主要和輔助的設備投資和管道投資等。綜合對比各廠家報價，得出不同系統(tǒng)的初投資造價，參見表1。

由表1可見，初投資的費用太陽能熱水系統(tǒng)>空氣源熱泵熱水系統(tǒng)>余熱回收熱水系統(tǒng)，余熱回收系統(tǒng)的初投資費用僅為太陽能熱水系統(tǒng)的33%，占空氣源熱水系統(tǒng)的55%。主要差異在于集熱裝置的投資，余熱回收系統(tǒng)的集熱裝置最為簡單，造價最為低廉，太陽能熱水系統(tǒng)最為復雜。同時太陽能熱水系統(tǒng)需要輔助熱源，又增加了初投資費用。

5.2 運行費用

5.2.1 太陽能熱水系統(tǒng)

不同系統(tǒng)運行費用主要為輔助熱源、循環(huán)泵和供水泵的運行費用。其中太陽能熱水系統(tǒng)根據(jù)太陽能保證率，得出輔助熱源的年供熱量，折算成輔助設備的耗電量。循環(huán)泵和供水泵根據(jù)運行時間和水泵功率，估算出水泵的耗電費用，不同系統(tǒng)的運行費用可參考表2所示。

5.2.2 空氣源熱水系統(tǒng)

本文參照《建筑用標準氣象數(shù)據(jù)庫》中典型氣象年逐月月均平均晝溫，計算年平均晝溫為18.51℃。根據(jù)空氣源熱泵熱水機組廠商資料，查得所選熱泵機組在該氣溫時的小時供熱量Q'g，并根據(jù)生活熱水系統(tǒng)日供熱量Ed，計算出熱泵日運行時間，

按（公式--4）計算

根據(jù)熱泵總運行時間（運行時間大于10 h時取10 h）及熱泵輸入功率和集熱循環(huán)泵功率計算出日耗電量。根據(jù)城市電價計算出空氣源熱泵熱水機組的運行費用見表3。

5.2.3 余熱回收熱水系統(tǒng)

通過對空壓機的運行狀況調(diào)研，得知空壓機設備加載時間占運行時間的60%～95%，本文采用90%，考慮到全年中10%的能源由輔助熱源供應，電輔熱運行費用見表4。

5.2.4 運行費用對比

由上述運行費用表格可以看出，太陽能熱水系統(tǒng)的運行費用>空氣源熱泵熱水系統(tǒng)>余熱回收熱水系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)相比其他兩個系統(tǒng)需要提供的輔助熱量較少，輔助加熱措施簡單，所以運行費用最為節(jié)省。

5.3 綜合能源價格

根據(jù)上述的不同系統(tǒng)的初投資和運行費用，結(jié)合綜合能源計算公式—1，得出不同系統(tǒng)綜合能源價格，見表5。

從綜合能源價格表可以看出，太陽能熱水系統(tǒng)>空氣源熱泵熱水系統(tǒng)>余熱回收熱水系統(tǒng)。由于較低的初投資和運行費用，使得余熱回收熱水系統(tǒng)的綜合能源價格遠低于其他兩個熱水系統(tǒng)。

6 總結(jié)

通過上述經(jīng)濟性比較可知余熱回收熱水系統(tǒng)設備初投資、運行費用和綜合能源價格都遠遠低于太陽能和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。因此在有條件的廠房，應充分利用工業(yè)廢熱，建議采用余熱回收系統(tǒng)，這樣能夠節(jié)省大量能源、降低經(jīng)濟成本，也能夠達到較好的生態(tài)效益。

參考文獻

[1]于立君，郝利光.工程經(jīng)濟學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

收稿日期：2019-01-14

作者簡介：喬夢曦（1987-），女，碩士研究生，研究方向為建筑給水排水、城市雨洪控制與管理等。