余熱回收—太陽能聯合熱水系統的應用
——以某工廠生活辦公綜合樓熱水系統為例

戴雙林

（上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

中國于2020 年9 月提出“中國將提高國家自主貢獻力，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”，以應對全球氣候變化[1]。針對這一包含“碳達峰”“碳中和”時間表的目標（簡稱“‘雙碳’目標”），“十四五”規劃綱要明確提出，未來5 年內，國內生產總值能源消耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%。在走向“碳達峰”的過程中，持續的“碳減排”是實現“雙碳”目標的根本途徑[1]。當前，我國能源利用仍然存在利用效率低、經濟效益差等問題。節能減排、提高能源綜合利用率，實現“雙碳”目標主要依靠能源及工業領域。我國工業領域能源消耗量約占全國能源消耗總量的70%[2]，除生產工藝亟待改進、產業結構需升級等因素外，工業余熱利用率低，能源（能量）沒有得到充分綜合利用也是造成能耗高的重要原因，很大一部分的工業能耗以余熱的形式被直接排放廢棄。因此從另一角度看，我國工業余熱資源豐富，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收率達60%[3]。企業在工業項目中，若能充分利用工業余熱，可以減少能源的使用，節約成本，減少碳排放，具有良好的經濟、社會及生態效益。2020 年我國能源消費產生的二氧化碳排放約為100 億噸，其中煤炭消耗的排放占75%[4]。該項目建設地點位于北方某市，該城市電網的主要能源為火力，在“雙碳”目標的背景下，該項目在設計建造時選擇具有可再生或可回收的能源技術措施，如太陽能熱水系統、余熱回收裝置等，不僅可節約企業的設備運營成本，具有良好的經濟效益，而且為助力“雙碳”目標以及經濟社會的綠色低碳轉型，提供切實可行的參考和示范作用。

1 項目背景

本項目建設地點位于北方某市，占地面積約200畝，主要生產和加工汽車配件，新建單體包括聯合廠房一、聯合廠房二、生活及辦公綜合樓、以及聯合站房等配套建筑物。聯合站房內建有空氣站，供應聯合廠房一、二的壓縮空氣。該項目的生活及辦公樓為一棟三層建筑，占地面積1168m2，總建筑面積為3766m2，內設有食堂及淋浴間，全廠所有職工的生活熱水基本集中在此棟建筑。因此需要設計一套供水壓力穩定且節能的熱水系統，在提供舒適熱水供應的同時，還能有效地降低運行成本，節約能耗。

聯合站房內設有三臺26Nm3/min 噴油風冷螺桿式空壓機，空壓機冷卻方式為風冷。螺桿空壓機通過電機把電能轉換為機械能帶動螺桿機對空氣進行壓縮，釋放大量的熱能，據統計，螺桿機運行期間產生的熱量之和大約相當于其輸入電動率的75%[5]。這些熱量首先通過空壓機內的潤滑油進行吸收，隨后高溫潤滑油再將這些熱量傳遞給風冷散熱器，最終將所有熱量釋放到環境中。該部分熱能若作為廢熱直接排放至大氣中，不僅對環境造成污染，更是對能源的一種極大浪費。若將空壓機在運行時所散發的廢熱能有效利用，可對企業節能減排有顯著成效。因此經過綜合考慮，對空壓機進行余熱回收的改造，在企業生產時段，該余熱回收系統與空壓機同步運行，制取熱水后存儲以供其使用。

2 余熱回收—太陽能聯合熱水系統的設計

2.1 用水量統計及計算

該廠區供水水源為城市自來水，從地塊北側市政給水管網引入一路DN200 給水管，在廠區室外形成環狀供水管網，提供全廠生活、生產用水及消防水池的補水，詳細用水量詳見表1。

表1 建筑用水量計算

全廠的生活熱水均集中在生活及辦公綜合樓內，一樓設有淋浴間，共設有淋浴器87 個，食堂的操作間主要集中在一樓，二樓為備餐及就餐區域，管理人員的辦公室設置在三樓。詳細的熱水用量詳見表2。

表2 建筑用熱水量計算

本建筑熱水是全日制集中供應，通過表2 分析可得，最高日的淋浴熱水用量占到總熱水量的74%以上，平均日的淋浴熱水用量占比更是達到了78%，且工人淋浴時間段固定，基本不與食堂的熱水用水時段重疊，因此該熱水系統計算時更接近定時集中熱水供應系統。

2.2 余熱回收—太陽能聯合熱水系統的設計

在聯合站房內有3 臺功率為160kW 的空壓機，最大負荷運行情況下，可回收的熱量約為288kW。空壓機經余熱回收改造后，高溫潤滑油將首先經過余熱回收熱水器的熱源一側，用以加熱另外一側的低溫水，低溫水吸熱之后，溫度升高，再排出余熱回收機[5]。如此往復循環，將另一側的低溫水加熱至60℃后，送至生活及辦公綜合樓屋頂的余熱回收水熱箱內儲存。根據實際情況估算，空壓機余熱回收系統在正常工況下運行兩班可制取60℃熱水量約為20t，并不滿足生活辦公樓的平均日熱水量需求，每日還需制取60℃熱水量約為25t。

目前熱水系統常用的加熱方式為太陽能加空氣源熱泵，該地區平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫38.4℃，極端最低氣溫-13.1℃。最冷月平均氣溫小于0℃，不宜采用空氣源熱泵作為輔助熱源。

太陽能集熱器總面積計算公式[6]：

其中：bj——集熱器面積補償系數取1；Jt——平均日太陽能輻照量取15900kJ/m2·d；ηj——集熱器總面積的年平均集熱效率取40%；η1——集熱器的熱損失取20%。

由于屋頂可利用面積的限制，所布置的太陽能集熱器總面積約為150m2，按照溫升45℃，根據公式計算所得，該系統的太陽能真空集熱器日均產熱水量約為4t/d，太陽能保證率僅為16%。考慮到廠區內有燃氣供應，故在一樓設置一臺燃氣熱水爐作為太陽能—余熱回收聯合熱水系統的備用熱源。該燃氣熱水爐的設計參數Q=0.47MW，其功率滿足在沒有太陽能助推的情況下，冬季冷水溫度為4℃時，連續工作2h，可制取60℃的熱水量約15t。

余熱回收—太陽能聯合熱水系統流程圖具體詳見圖1。本建筑為混凝土框架結構，結構可承載負荷較大，一至三層的建筑面積緊張，沒有多余的房間放置冷、熱水箱。故在屋頂設置冷、熱水箱間，采用水泵—水箱聯合供水方式，不僅供水壓力穩定，而且能耗較低。余熱回收熱水箱和太陽能熱水箱的出水管上都裝有電動閥，通過熱水箱內電子液位計上的遠傳信號，控制水箱出水。使用過程中，通過余熱回收熱水箱中的電子液位計進行實時監測，優先使用余熱回收熱水箱內的熱水。當低于設定液位后，關閉余熱回收熱水箱出水管上的電動閥，聯動打開太陽能熱水箱出水管上的電動閥，保證最大限度地利用余熱回收熱水。

圖1 熱水系統流程

太陽能作為補充熱源，由于太陽能保證率嚴重不足，故將太陽能集熱器作為預熱。當太陽能熱水箱中的熱水溫度不滿足使用要求時，啟動燃氣熱水爐作為輔助熱源。兩座熱水箱之間不設置聯通管，只有在余熱回收熱水箱中熱水使用完畢后，才啟動打開太陽能熱水箱的出水管上的電動閥。通過水量計算和熱水控制系統的優化，保證在淋浴時間段內集中使用余熱回收熱水，減少了余熱回收熱水箱內熱水的保溫時間，有效保障了余熱回收熱水箱中的水溫。熱水系統回水管中的熱水基本回流至太陽能熱水箱中，而太陽能熱水系統中有燃氣熱水爐作為輔助熱源，可有效地保證水溫恒定。該余熱回收—太陽能聯合熱水系統，在節能的同時，還能有效保證水溫的恒定，滿足熱水使用的舒適性。

3 經濟效益與社會效益評價

本廠房按照兩班制，一年工作時間按照251d 計，將對比分析熱水系統是否設置余熱回收裝置的天然氣耗量及碳排放量，分析結果如表3 所示。

表3 建筑用熱水量計算

兩臺余熱回收裝置每年可以節約天然氣約7×104Nm3，按照 3.5 元/Nm3價格估算，考慮廠區管道投資等，兩臺余熱回收裝置的靜態回收期約為0.8 年，經濟效益顯著。該系統每年可以減少碳排放量約42t，為助力“雙碳”目標以及經濟社會的綠色低碳轉型，提供切實可行的參考和示范。

4 余熱回收—太陽能聯合熱水系統的特點

4.1 系統壓力穩定，節能效果顯著

通過熱水量分析可得，最高日74%的熱水量為淋浴使用，23%的熱水量為食堂使用，淋浴與食堂的使用時段幾乎不重疊。淋浴熱水為定時集中熱水供應，按照工業企業生活間的淋浴器同時給水百分數為100%計算，熱水設計秒流量可高達8.7L/s。熱水水量變化大，若采用恒壓變頻供水裝置，會導致變頻水泵嚴重偏離其高效區，水泵運行效率極低，造成電能的浪費。屋頂分別設置冷、熱水箱，冷熱水系統均采用水箱—水泵聯合供水方式，冷熱水同源，供水壓力穩定，可以有效保證用水的舒適性。水泵—水箱聯合供水，水泵長期在高效段運行，能耗比恒壓變頻供水方式低。

該套余熱回收—太陽能聯合熱水系統，不將余熱回收裝置所制得的熱水用于預熱，整個余熱回收系統為全自動運行，管道系統為單管直供。余熱回收裝置的熱水出水水溫可達60℃以上，滿足使用要求，設置專門的余熱回收熱水箱，防止熱水二次加熱造成的熱能損耗，可更高效地利用工業余熱。

4.2 自動化程度高，便于管理操作

余熱回收—太陽能聯合熱水系統，設置有獨立的余熱回收熱水箱和太陽能熱水箱，熱水箱內均設置遠傳液位計，液位信號遠傳至中央控制面板，通過液位控制熱水供水管道上的電動閥，實現自動控制兩個熱水箱的交替運行。本設計中，整個熱水系統控制基本采用自動化控制，節省人力又便于操作和控制。

4.3 可改進的方向

該系統也存在一定的弊端，例如太陽能熱水箱一直處于保溫狀態，如何根據熱水箱的水溫和水位進行實時監測后，更加合理的將太陽能與余熱回收兩套裝置結合使用，以達到對余熱回收和太陽能的充分利用，尋求技術方案的最優化和經濟效益的最大化。