高温水源热泵在工业废水中的应用

摘要：针对目前传统方式供暖的现状，介绍了一种全新的工业余热水、高温水源热泵的供暖方案。在比较了各种常规的供暖模式的经济及环保效益的同时，为低温地热水、地热尾水及其它各种温度在30～60℃之间的中低品位余热水资源提供了一种高效、合理的利用途径。用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，应用于我国北方城市的冬季供暖是热电联产供暖方式的必要、有力的补充。有关部门应给予重视及大力推广。

关键词：高温水源热泵；供暖；工业余热水；节能；环保

一、我国能源现状、环境及高温水源热泵供暖

解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗25-30%；我国的能源消耗因能源利用方式不同、利用效率水平低及节能建筑推广慢等因素，建筑耗能的比例则更高。随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。

我国的能源结构主要依*矿物燃料，并且是以煤炭为主，燃煤所造成的大气污染是严重的。1998年我国大气排放中CO2为6～7亿吨（其中85％是由燃煤排放形成），SO2的排放为1593万吨（其中90％是由燃煤排放形成），排放的工业烟尘为1175万吨（其中73％是由燃煤排放形成），其中CO2为温室效应的元凶，SO2、NOX等有害气体和大气中的总悬浮颗粒物是大气环境污染的主要成因，1999年中国环境状况公报中统计了338座城市中的137座城市超过了国家空气质量二级标准，占统计城市的40.5%。环境污染问题已成为我国可持续发展的重要制约因素。根据国家环保局计算，中国环境问题所造成的经济损失占国家生产总值的10％左右。环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变，现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了热电联产集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。随着可持续发展和人们环保意识的提高，环保和节能已成为建筑能耗的首要问题。从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径。

我国能源紧缺，一次能源及各种余热资源利用水平较低，特别是对于30℃～60℃温度段上的余热资源的能量利用水平和效率更低。为实现可持续发展目标，国家制定了“十五能源发展战略规划”：要求调整能源结构，减少燃煤造成的污染，大力发展新能源可再生能源的利用技术，其中提到要开发这种中低品位余热资源利用的热泵技术，以充分利用余热资源及有效地保护环境。

北京市科委立项，清华大学热能系和北京清源世纪科技有限公司共同研制开发出的QYHP系列的高温水源热泵机组，采用了高温环保工质HTR01,解决了以往热泵传统工质高温工况下工作压力过高的技术瓶颈，保证了设备在高温工况下运行的安全可*。 QYHP系列高温水源热泵可将各类30-60℃的余热水直接利用，经热泵机组进行能量提升将温度升到70-90℃，适用于各种供暖方式，解决了高寒地区的余热热泵供暖以及用高温水源热泵取代燃煤锅炉仍可利用暖气片热水式热力循环系统的采暖改造问题。被利用后的余热水排水温度最低可低于10℃，符合环保的要求。制热工况COP可达到3.5以上，也就是说，花费一份代价，可以得到3.5倍以上的热量。

用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，没有燃烧过程，不排放废水、废气、废物，利用的是各种余热资源属于可再生能源，符合可持续发展及环保的要求，与传统的各种矿物燃料锅炉及电锅炉相比，节能及环境效益十分明显，更具有良好的经济运行性（见表一）。高温水源热泵在办公楼、宾馆、医院、饭店、别墅、住宅小区等建筑的采暖和空调的实际工程项目中正日益得到广泛的应用，同时随着节能、环保意识的提高及工作的展开，高温水源热泵也正在逐步应用于工业余热水的回收利用，回收后的能量用于冬季供暖或生产工艺，并逐渐应用于石油、化工、冶金、纺织、食品等各行业。

用高温水源热泵机组对各类中低品位的余热资源进行余热回收，应用于我国北方城市的冬季供暖，是热电联产供暖方式的必要、有力的补充。有关部门及业内人士理应给予高度重视，同时国家亦应制定相应的政策大力推广。

河南郑州某厂，其铸造车间因工艺需要对工业炉进行炉体冷却，产生大量的40-45℃的工业炉冷却循环水，其水质情况为杂质较多，但腐蚀性低。采用高温水源热泵对该冷却水进行余热回收，制取75℃高温热水对末端为散热器片的8000㎡办公楼实行冬季供暖。 三、负荷计算

1、设计所需相关规范：

采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87

建筑通风设计防火规范GBJ16-83

室内空调舒适温度GB5701-83

办公建筑设计规范JG67-89

2、采暖室外计算参数

冬季室内设计温度t=18--22℃

4、负荷计算 取面积热指标： q = 60 W/㎡ 供暖总建筑面积： F = 8000㎡ 冬季总热负荷： Q = q × F = 60×8000=480 kW

四、工艺方案

40-45℃工业余热水经简单处理（除砂，杂质过滤，加药或用电子水处理仪防结垢）后，应用板式换热器进行热交换，输出37-42℃二次热水（软水）进高温水源热泵机组进行能量提升，高温水源热泵机组输出75℃的热水供8000㎡办公楼冬季采暖。工业余热水水温降为33-38℃，可使生产工艺中的炉体冷却效果更好。

室内散热器片的面积应比传统的95℃供水70℃回水的单管垂直串联方式的供暖系统增加40%。 设备选型：（设备选型应为480kw×1.1＝528kw）拟选用两台北京清源世纪科技有限公司生产的QYHP-300H型的高温水源热泵机组，

两台机组制热量共为624KW，一次水水量为84t/h，二次水量为66t/h，需工业余热水量为76－80t/h，电源额定功率为190KW。这样选型的好处是：

在大约80%的供暖时间仅需开启一台机组（311kw，38.88w/㎡）就可满足系统负荷的需求，在较冷的季节可同时开启两台设备以满足负荷需求，

既减少了机组的开启次数又节约了运行费用，同时在一台设备出现故障进行维修的时候可启用另外一台热泵机组，系统尚有较强的供热能力。 机组除冬季供暖外，尚有320KW的制冷能力，可约为4000㎡普通建筑物实施夏季供冷。 机组可利用各种余热水全年提供生活热水。除采暖季外，在适当加设热水箱的前提下，可为约1000人提供生活热水的需求（每人每天生活热水按160升考虑）。

提供生活热水的费用约为同样输出功率的电锅炉的13.3%，燃气锅炉的33.2%，燃油锅炉的18.7%，经济效率十分可观（经济性分析详见表二）。 两台高温水源热泵机组的额定电机输入功率为：190KW。 五、流程示意图图见附图

75℃

60℃

37-42℃

40-45℃

33-38℃

六、经济性分析 （一）、各种供暖方式就一次性投资及运行成本的经济性比较分析 高温水源热泵除具有环保的特点外，更具有明显的节能优势，下面将利用各种余热资源采用高温水源热泵的供暖方式同现行的各种供暖方式（市政热力、燃煤锅炉房供热、燃油锅炉房供热、燃气锅炉房供热、分户燃气供热），就一次性投资、运行成本依据基础数据（结合类似工程的造价情况及有关设备、材料、施工定额价格估算而得）等作分析比较如下表： 表一：各种供暖方式就一次性投资及运行成本的经济性比较分析表

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