摘要結合工程實例，通過介紹一個回收利用生產工藝熱廢水、改善工作環(huán)境的污水源熱泵應用方案，分析了利用工業(yè)冷卻水廢熱供應生活熱水和供熱的優(yōu)勢和節(jié)能潛力，并對在工業(yè)園區(qū)進一步推廣應用該熱泵技術實現節(jié)能提出建議。

　　關鍵詞企業(yè)節(jié)能污水源熱泵熱水供應工藝廢熱

　　建筑工程師論文投稿刊物：《建筑科學》是由建設部主管，中國建筑科學研究院主辦的建筑科學類國家級科技期刊。本刊是國家級優(yōu)秀科技期刊;中國科技論文統計核心期刊;中文建筑核心類期刊。已被納入國際CODEN中心;國際連續(xù)出版物數據系統。同時，已被ICONDA國際建筑文獻數據庫;中國科技期刊文摘(CSTA)英文版數據庫等數據庫收錄。

　　0引言

　　工業(yè)生產用水量最大的是冷卻用水，冷卻水冷卻工藝設備帶出大量的廢熱，這些廢熱多為低品位的熱能，并不能直接被使用。而熱泵技術僅耗損不多的逆循環(huán)凈功，就可以有效地把熱能從低品位轉化為高品位。這樣一來，不僅可以更少地用水、更少地耗費能源，還能改善和提高環(huán)境品質，提高人們的工作和生活效率。這樣的工作，需要給排水專業(yè)和熱能工程專業(yè)、建環(huán)專業(yè)緊密合作，進行協同化設計，努力完善工業(yè)水系統回收利用熱能的設計方法和技術細節(jié)。這種多專業(yè)在能源開發(fā)利用上的協同，是實現企業(yè)生產節(jié)能和建筑節(jié)能的重要手段。

　　冷卻廢水熱泵以開發(fā)利用冷卻水所含的廢熱為目標，利用熱力學原理，借助少量電能，驅動制冷機實現卡諾循環(huán)，制冷劑蒸發(fā)階段吸收冷卻企業(yè)生產工藝所產生的廢熱、余熱，然后在冷凝階段釋放出來，尤其是在冬季能夠提取低位熱能滿足用戶采暖需求，可節(jié)省單獨取暖的熱能、降低電能消耗，而且會讓室內環(huán)境更加舒適，并明顯減少或不使用局部電、燃氣取暖裝置或設備，更加安全。利用冷卻廢水熱泵實現局部區(qū)域供熱對冬季缺乏集中供暖卻長期陰冷的長江沿線地區(qū)有著很實用的價值。本文針對重慶某化工廠循環(huán)冷卻水系統，進行現場數據的采集，分析了職工浴室及工藝控制室和值班宿舍采用冷卻廢水熱泵系統供暖的優(yōu)勢及其節(jié)能潛力。

　　1冷卻廢水熱泵系統的工作過程

　　冷卻廢水熱泵使用蒸發(fā)器吸收污、廢水中的熱能，通過冷媒(制冷劑)的卡諾循環(huán)，把熱能從蒸發(fā)器處轉移至冷凝器處釋放出來。整個系統由廢熱水池、冷媒循環(huán)管道、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、熱水箱(池)以及循環(huán)泵等組成。冷媒(制冷劑)在熱泵機組內在壓縮機的驅動下不斷地進行卡諾循環(huán):即冷媒(制冷劑)首先在蒸發(fā)器處吸收冷卻水從工藝生產裝置帶出來的廢熱蒸發(fā)，然后進入壓縮機受到壓縮，變成高溫高壓的蒸汽，蒸汽在流經冷凝器時受到水的冷卻，從而在冷凝器處變?yōu)楦邷馗邏旱闹评鋭┮后w。

　　在冷凝器處，冷媒(制冷劑)將熱量傳遞給前來冷卻使制冷劑冷凝的水，因此在冷凝器處的水受熱，達到一定溫度后用于衛(wèi)生洗浴或供地暖用熱水等。后期還考慮在熱水箱再設置一個熱泵系統，吸收熱水箱中水的熱量，生產高溫熱水供有關工藝段、食堂等使用。通過這樣的一個過程，只用少量電能，就把污、廢水中的低位熱能轉化為高位熱能而使其被直接利用[1]。將冷卻廢水熱泵系統應用于回收企業(yè)工業(yè)冷卻水所攜帶的廢熱時，從理論上分析，整體效果也應該會比較好。

　　因為在制熱工況下，只要作為熱源的冷卻后廢熱水溫度不變，但流量增大時，相當于增加了蒸發(fā)器處的傳熱系數，促使熱泵機組的蒸發(fā)壓力變大，制熱量增大。當廢熱水流量穩(wěn)定不變，但水溫提高時，熱泵機組蒸發(fā)壓力也會增加，制熱量和機組COP都會相應變大。制熱量增大之后，熱水箱里的水的溫升也會變快，更能迎合熱水制取要求。因此，將穩(wěn)定的有一定流量的冷卻廢熱水作為系統的熱源，非常有利于冷卻廢水熱泵系統的運行工作，而且由于針對工業(yè)冷卻水會進行水質穩(wěn)定處理，防腐、滅菌、過濾等，水質可控，不容易出現普通污水源熱泵系統在換熱部分常見的腐蝕、結垢與堵塞問題。

　　2冷卻工藝廢熱水的潛力

　　某廠循環(huán)冷卻水系統循環(huán)水水量為1200m3/h，在生產期間從生產工藝各蒸餾段帶出余熱，進水塔前的水溫38~42℃，經冷卻塔冷卻后水溫≦32℃。循環(huán)水泵房設有水泵吸水池一座，吸水池長寬為8m×5m，池頂面標高1.5m，池底標高-1.00m。冷媒循環(huán)管路上的蒸發(fā)器置放在吸水池中，通過熱泵系統回收熱量，傳熱溫差控制在5℃以內。

　　此處根據式(1)，按照5℃溫差計算得到回收的熱量Q為7000kJ/s，相當于860kg標準煤1h的發(fā)熱量。因為從生產工藝設備帶出余熱的冷卻廢水溫度較高，后期擬增加二次換熱以制取高溫熱水，按5℃溫差進行計算是保守的，冷卻廢水的回收溫差可達到10℃，回收的熱量可達到2×7000=14000kJ/s。Q=c×m×△t(1)式中，c為水定壓比熱容，取4.2kJ/(kg·K);m為污水的質量流量，廠方提供的運行數據為1200t/h，即333.34kg/s;Δt為冷卻廢水的回收傳熱溫差，取5℃。根據以上數據，算得廠區(qū)生產工藝中央控制室和職工值班宿舍在冬季的供暖設計負荷為450kW。這部分回收的熱量，除了滿足三班倒上班職工的洗浴、衛(wèi)生用熱水外，還可以滿足廠區(qū)工藝中央控制室和職工值班宿舍在寒冷天氣時的取暖問題。

　　3常見熱水制備方式的比較

　　現通過能耗及能耗費用列表對照冷卻廢水熱泵與空氣源熱泵熱水系統、燃氣鍋爐、電熱水鍋爐、燃油鍋爐生產熱水系統之間的差異，觀察利用冷卻廢水熱泵回收企業(yè)生產廢熱的優(yōu)勢。冷卻廢水熱泵本質上是一種污水源熱泵，污水源熱泵在有溫度和流量穩(wěn)定的條件下，系統綜合平均能效比在5左右，取5，熱效率計為500%[2-4];而采用空氣源熱泵加熱水時，COP取值一般為3.5，則取熱效率為350%;根據相關數據統計[5]，天然氣鍋爐熱效率一般取90%，電熱水鍋爐熱效率一般取90%，而燃油鍋爐的熱效率較低，取70%。

　　根據生活熱水供應和熱水地暖供應要求，生活的熱水供水溫度設定為50℃[6]，當地最冷月平均自來水溫度為10℃。為方便比較，先假設生產50℃熱水1000kg，計算將1t自來水水溫平均升高40℃，所需的熱量為:Q=1000×4.2×1000×40=1.68×105kJ。每噸熱水耗能源量M為M=QQ0×η×m(2)每噸熱水耗能費用N為N=n×M(3)式中，Q0為某種被使用能源的燃燒值;η為系統的熱效率;m為自來水質量;n為某種被使用能源的單價。

　　在相同條件下，生產1000kg的50℃熱水，冷卻廢水熱泵系統所耗費用最小(6.54元)，燃油鍋爐系統耗費最高(46.35元)，而在企業(yè)常見的直接用電加熱水的費用僅次于燃油鍋爐系統�？諝庠礋岜孟到y所耗費用明顯高于冷卻廢水熱泵系統，而燃氣鍋爐耗費則比冷卻廢水熱泵系統高出近一倍;用電加熱水和使用燃油鍋爐加熱水的費用則明顯高于污水源和空氣源熱泵系統�？諝庠礋岜玫哪茉蠢�用率較其他供熱方式相對高一點，但其制熱效率很容易受到環(huán)境空氣溫度、濕度和風速的影響，蒸發(fā)器換熱管(片)在低溫高濕情況下容易結霜而導致機組制熱效率和效果急劇下降[7]。

　　相比之下，冷卻廢水熱泵熱水系統的熱源側憑借污水溫度和流量的穩(wěn)定，COP數值將會維持在一個較高的水平，節(jié)能效果在系統持續(xù)運行時，將會更加穩(wěn)定突出。企業(yè)生產需要三班倒連續(xù)運轉，生活和洗浴熱水的供應時間為365天。冷卻廢水熱泵熱水供應系統投入運行后，平均每天生產熱水25m3，在相同的運行時間下，冷卻廢水熱泵的年運行費用明顯少于空氣源熱泵，相當于燃氣鍋爐年運行費用的一半，約只有電熱水鍋爐的1/5~1/6。

　　另外，從一次性投資看，這幾種加熱水的方式費用相當，但由于系統年運行費用的差異，冷卻廢水熱泵較其他形式的加熱水方式更節(jié)省費用，投資回收期更短且更有利于節(jié)能。使用污水源熱泵系統常見的雜物堵塞、沉淀、腐蝕問題，由于工業(yè)冷卻水僅受到熱污染，在循環(huán)冷卻廢水熱泵系統中基本不存在，因而在冷卻循環(huán)水余熱回收上推廣應用污水源熱泵技術不存在技術和管理上的阻礙。

　　4結論與分析

　　(1)冷卻廢水熱泵熱水系統與空氣源熱泵熱水系統、天然氣鍋爐系統、電鍋爐加熱、燃油鍋爐系統加熱水的方式相比，首先費用節(jié)省明顯:在相同運行時間內，冷卻廢水熱泵熱水系統的耗能費用比燃氣鍋爐系統節(jié)省一半。其次，由于系統熱水產量較大，在非寒冷季節(jié)冷卻廢水熱泵熱水系統還可供應工業(yè)園區(qū)集中浴室和食堂熱水;回收冷卻循環(huán)水的廢熱較其他方式相比，經濟效益和環(huán)保效益顯著。

　　(2)石油化工類企業(yè)冷卻廢水溫度較高，水量較大且穩(wěn)定，水質較好易控制，決定了推廣應用冷卻廢水熱泵技術的良好基礎。這種條件下的水源熱泵系統COP值高，在工業(yè)園區(qū)有廣闊的前景，可集中生產熱水供應園區(qū)生產、生活所需，甚至外供，不僅能明顯改善工作和生活環(huán)境的舒適程度，也能達到節(jié)能減排、提高經濟效益的目的。

　　(3)節(jié)能環(huán)保是一項需要整體協調的綜合性工作，不能因為某種技術節(jié)能效果明顯，就只關注其開發(fā)和應用。在采用污水源熱泵回收利用水的余熱、廢熱時，根據不同的電價區(qū)間輔以燃氣冷熱電三聯供系統并聯的三聯供模式，有可能效果最好。不同專業(yè)能源系統間的協調、合作在一個大企業(yè)內部或工業(yè)園區(qū)有益于整體節(jié)能，根據各地的能源供應價格，協調冷熱電三聯供甚至更多類型的能源聯供，可得到很好的節(jié)能效益，若在整個工業(yè)園區(qū)根據各個生產企業(yè)的實際情況，擴大裝機容量，優(yōu)化系統調度，會更節(jié)能。

　　(4)在水系較發(fā)達或水余熱、廢熱較多的工業(yè)園區(qū)，在設計上宜采用靠近供熱(能)集中區(qū)域的分布式水源熱泵系統，在建設上視當地情況靈活采用能源合同管理、BT、BOT、TOT、TBT和PPP等多種建設模式，能夠在整體上取得更好的節(jié)能綜合效益。

　　參考文獻

　　[1]伍培，付祥釗，林真國，等.重慶地區(qū)污水源熱泵系統的可行性分析與方案設想[J].給水排水，2007(5):174-181.

　　[2]吳榮華，孫德興.污水及地表水熱泵技術與系統[M].北京:科學出版社，2015.

　　[3]劉馨，尹澤開，梁傳志，等.寒冷地區(qū)某綠色建筑污水源熱泵供暖季實際應用效果研究[J].建筑科學，2018，34(8):10-17.