冷却水热泵系统回收利用废热浅析

　　摘要结合工程实例，通过介绍一个回收利用生产工艺热废水、改善工作环境的污水源热泵应用方案，分析了利用工业冷却水废热供应生活热水和供热的优势和节能潜力，并对在工业园区进一步推广应用该热泵技术实现节能提出建议。

　　关键词企业节能污水源热泵热水供应工艺废热

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　　0引言

　　工业生产用水量最大的是冷却用水，冷却水冷却工艺设备带出大量的废热，这些废热多为低品位的热能，并不能直接被使用。而热泵技术仅耗损不多的逆循环净功，就可以有效地把热能从低品位转化为高品位。这样一来，不仅可以更少地用水、更少地耗费能源，还能改善和提高环境品质，提高人们的工作和生活效率。这样的工作，需要给排水专业和热能工程专业、建环专业紧密合作，进行协同化设计，努力完善工业水系统回收利用热能的设计方法和技术细节。这种多专业在能源开发利用上的协同，是实现企业生产节能和建筑节能的重要手段。

　　冷却废水热泵以开发利用冷却水所含的废热为目标，利用热力学原理，借助少量电能，驱动制冷机实现卡诺循环，制冷剂蒸发阶段吸收冷却企业生产工艺所产生的废热、余热，然后在冷凝阶段释放出来，尤其是在冬季能够提取低位热能满足用户采暖需求，可节省单独取暖的热能、降低电能消耗，而且会让室内环境更加舒适，并明显减少或不使用局部电、燃气取暖装置或设备，更加安全。利用冷却废水热泵实现局部区域供热对冬季缺乏集中供暖却长期阴冷的长江沿线地区有着很实用的价值。本文针对重庆某化工厂循环冷却水系统，进行现场数据的采集，分析了职工浴室及工艺控制室和值班宿舍采用冷却废水热泵系统供暖的优势及其节能潜力。

　　1冷却废水热泵系统的工作过程

　　冷却废水热泵使用蒸发器吸收污、废水中的热能，通过冷媒(制冷剂)的卡诺循环，把热能从蒸发器处转移至冷凝器处释放出来。整个系统由废热水池、冷媒循环管道、蒸发器、冷凝器、压缩机、热水箱(池)以及循环泵等组成。冷媒(制冷剂)在热泵机组内在压缩机的驱动下不断地进行卡诺循环:即冷媒(制冷剂)首先在蒸发器处吸收冷却水从工艺生产装置带出来的废热蒸发，然后进入压缩机受到压缩，变成高温高压的蒸汽，蒸汽在流经冷凝器时受到水的冷却，从而在冷凝器处变为高温高压的制冷剂液体。

　　在冷凝器处，冷媒(制冷剂)将热量传递给前来冷却使制冷剂冷凝的水，因此在冷凝器处的水受热，达到一定温度后用于卫生洗浴或供地暖用热水等。后期还考虑在热水箱再设置一个热泵系统，吸收热水箱中水的热量，生产高温热水供有关工艺段、食堂等使用。通过这样的一个过程，只用少量电能，就把污、废水中的低位热能转化为高位热能而使其被直接利用[1]。将冷却废水热泵系统应用于回收企业工业冷却水所携带的废热时，从理论上分析，整体效果也应该会比较好。

　　因为在制热工况下，只要作为热源的冷却后废热水温度不变，但流量增大时，相当于增加了蒸发器处的传热系数，促使热泵机组的蒸发压力变大，制热量增大。当废热水流量稳定不变，但水温提高时，热泵机组蒸发压力也会增加，制热量和机组COP都会相应变大。制热量增大之后，热水箱里的水的温升也会变快，更能迎合热水制取要求。因此，将稳定的有一定流量的冷却废热水作为系统的热源，非常有利于冷却废水热泵系统的运行工作，而且由于针对工业冷却水会进行水质稳定处理，防腐、灭菌、过滤等，水质可控，不容易出现普通污水源热泵系统在换热部分常见的腐蚀、结垢与堵塞问题。

　　2冷却工艺废热水的潜力

　　某厂循环冷却水系统循环水水量为1200m3/h，在生产期间从生产工艺各蒸馏段带出余热，进水塔前的水温38~42℃，经冷却塔冷却后水温≦32℃。循环水泵房设有水泵吸水池一座，吸水池长宽为8m×5m，池顶面标高1.5m，池底标高-1.00m。冷媒循环管路上的蒸发器置放在吸水池中，通过热泵系统回收热量，传热温差控制在5℃以内。

　　此处根据式(1)，按照5℃温差计算得到回收的热量Q为7000kJ/s，相当于860kg标准煤1h的发热量。因为从生产工艺设备带出余热的冷却废水温度较高，后期拟增加二次换热以制取高温热水，按5℃温差进行计算是保守的，冷却废水的回收温差可达到10℃，回收的热量可达到2×7000=14000kJ/s。Q=c×m×△t(1)式中，c为水定压比热容，取4.2kJ/(kg·K);m为污水的质量流量，厂方提供的运行数据为1200t/h，即333.34kg/s;Δt为冷却废水的回收传热温差，取5℃。根据以上数据，算得厂区生产工艺中央控制室和职工值班宿舍在冬季的供暖设计负荷为450kW。这部分回收的热量，除了满足三班倒上班职工的洗浴、卫生用热水外，还可以满足厂区工艺中央控制室和职工值班宿舍在寒冷天气时的取暖问题。

　　3常见热水制备方式的比较

　　现通过能耗及能耗费用列表对照冷却废水热泵与空气源热泵热水系统、燃气锅炉、电热水锅炉、燃油锅炉生产热水系统之间的差异，观察利用冷却废水热泵回收企业生产废热的优势。冷却废水热泵本质上是一种污水源热泵，污水源热泵在有温度和流量稳定的条件下，系统综合平均能效比在5左右，取5，热效率计为500%[2-4];而采用空气源热泵加热水时，COP取值一般为3.5，则取热效率为350%;根据相关数据统计[5]，天然气锅炉热效率一般取90%，电热水锅炉热效率一般取90%，而燃油锅炉的热效率较低，取70%。

　　根据生活热水供应和热水地暖供应要求，生活的热水供水温度设定为50℃[6]，当地最冷月平均自来水温度为10℃。为方便比较，先假设生产50℃热水1000kg，计算将1t自来水水温平均升高40℃，所需的热量为:Q=1000×4.2×1000×40=1.68×105kJ。每吨热水耗能源量M为M=QQ0×η×m(2)每吨热水耗能费用N为N=n×M(3)式中，Q0为某种被使用能源的燃烧值;η为系统的热效率;m为自来水质量;n为某种被使用能源的单价。

　　在相同条件下，生产1000kg的50℃热水，冷却废水热泵系统所耗费用最小(6.54元)，燃油锅炉系统耗费最高(46.35元)，而在企业常见的直接用电加热水的费用仅次于燃油锅炉系统。空气源热泵系统所耗费用明显高于冷却废水热泵系统，而燃气锅炉耗费则比冷却废水热泵系统高出近一倍;用电加热水和使用燃油锅炉加热水的费用则明显高于污水源和空气源热泵系统。空气源热泵的能源利用率较其他供热方式相对高一点，但其制热效率很容易受到环境空气温度、湿度和风速的影响，蒸发器换热管(片)在低温高湿情况下容易结霜而导致机组制热效率和效果急剧下降[7]。

　　相比之下，冷却废水热泵热水系统的热源侧凭借污水温度和流量的稳定，COP数值将会维持在一个较高的水平，节能效果在系统持续运行时，将会更加稳定突出。企业生产需要三班倒连续运转，生活和洗浴热水的供应时间为365天。冷却废水热泵热水供应系统投入运行后，平均每天生产热水25m3，在相同的运行时间下，冷却废水热泵的年运行费用明显少于空气源热泵，相当于燃气锅炉年运行费用的一半，约只有电热水锅炉的1/5~1/6。

　　另外，从一次性投资看，这几种加热水的方式费用相当，但由于系统年运行费用的差异，冷却废水热泵较其他形式的加热水方式更节省费用，投资回收期更短且更有利于节能。使用污水源热泵系统常见的杂物堵塞、沉淀、腐蚀问题，由于工业冷却水仅受到热污染，在循环冷却废水热泵系统中基本不存在，因而在冷却循环水余热回收上推广应用污水源热泵技术不存在技术和管理上的阻碍。

　　4结论与分析

　　(1)冷却废水热泵热水系统与空气源热泵热水系统、天然气锅炉系统、电锅炉加热、燃油锅炉系统加热水的方式相比，首先费用节省明显:在相同运行时间内，冷却废水热泵热水系统的耗能费用比燃气锅炉系统节省一半。其次，由于系统热水产量较大，在非寒冷季节冷却废水热泵热水系统还可供应工业园区集中浴室和食堂热水;回收冷却循环水的废热较其他方式相比，经济效益和环保效益显著。

　　(2)石油化工类企业冷却废水温度较高，水量较大且稳定，水质较好易控制，决定了推广应用冷却废水热泵技术的良好基础。这种条件下的水源热泵系统COP值高，在工业园区有广阔的前景，可集中生产热水供应园区生产、生活所需，甚至外供，不仅能明显改善工作和生活环境的舒适程度，也能达到节能减排、提高经济效益的目的。

　　(3)节能环保是一项需要整体协调的综合性工作，不能因为某种技术节能效果明显，就只关注其开发和应用。在采用污水源热泵回收利用水的余热、废热时，根据不同的电价区间辅以燃气冷热电三联供系统并联的三联供模式，有可能效果最好。不同专业能源系统间的协调、合作在一个大企业内部或工业园区有益于整体节能，根据各地的能源供应价格，协调冷热电三联供甚至更多类型的能源联供，可得到很好的节能效益，若在整个工业园区根据各个生产企业的实际情况，扩大装机容量，优化系统调度，会更节能。

　　(4)在水系较发达或水余热、废热较多的工业园区，在设计上宜采用靠近供热(能)集中区域的分布式水源热泵系统，在建设上视当地情况灵活采用能源合同管理、BT、BOT、TOT、TBT和PPP等多种建设模式，能够在整体上取得更好的节能综合效益。

　　参考文献

　　[1]伍培，付祥钊，林真国，等.重庆地区污水源热泵系统的可行性分析与方案设想[J].给水排水，2007(5):174-181.

　　[2]吴荣华，孙德兴.污水及地表水热泵技术与系统[M].北京:科学出版社，2015.

　　[3]刘馨，尹泽开，梁传志，等.寒冷地区某绿色建筑污水源热泵供暖季实际应用效果研究[J].建筑科学，2018，34(8):10-17.