节能型水源热泵机组及其应用

简阳节能办 · 发表于 2009-3-21 10:58

摘要：本文概述了水源热泵的发展与现状，对目前水源热泵机组应用所存在的问题进行了分析，提出了一种节能型水源热泵机组结构，对水源热泵在我国的应用与发展具有推动作用。
关键词：水源热泵节能双蒸发器串并联

一、概述：
日益增长的能源消耗和环境污染是困扰人类社会的两大难题，引起了世界各国的高度重视。根据国际能源热泵组织（IEA Heat Pump Centre）和欧洲热泵协会（EHPA）统计的资料表明，目前欧洲有450万台热泵用于住宅，150万台热泵用于第三产业，2.5~3万台热泵用于工业。EHPA的目标是到2010年在欧洲至少有1500万台热泵用于住宅，这相当于每年节省100TWh的能源和减少4000万吨的CO2的排放。至2002年瑞士热泵在新住宅的占有率超过1/3，日本建筑物的热泵占有率达到20%，而我国热泵的应用在1990年之后才得到了迅速发展，至1997年已安装1140万台，而且呈迅速发展的势头。
随着我国加入WTO和2008年奥运会的成功申办，我国的城市中心区域正在逐步禁止使用燃煤锅炉，与此同时，燃油锅炉的使用也正在受到一定程度的限制，这样就给热泵机组的应用提供了巨大的发展空间。热泵机组主要分为空气源热泵和水源（地源）热泵，由于空气源热泵受环境、气候的影响较大，其应用受到了很大程度限制，而地下水温度冬夏变化不大，因此以地下水做冷热源的水源热泵系统使这一问题得到了有效的解决。它以耗能少，利用可再生能源，不消耗水资源，不污染环境，符合可持续化发展的要求等诸多优势受到社会各界的广泛欢迎。
二、水源热泵的现状：
水源热泵应用的最大问题在于要结合实际情况，提供一个稳定的水源，同时要解决地下水的回灌问题以及冬季如何最大限度的利用水中所蕴藏的能量。目前此类工程的应用一般采取自然回灌，由于自然回灌只是重力做功，而取水是动力做功，要维持水系统的平衡，确保取出的水全部回灌，取水井与回灌井数比例一般采取1：2或2：3。这不仅增加投资，而且在部分负荷时回灌井利用率低。因此能否解决既要减少投资，又能节约运行费用，同时保证100%回灌问题，将直接关系到水源热泵的应用与发展。因此研究开发一种节水、高能效比的水源热泵机组有助于水源热泵的应用与推广，并且会具有很好的市场前景。
三、节能型水源热泵机组：
为了克服热泵工况增大传热温差所带来的诸多技术问题，我们在机组的结构上进行了研究与探索。其结构是机组采用两个小型蒸发器，每个蒸发器与一台或几台压缩机及冷凝器、膨胀阀等组成各自独立的制冷循环系统。两个蒸发器的进出水管之间通过阀门控制来实现两个蒸发器水系统的串联或并联。夏季制冷工况运行时两个蒸发器水管之间的阀门打开，空调末端系统的回水分两路同时进入两个蒸发器，在蒸发器的出口合流后进入空调末端，也就是说冷水并联流过两个蒸发器。系统的冷量是通过两个蒸发器实现的，每个蒸发器的进出口水温都是12/7℃（进出水温差Δt=5℃）；冬季热泵工况运行时，两个蒸发器水管之间的阀门关闭，作为热源的地下水依次流过两个蒸发器，也就是说两个蒸发器的水串联，作为热源的地下水通过两个蒸发器来实现Δt=10℃的温降。与水并联流过蒸发器相比，串联时水流过蒸发器的流通面积减小，弥补了水流量减小对流速的影响，这样流经每个蒸发器的水流量、流速与夏季工况运行时一致，对传热性能的影响较小，既达到了节约地下水的目的，又不影响换热性能。
四、工程应用实例：
以下是某单位办公楼应用本新型节能水源热泵机组作为冷热源的设计实例：
1、办公楼建筑面积：4600m2，室内末端采用嵌入式风盘，经计算需要的冷负荷Q0=460kW，需要的热负荷Qh=506kW。
2、水源条件：单井水量50~60m3/h，水温：夏季16℃，冬季15℃。
3、选用四台40HP半封活塞压缩机，每两台压缩机与一台蒸发器、一台冷凝器组成两个独立的系统。
4、设计工况：
制冷工况：蒸发器1、2水系统并联，氟系统独立，其进出水温度12/7℃，蒸发温度2℃；冷凝器1、2水系统并联，氟系统独立，其进出水温度16/26℃，冷凝温度31℃。
制热工况：蒸发器1、2水系统串联，氟系统独立，蒸发器1进出水温度15/9.5℃，蒸发温度5.5℃；蒸发器2进出水温度9.5/5℃，蒸发温度1℃;冷凝器1、2水系统并联，氟系统独立，其进出水温度40/45℃，冷凝温度50℃。
5、计算结果如下：
① 制冷工况：
系统总制冷量：Q0=466kW，
系统总功率：Pi=89.5kW
系统制冷系数：Cop=5.2
井水(水系统并联)取水量：47.2m3
② 热泵工况：
系统总制热量：Qk=511kW，
系统总功率：Pi=121.7kW
系统制热系数：Cop=4.2
井水(水系统串联)取水量：34m3
经过一个冬季和夏季的运行结果表明，在当地水源条件下两口井就可以实现机组安全可靠运行，制冷及制热效果完全满足用户的要求。减少了初投资和运行费用，收到了很好的经济效益.
五、结论：
采用此结构使蒸发器的进出水无论是在制冷时的5℃温差，还是在制热时的10℃温差，蒸发器的换热性能基本一致，也就是说蒸发器的换热面积在冬、夏两种工况下得到了充分利用。同时热泵工况运行时，水量减少20%，系统的制热量提高了10%左右，Cop提高了7%左右。
综上所述，通过改进热泵机组的结构，改变蒸发器水系统的串联与并联，既实现了节约地下水的取水量，减少取水井与回灌井的数量，又合理使用了蒸发器的换热面积，同时提高了系统的制热量及能效比。这样既减少了初投资，又降低了运行费用，具有显著的经济效益和社会效益，对水源热泵在我国的应用与发展将起到推动作用。
作者按：作者在写作过程中得到了清华大学赵荣义教授、陈雨田教授的极大帮助，并提出了很多宝贵意见，在此谨致谢意。

[ 本帖最后由 1 于 2009-3-21 21:55 编辑 ]

简阳节能办 · 发表于 2009-3-21 11:00

凝结水回收系统的发展现状和节能效益
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摘要：在介绍凝结水回收系统的回收方式和目前国内外常用的回收设备的基础上，对如何选择回收系统和设备作了详细的讨论。以实例讨论了凝结水回收系统的热经济性，表明凝结水的回收具有显著的节能效益。

关键词：凝结水回收系统热经济性回收方式

1 概述
蒸汽作为一种热能载体被广泛应用于发电、石油、化工、印染、造纸、轻纺、酿造、橡胶、陶瓷等工业领域中。蒸汽在各用汽设备中放出汽化潜热后，变为近乎同温同压下的饱和凝结水，由于蒸汽的使用压力大于大气压力，所以凝结水所具有的热量可达蒸汽全热量的20%-30%[1]，且压力、温度越高，凝结水具有的热量就越多，占蒸汽总热量的比例也就越大。可以看出，100%的回收凝结水的热量，并加以有效利用，具有很大的节能潜力。
目前，许多企业针对日益显著的凝结水回收的经济效益、社会效益，以及能源不足带来的问题，纷纷对生产中产生的凝结水重视起来，以期通过有效的余热利用，节约能源，保护环境，降低生产成本。凝结水回收利用的技改项目不断上马，但是如何有效的处理和利用凝结水，如何达到最
优化的经济效益是一个值得研究的问题。
2 凝结水回收系统特点
一般来说，凝结水回收系统可分为开式和闭式两大类［2］。
2.1 开式回收系统
开式回收系统是把凝结水回收到锅炉的给水罐中，在凝结水的回收和利用过程中，回收管路的一端是向大气敞开的，通常是凝结水的集水箱敞开于大气。当凝结水的压力较低，靠自压不能到达再利用场所时，可利用泵对凝结水进行压送。这种系统的优点是设备简单，操作方便，初始投资小；但是系统所得的经济效益差，且由于凝结水直接与大气接触，凝结水中的溶氧浓度提高，易产生设备腐蚀。这种系统适用于小型蒸汽供应系统，凝结水量较小，二次蒸汽量较少的系统。该系统被采用时，应尽量减少冒汽量，从而减少热污染和工质、能量损失。
2.2 闭式回收系统
闭式回收系统是凝结水集水箱以及所有管路都处于恒定的正压下，系统是封闭的。系统中凝结水所具有的能量大部分通过一定的回收设备直接回收到锅炉里，凝结水的回收温度仅丧失在管网降温部分，由于封闭，水质有保证，减少了回收进锅炉的水处理费用。其优点是凝结水回收的经济效益好，设备的工作寿命长，但是系统的初始投资大，操作不方便。
开式和闭式回收系统仅仅是凝结水回收系统的大体分类，具体的凝结水回收系统还要根据具体的项目情况，如凝结水的现场条件、凝结水的状态参数、回收目的等的不同而有不同的回收系统。
3 回收方式和设备的确定
对于不同的凝结水改造项目，选用何种回收方式和回收设备，是该项目能否达到投资目的至关重要的一步。首先，要正确选择凝结水回收系统，必须准确地掌握凝结水回收系统的凝结水量和凝结水的排水量。若凝结水量计算不正确，便会使凝结水管管径选的过大或过小。其次，要正确掌握凝结水的压力和温度，凝结水的压力和温度是选择凝结水回收系统的关键。回收系统采用何种方式，采用何种设备，如何布置管网，需不需要利用二次蒸汽，需不需要回收凝结水的全部热量等问题都和凝结水的压力温度有关。第三，凝结水回收系统的疏水阀的选择也是回收系统应该注意的内容。疏水阀选型不同，会影响凝结水被利用时的压力和温度，亦会影响回收系统的漏汽情况。
由于目前凝结水回收技术的不断提高和完善，凝结水回收设备的不断改进和新型高性能回收设备的不断研制，凝结水回收系统有效利用凝结水的各种资源的可能性大大提高。以往，凝结水回收系统采用的回收设备一般是疏水阀、集水箱、普通水泵等，对于回收系统中存在的问题，如汽水共存而产生的管路里的水击现象，疏水阀选型不当而产生的漏汽现象，普通水泵运行时产生的汽蚀问题，凝结水不能有效利用问题等等，随着回收设备的研制和开发逐步得到解决。如为了充分利用凝结水中的含汽问题和有效利用其能量，在管路里设置凝结水扩容箱，使凝结水闪蒸产生二次蒸汽，回收闪蒸蒸汽，从而达到能量的充分利用并解决管路里的水击问题。再如，为解决高温饱和凝结水的泵内汽蚀问题，利用喷射增压原理［3］，并在国外先进技术基础上，研制的高温饱和凝结水密闭回收装置，解决了离心泵在泵送高温饱和凝结水时产生的汽蚀问题，并解决了喷射泵喷射增压过程中本身的汽蚀问题，为闭式回收系统充分利用凝结水中的热能，最大量地回收凝结水，节约燃料和软化水，提高凝结水回收系统的经济性提供了可能。当然，还有其他一些设备，如利用“热泵”抽吸闪蒸汽技术研制的JCRS型无疏水阀的热泵式凝结水回收装置［4］，它是利用蒸汽喷射式热泵，将凝结水的闪蒸汽升压，回收利用，做到汽水同时回收，使可用蒸汽量大于锅炉的供汽量。并可使凝结水在闪蒸汽被吸走时温度降低，用防汽蚀泵打回再用，节能效果显著。还有，带自增压环加压装置的蒸汽回收压缩机，可将蒸汽及高温凝结水以高温方式直接压进锅炉，这种回收设备的回收热效率较高。
凝结水回收装置的完善使凝结水回收系统的回收效率大大提高，装置的选择不仅要考虑回收系统的具体现场情况，还要考虑实际的用汽条件如蒸汽的压力、温度，闪蒸汽的回收方式，疏水阀的型式等。
在系统选择时也并非系统的回收效率越高越好，在系统达到回收目的的同时，还要考虑系统热经济性的问题，也就是在考虑余热利用效率的同时，还要考虑初始的投入，即项目的经济技术比较，只有通过合理的经济技术比较达到投入和回收的合理比值才是工程项目的优化方案。由于闭式回收系统的效率较高，环境污染少，往往被回收项目优先考虑和采用。
4 结水回收项目的热经济性分析
对于闭式凝结水回收系统，其总的投资主要有用汽设备的疏水阀的改换或者增加；回收设备———如泵、集水箱、热交换器、扩容器、高性能的回收装置等，以及保温及管网材料、技术服务、工程
施工费用等。几项费用的累计构成全部工程投资，投资情况需要根据现场条件和项目的可行性分析来确定。而回收项目的经济效益则是从以下几个方面进行分析的：
（1）由于采用闭式回收系统，系统封闭运行，使背压提高而减少蒸汽的漏汽量，产生的效益；
（2）凝结水的回收节约软化水的价值；
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简阳节能办 · 发表于 2009-3-21 11:01

（3）凝结水回收温度的提高，使锅炉进水温度提高，而节约的燃料耗量产生的效益。
当然，还有一定的社会效益，凝结水回收可减少蒸汽和凝结水的跑、冒、滴、漏，和废水排放等产生的污染。很明显，对于凝结水回收系统的效益和投资间存在着一定的关系，如何使项目在效益与投资中达到一个较为优化的点，是凝结水回收系统要考虑的热经济问题。通常，我们采用工程技术
中常采用的投资回收年限来确定项目投入的合理性和可行性。在综合考虑了凝结水回收项目的节
能与经济问题后，一个回收系统的社会与经济效益往往是很显著的。
例如某印染厂，利用蒸汽放出的汽化潜热完成烘干、蒸煮等工艺过程的要求，蒸汽放出后，未被回收利用，直接通过疏水阀排向地沟。而经过软化处理过的锅炉给水，温度很低时进入除氧器，耗用大量高温蒸汽，增大了锅炉的产汽量，从而耗用大量的燃料，生产成本大。为了减少生产成本，节水，节能，该厂采用闭式凝结水回收方案，工染缸出来的蒸汽经疏水阀变为有一定温度和压力的凝结水，进入集水箱，在集水箱中产生的闪蒸汽进入锅炉除氧器，可加热给水；集水箱中的凝结水则通过防汽蚀泵直接打入除氧器中，回收凝结水及其热量。另设旁路，可将凝结水压入软水箱中，再进入锅炉。采用该项目后，该印染厂所得到的经济效益是巨大的。如果效益以一年为单位来计算，改造后，该厂减少的用汽设备的蒸汽泄漏量为 864t/a，如果蒸汽按70元/t 的价格计算，可为该厂带来6.1万元年的效益；因节约软化水带来的效益为5.8万元/a；由于提高锅炉进口温度，而节约燃料所带来的效益为30.2万元/a。其每年总收益为42万元/a。考虑其设备投资及各项费用总计为35万元/年，通过经济技术比较，自该项目投入使用后，投资在不到十个月的时间里得到了收回，而在采用该系统后因跑冒泄漏产生的环境污染问题得到了根治，其社会效益是无法估算的。
5 结束语
随着世界能源日益紧张，节能工作越来越重要，凝结水回收作为一种重要的节能措施将会被越来越重视。又由于蒸汽能量的广泛应用，凝结水回收技术的不断完善和凝结水回收设备的研制开发，凝结水回收的节能效益将显得更为突出。
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水粉 · 发表于 2009-3-21 11:16

有点深奥，不过对企业十分有用，学习了！

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