董文一 白 莉 褚 毅

(1:吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118; 2:吉林省建苑設(shè)計集團有限公司,長春 130011)

0 引言

集中供熱是我國主要的供熱方式,與傳統(tǒng)供熱方式相比,集中供熱系統(tǒng)能有效地降低能源消耗和二氧化碳排放，但集中供熱熱負(fù)荷是隨季節(jié)性室外氣溫變化而波動的.根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50736-2012)》規(guī)定:“供暖室外計算溫度值,應(yīng)采歷年平均不保證5天的日平均溫度”[1],以及實際運行過程中可能出現(xiàn)供熱能力不滿足采暖熱負(fù)荷的要求.經(jīng)綜合分析認(rèn)為，不應(yīng)按最大熱負(fù)荷選擇供熱機組,而是將最大熱負(fù)荷乘以一個小于1.0的系數(shù)作為選擇機組的依據(jù),從而使供熱機組的最大負(fù)荷利用小時數(shù)增加[2].對于室外溫度較低時熱負(fù)荷不足部分,則采用其他方式補充高峰負(fù)荷,這就是所謂的調(diào)峰[3].面對集中供熱的熱負(fù)荷隨熱用戶需求差異的能源浪費、熱負(fù)荷高峰期主熱源供熱能力的不足等問題,提出了一種倡導(dǎo)能源梯級利用的有效解決措施，即在二級換熱站設(shè)置調(diào)峰系統(tǒng)，它在整個供熱系統(tǒng)中起到了輔助的作用,是集中供熱外網(wǎng)供熱能力的延續(xù)和補充.常規(guī)的調(diào)峰方式是設(shè)置燃煤鍋爐調(diào)峰系統(tǒng)和燃?xì)庹{(diào)峰系統(tǒng).由于區(qū)域鍋爐調(diào)峰存在初期投資大、熱能浪費和能耗高等一系列問題,本文提出利用熱泵機組對二次網(wǎng)換熱站采用局部調(diào)峰的技術(shù)手段進行節(jié)能改造,并通過對實際工程項目測試研究,確定二次網(wǎng)熱泵調(diào)峰系統(tǒng)的可行性.

1 二次網(wǎng)熱泵局部調(diào)峰的理論分析

二次網(wǎng)熱泵局部調(diào)峰系統(tǒng)就是利用熱泵對一次管網(wǎng)回水的能源梯級利用,為熱用戶二次管網(wǎng)供熱,達(dá)到提高傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)輸送能力、增加供熱面積的作用.與傳統(tǒng)的區(qū)域鍋爐調(diào)峰相比,它利用電驅(qū)動,無需6h～12h的啟動時間,相應(yīng)快、起停靈活,不消耗煤,對環(huán)保無污染.

本文提出的利用熱泵機組對二次網(wǎng)進行局部調(diào)峰,其實質(zhì)上就是通過在二級換熱站內(nèi)原有模式增加一臺熱泵機組和板式換熱器,對一次網(wǎng)供回水溫差進行分解,達(dá)到對能源的梯級利用.該技術(shù)核心是利用新增板式換熱器和熱泵調(diào)峰系統(tǒng)作為提溫設(shè)備,蒸發(fā)側(cè)提取一次網(wǎng)回水中的能量,冷凝側(cè)利用提取的能量為二次網(wǎng)回水提溫.由此,提升末端用戶的供熱品質(zhì).

根據(jù)傳熱方程，冷熱流體間傳遞的熱量等于傳熱系數(shù)、傳熱面積與傳熱溫差的乘積,得到以下公式:

Q=KFΔt

(1)

式中,Q為通過熱交換器的傳熱量,W;K為換熱器的傳熱系數(shù),W/(m2·℃);F為傳熱面積,m2;Δt為散熱器內(nèi)加熱流體與被加熱流體之間的平均溫差, ℃.

換熱器內(nèi)換熱流體之間的計算溫差按對數(shù)平均溫差計算:

(2)

式中,Δt為散熱器內(nèi)加熱流體與被加熱流體之間的平均溫差,℃;Δtd,Δtx分別為換熱器進出口熱媒的最大、最小溫差,℃.

當(dāng)Δtd/Δtx≤2時,換熱器內(nèi)換熱流體的計算溫差可按算術(shù)平均溫差計算,其誤差<4%,有:

Δt=(Δtd+Δtx)/2

(3)

流體從溫度t1的地方流至t2處的導(dǎo)熱量公式:

Q=Mc(t1-t2)

(4)

式中,c為水的比熱容,J/(kg·K);M為流體的質(zhì)量流量,kg/s.

2 應(yīng)用實例

2.1 原二級換熱站概況

長春某站換熱站供暖面積約10.3×104m2,二次網(wǎng)循環(huán)量280m3/h.采用大唐二熱電一次網(wǎng)熱源為二次網(wǎng)熱用戶供熱.根據(jù)2015年10月～11月和2016年3月～4月的實際運行參數(shù),二次網(wǎng)供回水溫差穩(wěn)定在5 ℃左右,最高供回水溫度37/32℃,一次網(wǎng)在62/32℃左右基本能夠滿足站內(nèi)運行.2015年12月至2016年2月二次網(wǎng)供回水溫差穩(wěn)定在10℃左右,最高供回水溫度46/36℃,一次網(wǎng)供回水溫度在85/38℃左右,基本能夠滿足站內(nèi)運行.

2.2 改造說明

對長春某站換熱站進行調(diào)峰改造[4](見圖1，圖2).增加一套熱泵調(diào)峰系統(tǒng),將2015年12月至2016年2月二次網(wǎng)10℃供回水溫差進行分解.確定運行參數(shù)如下:板式換熱器35/40℃;熱泵40/45℃.

2.3 運行過程及實測數(shù)據(jù)

改造后熱泵調(diào)峰系統(tǒng)高溫側(cè)與二次網(wǎng)供水串聯(lián)使用,在寒冷期運行時,負(fù)責(zé)將二次網(wǎng)回水溫度提升5℃,熱泵調(diào)峰系統(tǒng)高溫側(cè)進出水溫度:35/40℃,原板式換熱器二次網(wǎng)側(cè)換熱溫差將降至5℃,板式換熱器二次側(cè)供回水溫度為:40/45℃,在二次網(wǎng)側(cè)流量280m3/h不變情況下,原板式換熱器二次側(cè)換熱量由3 255kW降至1 627kW,與原設(shè)計3 255kW相比減少1 627kW,節(jié)約了供熱支出.原板式換熱器一次網(wǎng)供水流量59.5t/h降至40t/h,改造前后的一次網(wǎng)供水流量約下降32.7%,節(jié)省了運行費用.在2015年12月至2016年2月期間,隨機選取6d(每2d間隔1個月)的數(shù)據(jù),對比改造前后一次網(wǎng)流量、溫差,見圖3，圖4.

圖1 改造前流程Fig.1 Running process before the improvement

圖2 改造后流程Fig.2 Running process after the improvement

圖3 改造前后一次網(wǎng)流量對比Fig.3 Comparison of primary network flow before and after reconstruction

圖4 改造前后溫差對比Fig.4 Comparison of temperature difference before and after reconstruction

由圖3可見,改造前后,一次網(wǎng)流量最大減少58m3/h,最小減少38m3/h;由圖4可見,改造前后,一次網(wǎng)溫差的變化,溫度提升了12℃～21℃.經(jīng)理論測算和實際試測得知,若全部采用該調(diào)峰方式約可降低一次網(wǎng)供水流量32.7%,在維持供水流量相同的情況下,一次網(wǎng)總供熱能力約可提高32.7%.

3 二次換熱站熱泵調(diào)峰的經(jīng)濟性分析

3.1 增收取暖費

采用這種方式每個二級換熱站可減少一次網(wǎng)高溫水流量32.7%以上.按長春某區(qū)一次網(wǎng)供熱面積1 200×104m2計算,可增加392.4×104m2的供熱面積,若按新增負(fù)荷計算,每平米并網(wǎng)費收入50元/m2,可一次性增收19 600萬元,每年可新增采暖收入10 594.8萬元.

3.2 節(jié)省初投資

根據(jù)長春市某站的2015年12月至2016年2月的實測,按90d、每天運行12h計,調(diào)峰電耗:(316kW+37kW)×12h×90d=381 240kW·h/(10.3×104m2)=3.8kW·h/m2;按90d、每天運行24h計,調(diào)峰電耗:(316kW+37kW)×24h×90d=762 480kW·h/(10.3×104m2)=7.6kW·h/m2;調(diào)峰運行成本:現(xiàn)行采暖居民電價:0.54元/kW·h和蓄熱電價:(峰值0.54元/kW·h+谷值0.32元/kW·h)/2=0.43元/kW·h計,運行成本:1.63元/m2.

表1 不同調(diào)峰方式運行成本對比

由表1可知,與燃煤鍋爐調(diào)峰相比,總運行成本每平米節(jié)省3.37元;與燃?xì)忮仩t調(diào)峰相比,總運行成本節(jié)省了更多,每平米節(jié)省了10.37元.若以1 200×104m2的供熱面積計算,熱泵調(diào)峰系統(tǒng)總運行成本比燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t調(diào)峰分別節(jié)省了4 044萬元和12 444萬元.

3.3 節(jié)能性

根據(jù)最新執(zhí)行的《鍋爐大批污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[5],在用鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)中二氧化硫400mg/m3～550mg/m3,氮氧化物400mg/m3,粉塵80mg/m3.隨著2018年電力超凈化排放標(biāo)準(zhǔn)的施行,供熱行業(yè)環(huán)保壓力也將逐年加大.采用這種調(diào)峰方式,可最大減少148MW的燃煤鍋爐的負(fù)荷,相當(dāng)于減少200t煤的燃燒,從而減少排放SO2約2t,煙塵4 000kg,廢氣200×104m3.采用熱泵調(diào)峰系統(tǒng)，解決了以下問題：

一是解決了企業(yè)在逐漸嚴(yán)格的煙氣標(biāo)準(zhǔn)下重復(fù)性環(huán)保投資問題.

二是從地面延期污染物貢獻比例分析,某區(qū)若能提前達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn),對于協(xié)助長春市緩解煤煙型大氣污染問題有重要的意義.

三是由于某區(qū)內(nèi)部固定污染源的減少,所導(dǎo)致的本區(qū)域地面煙氣濃度的降低,對于提高居民的幸福指數(shù)有促進作用.

4 結(jié)語

二級換熱站熱泵調(diào)峰技術(shù)可降低一次網(wǎng)供水溫度,提高一次網(wǎng)供熱能力,同時節(jié)省初投資,降低了運行費用,減少了熱能浪費和高能耗的問題,并且有利于區(qū)域的環(huán)保治理，這項技術(shù)可以迅速對所調(diào)節(jié)區(qū)域熱量變化做出反應(yīng),減少對大熱網(wǎng)的影響,提升區(qū)域的供熱品質(zhì).

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中國建筑科學(xué)研究院.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] 朱晏琳.二級網(wǎng)調(diào)峰集中供熱系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟型研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[3] 張迪.帶有調(diào)峰熱源的集中供熱系統(tǒng)的熱力工況研究[D].北京:北京建筑大學(xué),2010.

[4] 褚毅,劉向日,金國峰,高峰,李洪波,魏來,韓強,趙亮.一種綜合利用城市周邊熱能的集中供熱系統(tǒng)[P].ZL201620066358.9,2016-06-08.

[5] 中華人民共和國環(huán)境保護部.中國環(huán)境科學(xué)研究院.鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 13271-2014)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2014.