【關(guān)鍵詞】空氣源熱泵,水源熱泵,地源熱泵,工業(yè)冷卻水,制熱系數(shù)
【論文摘要】本文簡述了空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，并結(jié)合工業(yè)廠房水源熱泵的應(yīng)用，進(jìn)行了工業(yè)冷卻水源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；對含有大量低溫?zé)崃康囊苯鸸I(yè)冷卻水進(jìn)行了供熱供冷的可行性分析。

　　1 前言
　　熱泵是通過消耗一定機(jī)械功，能從自然環(huán)境中吸取熱量的設(shè)備，由于它能把不能直接利用的低溫?zé)嵩矗ㄈ缈諝?、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢熱等）轉(zhuǎn)換為可利用的高品位熱能，從而達(dá)到利用少量的高位能，節(jié)約大量高位能〔如煤、燃?xì)?、油、電等〕的目的。由于熱泵具有?jié)能作用同時能降低溫室效應(yīng)和減少對大氣的污染，所以熱泵技術(shù)成為當(dāng)今世界節(jié)能環(huán)保最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。
　　2 各種熱泵技術(shù)
　　以低溫源來分熱泵技術(shù)，可分為空氣源（各種氣源）、水源（各種水源）、地源、太陽能等以及它們的組合技術(shù)。
　　2.1空氣源熱泵
　　空氣源熱泵以大氣作為熱源或冷源，即夏季熱泵通過冷凝器向大氣排熱同時通過蒸發(fā)器向室內(nèi)供冷；冬季熱泵通過蒸發(fā)器向大氣吸熱同時通過冷凝器向室內(nèi)供熱?？諝庠礋岜弥饕袃煞N機(jī)型，供冷熱風(fēng)的機(jī)組或提供冷熱水的機(jī)組，有的機(jī)組在供冷的同時還能提供熱水。空氣源熱泵主要適用在長江流域區(qū)域，在北方地區(qū)由于氣溫低和結(jié)霜除霜損失的原因，使熱泵的制熱效率下降，但是隨著空氣源熱泵機(jī)組本身性能的提高，作為全年空調(diào)冷熱源的空氣源熱泵機(jī)組，已應(yīng)用于北京、天津等北方地區(qū)，所選擇的熱泵機(jī)組提供的冷量有點偏大，基本不用另加輔助熱源，當(dāng)然設(shè)備初投資和運行費用要高一點，越往北越高，應(yīng)做技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定是否經(jīng)濟(jì)合理[1]。
　　解決寒冷地區(qū)采暖可采用雙級熱泵，一級為空氣源熱泵熱水機(jī)組，提供10－20℃溫水，二級為水源熱泵供熱系統(tǒng)，提供40－50℃熱水，雙級熱泵供熱期平均制熱系數(shù)COP將會遠(yuǎn)大于2 [2]。
　　2.2水源熱泵
　　水源熱泵冷凝器和蒸發(fā)器與水源進(jìn)行熱交換，而且水源的水溫比較穩(wěn)定，夏季比空氣源低，冬季比空氣源高，所以制熱系數(shù)比空氣源熱泵高的多。一種水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)稱為水環(huán)熱泵，是把各水源熱泵作為終端設(shè)備安裝在空調(diào)房間內(nèi)或各個區(qū)域內(nèi)，把各水源熱泵機(jī)組的供回水管連接起來，組成一個循環(huán)系統(tǒng)，外部設(shè)備有封閉式冷卻塔、輔助加熱器（如鍋爐等）。這種水源熱泵系統(tǒng)大多用在地上地下建筑內(nèi)，特別是在建筑物外區(qū)需要供熱而內(nèi)區(qū)又需要制冷，在供熱制冷同時需要的空調(diào)系統(tǒng)，能起到很好的節(jié)能作用，與風(fēng)盤集中空調(diào)系統(tǒng)比可以節(jié)能80%以上，在沒有內(nèi)外區(qū)的建筑使用也能達(dá)到15%的節(jié)能效果。當(dāng)然也可以采用空氣源熱泵代替冷卻塔和輔助加熱器，對循環(huán)水的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足水環(huán)熱泵的最佳工作需要。
　　提供水源熱泵的水源種類是十分豐富的，其中地下水源熱泵,在國內(nèi)的應(yīng)用也已達(dá)到一定的規(guī)模，當(dāng)前主要要解決的是地下井的回灌技術(shù)問題，防止水源的浪費和受到污染[3]。地下水是一種優(yōu)質(zhì)淡水源，隨著地下水源的日益枯竭，國家是限制大規(guī)模使用地下水源，因為地質(zhì)環(huán)境問題的出現(xiàn)，往往是災(zāi)難性，無法恢復(fù)和彌補(bǔ)的。因而轉(zhuǎn)向采用地下埋管的“閉式”地源熱泵。
　　2.3地源熱泵
　　地源熱泵的聚已烯埋管深40－100m，水平埋管深1.5－2m，單位鉆孔長度取熱率50W/m左右[4]。地源熱泵一次投資要比風(fēng)源熱泵高10－20％，但其制熱系數(shù)COP可達(dá)到3.5-4.4，比傳統(tǒng)的空氣源熱泵要高40％，因此其運行費用為普通中央空調(diào)的50-60%，不到4年時間，即可收回增加的初投資，而且維護(hù)費用也低于其他空調(diào)系統(tǒng)。由于地源熱泵具有節(jié)能和環(huán)保的雙重效益，被列入21世紀(jì)最有發(fā)展前途的新技術(shù)[5] [6]。
　　熱泵可利用的水源除了地下水，還有地上的江水、湖水、海水，另外還有大量工業(yè)的和民用的廢水和污水。工業(yè)上有濁循環(huán)水和凈循環(huán)水，這些水在工業(yè)過程中帶走大量熱量；民用的城市污水，城市社區(qū)產(chǎn)生廢熱40％含在水中。北京市已建中水設(shè)施250多個，在建的有100多個，已投入運行的有160多個，中水處理能力達(dá)到每天4萬立方米。2004年，本市市區(qū)污水再生利用率將達(dá)到20％，2005年計劃達(dá)到30％，2008年將達(dá)到50％，中水水質(zhì)達(dá)到《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，因為水質(zhì)好，可以不設(shè)過濾器，直接被水源熱泵利用，換熱過的水溫差5℃，可以繼續(xù)作為中水利用。如果按50%節(jié)能的建筑耗熱量指標(biāo)20.6W/m2計，每天4萬立方米中水可供47萬m2 建筑物采暖。
　　3 工業(yè)冷卻水源熱泵技術(shù)應(yīng)用的探討
　　鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的余熱，如各種高溫?zé)熀蜖t氣，工藝設(shè)備的冷卻介質(zhì)，高溫產(chǎn)品及高溫渣，余熱回收通常用于生產(chǎn)，僅有發(fā)電熱水，化工一段初冷卻水，高爐水沖渣水用于冬季取暖。首鋼設(shè)計院在山西宏陽焦化廠設(shè)計中采用化工一段初冷70℃余熱水為采暖熱媒 ,回水溫度60℃，供水設(shè)計能力120m3/h，作為煤與焦的輸送轉(zhuǎn)運,破碎,篩分,貯存系統(tǒng)，皮帶通廊等處防凍,和各生產(chǎn)車間,辦公室,操作室,休息室等處采暖之用。
　　本文討論的水源熱泵應(yīng)用于小于50℃的冷卻水，它不算作余熱資源設(shè)計范圍。
　　3.1工業(yè)廠房的水源熱泵的應(yīng)用
　　鋼鐵企業(yè)的冷卻水，有濁環(huán)水和凈環(huán)水（包括軟化水）兩種。濁環(huán)水，主要是煙氣和產(chǎn)品的洗滌用水，如轉(zhuǎn)爐煙氣，高爐煤氣，熄焦，連鑄坯的冷卻等。凈環(huán)水主要是各種設(shè)備和煙氣、產(chǎn)品的間接冷卻水，由于凈環(huán)水水質(zhì)好，水溫可以用冷卻塔等來控制，是水源熱泵首選的低溫水源。在鋼鐵企業(yè)的一些地方如車間辦公樓，操作室、主控室等可以用工業(yè)循環(huán)水的水源熱泵。以某210t轉(zhuǎn)爐爐前控制室為例，集中空調(diào)面積達(dá)3000m2，夏天需制冷量450kW冬天需制熱量300kW，采用2臺風(fēng)冷冷風(fēng)恒溫恒濕型空調(diào)機(jī)組，如改用相同制冷量的水源熱泵機(jī)組，當(dāng)冷卻水循環(huán)水溫，進(jìn)水15℃，出水10℃時，制熱量320kW/臺，也就是說冬季開一臺機(jī)，耗電76kW就能滿足供熱的要求，比采用電供熱的方法節(jié)電76％，對于多個房間，發(fā)熱量不同，溫度要求不同的情況，采用水環(huán)熱泵效果更好。
　　3.2工業(yè)冷卻水水源熱泵應(yīng)用分析
　　一座年產(chǎn)600萬t鋼的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，總用水量約為400萬m3/h,其中冷卻水占85％以上[7]。以首鋼新建遷鋼400萬t/a鋼規(guī)模為例，煉鐵廠（2500m3高爐二座）、煉鋼廠（210t轉(zhuǎn)爐三座）、焦化廠（50孔6米焦?fàn)t四座，140t干熄焦二座）凈循環(huán)冷卻水見下表。
　　400萬t/a鋼鐵廠煉鐵、煉鋼、焦化用凈環(huán)冷卻水一覽表
凈環(huán)水量 m3/h 進(jìn)水溫度/℃ 出水溫度/℃ 冷卻水帶走熱量 KW 備 注
煉鐵廠 7080×2 33 43 164561 間接冷卻水
煉鋼廠 2926 33 45 40828 平均溫度
焦化廠 9470＋8147 33 45 250144 平均溫度
合計 35013 455623
　　三個廠凈環(huán)水部分通過冷卻水帶走熱455623 KW。 如果這些熱量供冬季取暖，按平均50W/ m2計,可供建筑面積911萬平方米；如按北京地區(qū)新標(biāo)準(zhǔn)，普通住宅的采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)不超過32W/m2，即按最不利工況時達(dá)到室內(nèi)設(shè)計溫度計算，可供建筑面積1423萬平方米。
　　3.3工業(yè)冷卻水源熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
　　a.地下水源和城市污水源熱泵供暖系統(tǒng)，在整個冬季電轉(zhuǎn)換率都可達(dá)到350%～450%，即使考慮到發(fā)電熱效率為33%，其總體轉(zhuǎn)換率也可達(dá)到115%～150%，遠(yuǎn)高于區(qū)域鍋爐房集中供熱系統(tǒng)[11]。工業(yè)冷卻水的進(jìn)出水溫是隨季節(jié)變化的，上表的水溫是夏季最熱月的平均情況，而冬季要低的多。因為循環(huán)水的冷卻是通過與空氣接觸，由蒸發(fā)散熱，接觸散熱和輻射散熱三個過程共同作用的結(jié)果。夏季室溫較高，表面蒸發(fā)起主要作用，最炎熱夏季的蒸發(fā)散熱量可達(dá)總散熱量的90%以上；在冬季，氣溫低，接觸散熱從夏季的10%～20%增加到40%～50%，嚴(yán)寒天氣甚至可增加到70%左右[8]。冬季由于接觸散熱的增加，使得冷卻水的進(jìn)出整體水溫下降。防止水溫下降可以采取如下措施：循環(huán)水上冷卻塔，但冷卻塔風(fēng)機(jī)不開；減少上冷卻塔的水量；全部水不上冷卻塔；外露管道適當(dāng)保溫，和吸水池加蓋。采取以上措施可以提高水溫到20～30℃ 。隨著水溫的提高，管網(wǎng)的散熱量增加，冷卻水的部分熱量散失，但在冬季大部分熱量還是可以利用的。水源熱泵的制熱系數(shù)COP與冷卻水的水溫有關(guān)，按照近似實際制熱系數(shù)的公式[9]：
　　COP=55.33△T-0.7633,
　　其中：△T為冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的差值。
　　如果冷凝溫度55℃，蒸發(fā)溫度為25℃，差值△T為30℃， COP為4.125。也就是說用一度電，可以提供4.125度電的熱量。顯然上式的使用是有范圍的，但公式表明，熱泵供水溫度提高，COP不變，循環(huán)水溫就得提高，如不能提高，COP將要減少。工業(yè)冷卻水源的溫度高于地下水源和城市污水源，其整個冬季電轉(zhuǎn)換率應(yīng)更高。北京地區(qū)普通建筑采暖天數(shù)為129天，11月和3月的平均氣溫約4.5℃, 平均供水溫度50℃，平均差值△T為20℃，COP達(dá)到5.62。1月平均氣溫-4.4℃,供熱量需增加1～1.5倍，如不能提高供水溫度，就需要增加散熱面積來滿足要求。通過高溫?zé)岜眉夹g(shù)可以把30～45℃的水溫提高到65～80℃，甚至更高溫度的熱水用于散熱器集中供熱。熱泵研究數(shù)據(jù)顯示冷凝器進(jìn)口水溫77.6℃，出水溫度85℃，蒸發(fā)器進(jìn)口水溫56.1℃，出口水溫51.3℃，制熱性能系數(shù)COP為3.68[10]。
　　對于工業(yè)冷卻水源熱泵提供45℃左右的熱水，它的制熱系數(shù)十分好。是低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?、天棚低溫輻射采暖制冷系統(tǒng)以及滿足風(fēng)機(jī)盤管用戶的理想熱媒，到2005年城鎮(zhèn)采暖住宅建筑要在1981年住宅能耗水平的基礎(chǔ)上達(dá)到降低能耗50%的要求；到2010年在2005年的基礎(chǔ)上再降低能耗30%。如果房屋“保溫”大幅度提高，那么在散熱器面積基本不變的情況下，采用50～60℃的熱水也能滿足采暖的需要，而且舒適性更好。
　　污水源熱泵系統(tǒng)比燃煤鍋爐和空氣源熱泵的運行費用要低25%以上。更遠(yuǎn)低于其他供熱方式的運行費用。由于工業(yè)冷卻水源的水溫高于污水源，所以冬季供熱其運行費用要更低一些。對用散熱器采暖用戶，應(yīng)考慮冬季溫度高的冷卻水，采用高溫?zé)岜?，或者采?級熱泵系統(tǒng)，以滿足寒冷月份的供熱。用2級熱泵的總制熱系數(shù)要比1級低，是否比燃煤鍋爐運行費用低，需要根據(jù)電價、供熱環(huán)境溫度、建筑耗熱指標(biāo)、供熱的面積等情況進(jìn)行核算。但是熱泵系統(tǒng)占地面積僅有燃煤鍋爐房的1/3～1/2，不需煤場和堆渣場地，不產(chǎn)生任何污染[11]，調(diào)控靈活。在供熱方式環(huán)境評價方法研究中的二氧化碳、一氧化碳、煙塵、二氧化硫、氮氧化物五項指標(biāo)中熱泵式供熱最好，為全優(yōu)，而集中燃煤鍋爐房為最差[12]。因此熱泵式供熱是供暖方案中的較佳方案。
　　從資料介紹熱泵系統(tǒng)運行費用比傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)大約低25%，總投資也約低25%，這里的投資費用是水源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的制冷加鍋爐系統(tǒng)的比較。如果只考慮熱泵供熱與單建鍋爐系統(tǒng)比，那么熱泵系統(tǒng)投資要高一些，所以只有熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)供熱、制冷以及同時供應(yīng)生活熱水，這樣綜合投資少運行費用低，并節(jié)能、環(huán)保。
　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，需發(fā)展具備高舒適度、高功能配置的高品質(zhì)住宅。供熱、供冷、供生活熱水設(shè)施也成為高品質(zhì)住宅的主要指標(biāo)。而水源熱泵系統(tǒng)具有很好的三供的性能指標(biāo)。
　　上面談的采用工業(yè)冷卻水水源熱泵，要實現(xiàn)夏季供冷，一般工業(yè)冷卻水的冷卻能力不能滿足新增水源熱泵的需要，要另設(shè)冷卻塔，這點與傳統(tǒng)的制冷設(shè)施一致，除非工業(yè)冷卻塔有能力富裕或原設(shè)計已經(jīng)考慮了熱泵的需要。
　　3.4 工業(yè)冷卻水源熱泵系統(tǒng)流程示意圖
　　a.把水源熱泵站建在冷卻塔附近，可利用循環(huán)水的回水壓力（約0.1MPa左右），經(jīng)熱泵蒸發(fā)器，后回吸水池見下圖。
　　
　　 b.如果熱泵機(jī)房離冷卻塔遠(yuǎn)，就要增加加壓泵加壓，見下圖。
　　
　　4 結(jié)論
　　熱泵是一種可以利用低溫?zé)嵩?，以少量的電能轉(zhuǎn)換出多于電能本身數(shù)倍熱量的裝置，是很好的節(jié)能、環(huán)保設(shè)施，其應(yīng)用廣泛。
　　鋼鐵企業(yè)的冷卻水量大，并含有大量的熱量，是可以通過水源熱泵方法進(jìn)行供熱，是建筑供熱很好的方案。特別是采用45℃左右的供熱用戶。其運行費用比其他系統(tǒng)要低。但是投資要比單建鍋爐房高，但如燃煤鍋爐房要上脫硫裝置，費用將增加。如果需要實現(xiàn)冷熱聯(lián)供，水源熱泵方法相對投資少。
　　鋼鐵企業(yè)利用冷卻水水源熱泵供熱是可行的，但要根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行分析，包括環(huán)保、能源政策、發(fā)展規(guī)模、供熱遠(yuǎn)近、供熱用戶情況、煤、電供應(yīng)情況，以及投資的利益等，在鋼鐵企業(yè)有余熱可利用的情況下，首先要考慮余熱利用。