熱泵技術及在鋼鐵企業應用分析

【關鍵詞】空氣源熱泵,水源熱泵,地源熱泵,工業冷卻水,制熱系數
【論文摘要】本文簡述了空氣源熱泵、水源熱泵、地源熱泵技術的發展和應用，并結合工業廠房水源熱泵的應用，進行了工業冷卻水源熱泵的技術經濟分析；對含有大量低溫熱量的冶金工業冷卻水進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械功，能從自然環境中吸取熱量的設備，由于它能把不能直接利用的低溫熱源（如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業廢熱等）轉換為可利用的高品位熱能，從而達到利用少量的高位能，節約大量高位能〔如煤、燃氣、油、電等〕的目的。由于熱泵具有節能作用同時能降低溫室效應和減少對大氣的污染，所以熱泵技術成為當今世界節能環保最有發展前景的技術之一。
　　2 各種熱泵技術
　　以低溫源來分熱泵技術，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。
　　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器向室內供冷；冬季熱泵通過蒸發器向大氣吸熱同時通過冷凝器向室內供熱。空氣源熱泵主要有兩種機型，供冷熱風的機組或提供冷熱水的機組，有的機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域，在北方地區由于氣溫低和結霜除霜損失的原因，使熱泵的制熱效率下降，但是隨著空氣源熱泵機組本身性能的提高，作為全年空調冷熱源的空氣源熱泵機組，已應用于北京、天津等北方地區，所選擇的熱泵機組提供的冷量有點偏大，基本不用另加輔助熱源，當然設備初投資和運行費用要高一點，越往北越高，應做技術經濟分析后確定是否經濟合理[1]。
　　解決寒冷地區采暖可采用雙級熱泵，一級為空氣源熱泵熱水機組，提供10－20℃溫水，二級為水源熱泵供熱系統，提供40－50℃熱水，雙級熱泵供熱期平均制熱系數COP將會遠大于2 [2]。
　　2.2水源熱泵
　　水源熱泵冷凝器和蒸發器與水源進行熱交換，而且水源的水溫比較穩定，夏季比空氣源低，冬季比空氣源高，所以制熱系數比空氣源熱泵高的多。一種水源熱泵空調系統稱為水環熱泵，是把各水源熱泵作為終端設備安裝在空調房間內或各個區域內，把各水源熱泵機組的供回水管連接起來，組成一個循環系統，外部設備有封閉式冷卻塔、輔助加熱器（如鍋爐等）。這種水源熱泵系統大多用在地上地下建筑內，特別是在建筑物外區需要供熱而內區又需要制冷，在供熱制冷同時需要的空調系統，能起到很好的節能作用，與風盤集中空調系統比可以節能80%以上，在沒有內外區的建筑使用也能達到15%的節能效果。當然也可以采用空氣源熱泵代替冷卻塔和輔助加熱器，對循環水的溫度進行調節，滿足水環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,在國內的應用也已達到一定的規模，當前主要要解決的是地下井的回灌技術問題，防止水源的浪費和受到污染[3]。地下水是一種優質淡水源，隨著地下水源的日益枯竭，國家是限制大規模使用地下水源，因為地質環境問題的出現，往往是災難性，無法恢復和彌補的。因而轉向采用地下埋管的“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源熱泵高10－20％，但其制熱系數COP可達到3.5-4.4，比傳統的空氣源熱泵要高40％，因此其運行費用為普通中央空調的50-60%，不到4年時間，即可收回增加的初投資，而且維護費用也低于其他空調系統。由于地源熱泵具有節能和環保的雙重效益，被列入21世紀最有發展前途的新技術[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，另外還有大量工業的和民用的廢水和污水。工業上有濁循環水和凈循環水，這些水在工業過程中帶走大量熱量；民用的城市污水，城市社區產生廢熱40％含在水中。北京市已建中水設施250多個，在建的有100多個，已投入運行的有160多個，中水處理能力達到每天4萬立方米。2004年，本市市區污水再生利用率將達到20％，2005年計劃達到30％，2008年將達到50％，中水水質達到《城市雜用水水質標準》，因為水質好，可以不設過濾器，直接被水源熱泵利用，換熱過的水溫差5℃，可以繼續作為中水利用。如果按50%節能的建筑耗熱量指標20.6W/m2計，每天4萬立方米中水可供47萬m2 建筑物采暖。
　　3 工業冷卻水源熱泵技術應用的探討
　　鋼鐵工業生產過程產生大量的余熱，如各種高溫煙和爐氣，工藝設備的冷卻介質，高溫產品及高溫渣，余熱回收通常用于生產，僅有發電熱水，化工一段初冷卻水，高爐水沖渣水用于冬季取暖。首鋼設計院在山西宏陽焦化廠設計中采用化工一段初冷70℃余熱水為采暖熱媒 ,回水溫度60℃，供水設計能力120m3/h，作為煤與焦的輸送轉運,破碎,篩分,貯存系統，皮帶通廊等處防凍,和各生產車間,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用于小于50℃的冷卻水，它不算作余熱資源設計范圍。
　　3.1工業廠房的水源熱泵的應用
　　鋼鐵企業的冷卻水，有濁環水和凈環水（包括軟化水）兩種。濁環水，主要是煙氣和產品的洗滌用水，如轉爐煙氣，高爐煤氣，熄焦，連鑄坯的冷卻等。凈環水主要是各種設備和煙氣、產品的間接冷卻水，由于凈環水水質好，水溫可以用冷卻塔等來控制，是水源熱泵首選的低溫水源。在鋼鐵企業的一些地方如車間辦公樓，操作室、主控室等可以用工業循環水的水源熱泵。以某210t轉爐爐前控制室為例，集中空調面積達3000m2，夏天需制冷量450kW冬天需制熱量300kW，采用2臺風冷冷風恒溫恒濕型空調機組，如改用相同制冷量的水源熱泵機組，當冷卻水循環水溫，進水15℃，出水10℃時，制熱量320kW/臺，也就是說冬季開一臺機，耗電76kW就能滿足供熱的要求，比采用電供熱的方法節電76％，對于多個房間，發熱量不同，溫度要求不同的情況，采用水環熱泵效果更好。
　　3.2工業冷卻水水源熱泵應用分析
　　一座年產600萬t鋼的鋼鐵聯合企業，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鋼規模為例，煉鐵廠（2500m3高爐二座）、煉鋼廠（210t轉爐三座）、焦化廠（50孔6米焦爐四座，140t干熄焦二座）凈循環冷卻水見下表。
　　400萬t/a鋼鐵廠煉鐵、煉鋼、焦化用凈環冷卻水一覽表
凈環水量 m3/h 進水溫度/℃ 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；如按北京地區新標準，普通住宅的采暖設計熱負荷指標不超過32W/m2，即按最不利工況時達到室內設計溫度計算，可供建筑面積1423萬平方米。
　　3.3工業冷卻水源熱泵技術經濟分析
　　a.地下水源和城市污水源熱泵供暖系統，在整個冬季電轉換率都可達到350%～450%，即使考慮到發電熱效率為33%，其總體轉換率也可達到115%～150%，遠高于區域鍋爐房集中供熱系統[11]。工業冷卻水的進出水溫是隨季節變化的，上表的水溫是夏季最熱月的平均情況，而冬季要低的多。因為循環水的冷卻是通過與空氣接觸，由蒸發散熱，接觸散熱和輻射散熱三個過程共同作用的結果。夏季室溫較高，表面蒸發起主要作用，最炎熱夏季的蒸發散熱量可達總散熱量的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，使得冷卻水的進出整體水溫下降。防止水溫下降可以采取如下措施：循環水上冷卻塔，但冷卻塔風機不開；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COP與冷卻水的水溫有關，按照近似實際制熱系數的公式[9]：
　　COP=55.33△T-0.7633,
　　其中：△T為冷凝溫度與蒸發溫度的差值。
　　如果冷凝溫度55℃，蒸發溫度為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，循環水溫就得提高，如不能提高，COP將要減少。工業冷卻水源的溫度高于地下水源和城市污水源，其整個冬季電轉換率應更高。北京地區普通建筑采暖天數為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。通過高溫熱泵技術可以把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。熱泵研究數據顯示冷凝器進口水溫77.6℃，出水溫度85℃，蒸發器進口水溫56.1℃，出口水溫51.3℃，制熱性能系數COP為3.68[10]。
　　對于工業冷卻水源熱泵提供45℃左右的熱水，它的制熱系數十分好。是低溫熱水地板輻射采暖、天棚低溫輻射采暖制冷系統以及滿足風機盤管用戶的理想熱媒，到2005年城鎮采暖住宅建筑要在1981年住宅能耗水平的基礎上達到降低能耗50%的要求；到2010年在2005年的基礎上再降低能耗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。
　　污水源熱泵系統比燃煤鍋爐和空氣源熱泵的運行費用要低25%以上。更遠低于其他供熱方式的運行費用。由于工業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，應考慮冬季溫度高的冷卻水，采用高溫熱泵，或者采用2級熱泵系統，以滿足寒冷月份的供熱。用2級熱泵的總制熱系數要比1級低，是否比燃煤鍋爐運行費用低，需要根據電價、供熱環境溫度、建筑耗熱指標、供熱的面積等情況進行核算。但是熱泵系統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，不產生任何污染[11]，調控靈活。在供熱方式環境評價方法研究中的二氧化碳、一氧化碳、煙塵、二氧化硫、氮氧化物五項指標中熱泵式供熱最好，為全優，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運行費用比傳統的鍋爐系統大約低25%，總投資也約低25%，這里的投資費用是水源熱泵系統與傳統的制冷加鍋爐系統的比較。如果只考慮熱泵供熱與單建鍋爐系統比，那么熱泵系統投資要高一些，所以只有熱泵系統實現供熱、制冷以及同時供應生活熱水，這樣綜合投資少運行費用低，并節能、環保。
　　隨著社會經濟的快速發展和人民生活水平的提高，需發展具備高舒適度、高功能配置的高品質住宅。供熱、供冷、供生活熱水設施也成為高品質住宅的主要指標。而水源熱泵系統具有很好的三供的性能指標。
　　上面談的采用工業冷卻水水源熱泵，要實現夏季供冷，一般工業冷卻水的冷卻能力不能滿足新增水源熱泵的需要，要另設冷卻塔，這點與傳統的制冷設施一致，除非工業冷卻塔有能力富裕或原設計已經考慮了熱泵的需要。
　　3.4 工業冷卻水源熱泵系統流程示意圖
　　a.把水源熱泵站建在冷卻塔附近，可利用循環水的回水壓力（約0.1MPa左右），經熱泵蒸發器，后回吸水池見下圖。
　　
　　 b.如果熱泵機房離冷卻塔遠，就要增加加壓泵加壓，見下圖。
　　
　　4 結論
　　熱泵是一種可以利用低溫熱源，以少量的電能轉換出多于電能本身數倍熱量的裝置，是很好的節能、環保設施，其應用廣泛。
　　鋼鐵企業的冷卻水量大，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。如果需要實現冷熱聯供，水源熱泵方法相對投資少。
　　鋼鐵企業利用冷卻水水源熱泵供熱是可行的，但要根據當地情況進行分析，包括環保、能源政策、發展規模、供熱遠近、供熱用戶情況、煤、電供應情況，以及投資的利益等，在鋼鐵企業有余熱可利用的情況下，首先要考慮余熱利用。