商业综合体供能系统余热回收技术经济性分析_李金彬.pdf

第一作者简介:李金彬，男，工程师，硕士，从事区域供热(供冷)、能源综合利用方向的设计及研究。通信作者简介:夏斐，男，副教授，学士，从事建筑设计及建筑节能技术研究。收稿日期:2022 06 04;修回日期:2022 08 17商业综合体供能系统余热回收技术经济性分析李金彬1，夏斐2，郑瑞琪1(1 青岛开源热力设计研究院有限公司，山东 青岛 266071;2 山东科技大学，山东 青岛 266590)摘要:结合工程实例，对某商业综合体供能系统余热回收的技术经济性进行分析。提出利用热泵机组，供暖期回收排烟余热制备生活热水、消除白色烟羽，供冷期回收冷水机组冷却水余热制备生活热水，过渡期联合空气换热器制备生活热水。改造后，供能系统新增设备购置费为 108 3104元，年制备生活热水费用可减少 44 09 104元/a，项目静态差额投资回收期为 2 46 a，经济性良好。改造后，燃气锅炉烟气脱白效果显著。关键词:余热回收;燃气锅炉;冷水机组;烟气脱白;技术经济性中图分类号:TU995 7文献标志码:B文章编号:1000 4416(2023)02 0A09 041概述概述能源消费结构向清洁低碳加快转变。初步核算，2019 年煤炭消费量占能源消费总量比例为57.7%，比 2012 年降低 10.8%。天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量比例为23.4%，比 2012 年提高 8.9%。非化石能源消费量占能源消费总量比例达 15.3%，比 2012 年提高5.6%，已提前完成到 2020 年非化石能源消费量比例达到 15%的目标。近年来，燃气锅炉在公共建筑供能中得到大量应用。为消除供暖期燃气锅炉烟气排放温度过高导致的白色烟羽(白烟)，行业内一般采用烟气换热器联合热泵回收余热的方式1 5。烟气换热器分为直接接触换热器、间接接触换热器6 8，小型燃气锅炉多采用系统简单、维护方便的直接接触式换热器。按照热泵机组驱动方式的不同9 12，热泵分为电驱动热泵、燃气机热泵、溴化锂吸收式热泵。由于公共建筑内空间紧张、消防安全要求严格，占地小、安全性更高的电驱动热泵得到公共建筑项目的青睐。本文结合工程实例，对某商业综合体供能系统余热回收的技术经济性进行分析。2项目概况与改造思路项目概况与改造思路项目概况某商业综合体位于青岛市，总建筑面积为 14 104m2，地上最高 23 层，地下 2 层，以框架结构为主，含两栋多层建筑(1、2 号)，两栋高层建筑(3、4号)。供热(冷)面积为 8.8 104m2，设计供暖热负荷为 4 258 kW，设计冷负荷为 7 300 kW，设计生活热水负荷为542 kW。供暖期为11 月15 日次年4月 5 日，共 141 d。供冷期为 7 月 1 日9 月 30 日，共 91 d。生活热水为常年需求。建筑工作时间为7:0017:00，除建筑工作时间外，供暖期其他时间需提供值班热负荷。供暖热负荷、生活热水负荷由冷凝式燃气锅炉(简称燃气锅炉)提供，冷负荷由离心式冷水机组(简称冷水机组)提供。3 号楼屋顶布置 3 台额定热功率为 1.6 MW 的燃气锅炉、冷却塔。3 台额定制冷量为 2 450 kW 的冷水机组、水泵及自控系统布置90A第 43 卷第 2 期2023 年 2 月煤 气 与 热 力GAS HEATVol 43 No 2Feb 2023DOI:10.13608/ki.1000-4416.2023.02.003在负 1 层。天然气组成见表 1。天然气高热值为 37.04MJ/m3，低热值为 33.37 MJ/m3，价格为 4.38 元/m3。燃气锅炉额定参数见表 2。电价为 0.68 元/(kWh)。表 1天然气组成CH4体积分数/%99 17C2H6体积分数/%0 17C3H8体积分数/%0 21O2体积分数/%0 09N2体积分数/%0 36表 2燃气锅炉额定参数热功率/MW1 6热效率/%92耗气量/(m3h1)187 6过剩空气系数1 1进口空气绝对湿度/(gm3)2 0改造思路供暖期，虽然燃气锅炉利用热网回水降低排烟温度，但实测排烟温度仍达 65，导致大量白色烟羽产生。供冷期，利用冷却塔承担冷水机组冷凝器热负荷，不仅造成热污染，这部分热能也未得到充分利用。针对上述问题，笔者提出利用螺杆式水源热泵机组(简称热泵机组)，供暖期回收排烟余热制备生活热水、消除白色烟羽，供冷期回收冷水机组冷却水余热制备生活热水，过渡期联合空气换热器制备生活热水。3改造后供能系统改造后供能系统3 1改造方案及设备选型设计工况下，3 台燃气锅炉排烟质量流量为8 217.53 kg/h，排烟温度为65。若烟气换热器将排烟温度降至 30，根据文献 13、14计算方法，可计算得到全热余热回收量为 542 kW，凝结水质量流量为 672 kg/h。在燃气锅炉烟气出口设置烟气换热器，回收排烟余热。热泵机组及配套低温热水循环泵均设置在负 1 层。单台烟气换热器的额定换热量按 181 kW选取。排烟余热回收中产生的凝结水为弱酸性，在配合加药装置进行中和后，可全部用于空调系统补水。热泵机组额定制热量选为 542 kW，额定输入电功率 110.8 kW。供暖期，由排烟余热作为低温热源(烟气换热器与热泵机组的中间传热介质为低温热水)制备生活热水，由于排烟余热品位比较高，热泵机组制热性能系数取 6.8。供冷期，由冷水机组冷却水作为低温热源，由于冷却水品位低于排烟余热，热泵机组制热性能系数取 5.8。过渡期，燃气锅炉、冷水机组均不工作，热泵机组与空气换热器(额定换热量为 542 kW)组合制备生活热水，因此热泵机组制热性能系数在全年中最低，取 3.6。分析建筑冷负荷、供暖热负荷可知，供冷期、供暖期的冷水机组冷却水余热量、排烟余热量均能满足热泵机组制备生活热水需求。3 2改造后供能系统流程保留原有燃气锅炉、冷水机组、冷却塔，改造后供能系统流程见图 1。图中未给出凝结水箱、加药装置、凝结水泵等装置。图中阀门编号代表空调系统供回水管或设备进出水管上的 2 个阀门。改造后，燃气锅炉 3 及阀 6 所在环路作为备用，以应对热泵机组故障工况与维护。供暖期，阀 10 开启，由燃气锅炉制备供暖热水。阀 4、6 8、11 关闭，冷水机组、冷却塔、冷水循环泵、冷却水循环泵、空气换热器停用。阀 5、9 开启，低温热水回收排烟余热，消除白色烟羽，热泵机组利用低温热水回收的排烟余热制备生活热水。凝结水经加药处理后作为空调系统补水。供冷期，阀 6、8 10 关闭，燃气锅炉 1 3 关闭。阀 4、5、7、11 开启，由冷水机组制备冷水，热泵机组利用冷水机组冷却水余热制备生活热水，冷却水富余余热由冷却塔散失至大气。过渡期，除阀 5、8 外，其他阀均关闭，燃气锅炉、冷水机组停用。热泵机组联合空气换热器制备生活热水。4经济性分析经济性分析4 1新增设备购置费改造后供能系统新增主要设备额定参数、数量、单价见表 3。由表 3 可知，新增主要设备购置费为84.3 104元。配套管子管件、阀门、仪表自控设备购置费为 24.0 104元。新增设备购置费为 108.3104元。01A第 43 卷第 2 期煤 气 与 热 力www gasheat cn末端装置补水低温热水空气换热器冷却塔冷却水冷却水循环泵冷水机组自来水生活热水补水蒸发器冷凝器冷水热泵机组蒸发器冷凝器低温热水循环泵冷水循环泵供暖热水循环泵供暖热水1012381176594烟气换热器图 1改造后供能系统流程1 3 燃气锅炉4 11 阀门表 3改造后供能系统新增主要设备额定参数、数量、单价设备名称额定参数数量/台单价/元热泵机组制热量 542 kW，输入电功率 110 8 kW150 0 104烟气换热器换热量 181 kW35 5 104空气换热器换热量 542 kW，风机电功率 15 kW116 0 104低温热水循环泵质量流量 100 t/h，扬程 24 m，输入电功率 11 kW11 1 104凝结水箱容积 1 m310 3 104加药装置10 1 104凝结水泵质量流量 1 t/h，扬程 15 m，输入电功率 0 37 kW10 3 1044 2制备生活热水费用生活热水负荷为常年负荷，设定年供应生活热水时间为 365 d，每日运行 10 h，生活热水平均负荷率为 0 6。供能系统改造前生活热水负荷由燃气锅炉承担，可计算得到，燃气锅炉年耗气量为 13 92 104m3/a，年燃气费为 60 97 104元/a。供能系统改造后，生活热水由热泵机组承担。设定热泵机组年运行时间为 360 d，维护时间(选取在供暖末期燃气锅炉运行时间)为 5 d。根据供暖期、供冷期、过渡期热泵机组制热性能系数、运行时间，可计算得到供暖期、供冷期、过渡期热泵机组电费分别为 4 42 104、3 51 104、8 11 104元，热泵机组年电费为 16 04 104元/a。供暖期燃气锅炉年燃气费为 0 84 104元/a。可计算得到，改造后年制备生活热水费用为 16 88 104元/a。由于供暖期空调系统补水量有限，因此忽略回收凝结水的收益。因此，供能系统改造后年制备生活热水费用可减少 44 09 104元/a。4 3静态差额投资回收期由以上分析可知，改造后供能系统新增设备购置费为 108 3 104元，年制备生活热水费用可减少11Awww gasheat cn李金彬，等:商业综合体供能系统余热回收技术经济性分析第 43 卷第 2 期44 09 104元/a。可计算得到，项目静态差额投资回收期为 2 46 a。5改造效果改造效果经实测，改造后燃气锅炉排烟温度可降至 32。经过 1 个供暖期的观测，烟囱口白色烟羽高度小于1 m 的时间达129 d，燃气锅炉烟气脱白效果显著。6结论结论改造后供能系统新增设备购置费为 108 3104元，年制备生活热水费用可减少 44 09 104元/a，项目静态差额投资回收期为 2 46 a，经济性良好。改造后，燃气锅炉烟气脱白效果显著。参考文献:1 徐生荣 降低燃气锅炉排烟热损失方法探讨 J 能源研究与利用，2002(2):35 37，482 高春阳，刘艳华，车得福 天然气锅炉改造为冷凝式锅炉的经济性评价 J 节能技术，2003(5):8 113 赵玺灵，付林，江亿 天然气供热中烟气余热利用的潜力及途径 J 区域供热，2013(3):41 454 贾力，孙金栋，李孝萍 分离式冷凝型天然气锅炉的研究与应用 J 节能技术，2001(2):2 3，165 李东，马维伟，张晓晖 燃气锅炉排烟热回收技术探讨 J 现代化工，2007(S2):466 469，4736 安航 天然气烟气余热回收技术分析及应用 J 节能，2019(12):121 1247 祝侃，夏建军，谢晓云，等 吸收式热泵及直接接触换热在燃气锅炉全热回收中的应用 J 暖通空调，2013(9):111 1158 田靖，肖益民 浅谈锅炉烟气余热回收技术及其工程应用J 制冷与空调(四川)，2013(6):552 5559 徐邦裕，陆亚俊，马最良 热泵 M 北京:中国建筑工业出版社，1988:10 12 10 班鹏 热泵的现状与发展J 绿色环保建材，2018(5):24 11 龚明启，冀兆良 浅议热泵分类 J 河北能源职业技术学院学报，2005(1):60 63 12 杜文智，郭小虎，朱晓龙，等 吸收式热泵技术及其研究发展介绍 J 山东化工，2020(16):132，134 13 林宗虎，徐通模 实用锅炉手册M 北京:化学工业出版社，2009:92 95 14 李飞，王亮，王绍瑞，等 大型燃气锅炉房吸收式热泵的应用 J 暖通空调，2021(S1):313 315Technical and Economic Analysison Waste Heat ecovery of CommercialComplex Energy Supply SystemLI Jinbin，XIA Fei，ZHENG uiqiAbstract:Combined with a project exa