水源热泵替代蒸汽制备生活热水可行性分析

赵颖晖 张耀东 胡国启

摘 要：本文选择公司所属一个工厂，通过蒸汽和水源热泵两种方式制备生活热水的数据对比，从效率、安全、能耗、运行管理等方面论证分析水源热泵替代蒸汽制备生活热水的可行性，以期找到一种环保、安全、低耗的方式满足工厂对生活热水的需求。经过多方面对比分析，水源热泵可有效制备满足要求的生活热水，并大大降低蒸汽消耗费用，进而降低蒸汽生产企业煤炭、天然气的消耗，从而降低CO2、CO、SO2等污染气体的排放。

关键词：节能降耗;水源热泵;生活热水制备;环境保护

1 引言

据统计，该工厂2019年制备生活用水消耗蒸汽3600吨、费用73.7万元，占全年蒸汽消耗的49.5%。随着国家环境保护管控力度的加强以及企业节能降耗意识的增强，企业逐步寻求更为节能的方法制备生活热水。

目前，中国大陆主要采用电热水器、燃气锅炉、太阳能+电辅、热泵四种方式制备生活热水。随着国家基础设施的建设和天然气管道的敷设，越来越多的企业和居民选择天然气热水器来制备热水，但是大部分郊区、农村由于基础设施的欠缺，仍在使用电热水器或太阳能+热辅的方式。

本文从从效率、安全、能耗、运行管理等方面论证分析水源热泵替代蒸汽制备生活热水的可行性，以期找到一种环保、安全、低耗的方式满足工厂对生活热水的需求，居民区生活热水也可以作为参考。

2 四种方式制备生活热水费用分析

制备要求：制备热水100吨/天，温升40℃（15-55℃），热水总热值16*108Kcal，1吨热水热量4*105Kcal。电单价0.8元/kwh，天然气单价3.6元/m3。

具体数据见表 1。

从表 1中可以看出热泵相较于其他三种方式，除具有使用寿命长、恒温供水外还具有以下优点：

（1）利用空气或水作为热源，真正做到无污染、零排放。

（2）四种方式中吨水费用最低，僅为110.5元/吨，节能降耗效果显而易见。

（3）另外，热泵相对于燃气锅炉，不需要办理特种设备检验、登记人员特种设备操作证，不许专人看管，更加安全。

3 工厂制备生活热水现状

3.1 现状

目前，工厂采用蒸汽加热自来水的方式制备生活热水，供三个车间四个班次员工洗澡使用，取11月份数据，可作为全年平均数据。具体为：0：00-1：00用水量11吨、8：00-9：00用水量11.8吨、16：00-17：00用水量7.9吨、18：00-19：00用水量7吨，合计每天用水量37.7吨（自来水），按38吨计算。

3.2 设施

管道泵15KW，水箱有效储水量3m3，水温设置43℃，温升28℃（15-43℃）。

3.3 能源消耗

（1）每天消耗自来水38吨，水单价5.25元/吨，计199.5元。

（2）每天消耗蒸汽10吨，汽单价224.45元/吨，计2244.5元。

（3）水泵按70%额度功率计算，每天运行4小时，电单价0.72元/度，计15*70%*4*0.72=30.24元。

综上，每天费用共计2474元。

全年按330天运行计算，一年运行费用81.64万元。

4 热泵性能介绍

目前市场上有空气源和水源两种类型热泵，特点各异。

（1）高温空气源机组，是一种通过输入一小部分电子做功，即可从周围空气中获取热量来加热热水的设备。其中 热水吸收的热量除了设备本身消耗的电热外，主要从周围空气中大量吸收的免费热量，因此与直接使用电、燃气或 燃油加热的热水设备相比较，热泵型热水机组具有节能、省钱、安全、环保等显著特点。

（2）高温水源热泵系列机组，采用高温热泵压缩机，最高出水温度高达85℃，是一种从低温水源中获取热量，制取高温热水的节能加热设备，能耗只有电加热设备的1/5～1/2。具有能耗低，无污染，自动化程度高的特点，是电加热和传统锅炉理想的升级换代产品。

5 热泵选型及配套设施

5.1 热源选择

考虑到空气源热泵在-10℃环境温度下效果较差，同时工厂由冷却塔24小时运行，本方案采用水源热泵、以冷却塔循环水制备生活热水。可以达到以下效果：

（1）充分利用冷却塔冷却水热量，不影响冷水机组运行，更有助于冷水机组降低负荷，安全有效运行。

（2）减少蒸汽使用，降低生活热水制备费用，更加安全、环保。

5.2 机组选型

5.2.1 计算依据

根据实际需求的热水出水温度，结合当地最恶劣环境温度（历史最低气温-13℃），确定加热温差，根据Q=cmΔt计算热量。

其中：Q-热量（KW），c-系数取1.163，m-介质重量（吨），Δt-温升（℃）

5.2.2 根据热量结合机组变工况参数确定主机

按冬季室内环境温度2℃，自来水温度约10℃，那么将1吨自来水从10℃升高到45℃所需要的热量为：

Q=1.163*1*（45-10）=40.705KW

根据该工厂需求情况，配备有效容量为20T的水箱。则加热20T水所需的热量为：

Q1=20*40.705=814.1KW

根据机组选型手册，按环温2℃、出水温度45℃时循环式热水机组250S-XI制热能力为67.28KW。那么，选用2台循环式热水机组250S-XI，产生20吨热水所需时间为：

T=Q1/Q250S/2=814.1/67.28/2=6小时

可以满足该工厂使用。

5.2.3 改造费用

（1）2台循环式热水机组250S-XI，单价7.8万元，合计15.6万元。耗电量19.3KW

（2）使用原水泵，不增加水泵费用。

（3）1台有效容量为20T的水箱，单价2万元。

（4）安装、保温、材料费用按2万元计。

（5）设备基础2万元。

合计改造费用：21.6万元。

5.2.4 运行费用

（1）每天消耗自来水38吨，水单价5.25元/吨，计199.5元。

（2）水泵按70%额度功率计算，每天运行4小时，电单价0.72元/度，计15*70%*4*0.72=30.24元。

（3）热泵运行成本按每吨热水（45℃）6元计算，每天按40吨热水制备，计240元。

（4）设备折旧：每天折旧15.6万元*0.95折旧系数/15年/365天=26.21元。

综上，每天运行成本495.95元。

全年按330天运行计算，一年运行费用16.37万元。

6 节能分析

根据以上数据分析，除热泵机组按15年折旧，其他投入按照一次性费用计算，改造当年可节约费用：81.64-21.6-16.37=43.67万元。不仅当年收回投资，还极大节约了费用。

7 结语

综合本文所述，该方案实施，将极大降低能源消耗。但是需要指出的是：一是水箱占地面积大，需综合考虑场地使用情况，二是该工厂人均消耗热水量已超定额标准，工厂需加强日常管理，杜绝能源浪费现象。

参考文献：

[1]06SS127热泵热水系统选用与安装.

[2]唐峰.胡吉士.蒋悦波.生活热水制备方式的一次能耗比较分析.暖通与空调.2014（7）8～9/32.

[3]郭飞.刘金.水源热泵制备生活热水设计探讨.给水排水.2017（5）85～87.

[4]龚伟娟.空气源热泵制备生活热水工厂案例探讨.节能环保.2018（26）211/239.

[5]CECS222-2007 小区集中生活热水供应设计规程.