摘要：水源热泵作为可再生能源利用技术具有高效节能、环保、用途广泛、运行可靠、灵活安全等优点，由于能源结构的变化和我国经济高速发展带来的能源供应日趋紧张的形势，如何合理利用能源、节约能源，已经引起全社会的关注和重视，也为从事能源利用领域的科技人员提出了更新更高的要求。节约能源是我国基本国策，随着能源供应的紧张和国家对节能的重视，随着全国各地煤改气的实施，燃气锅炉房节能问题已显得尤为重要。
关键词：水源热泵；燃气供热锅炉；烟气余热回收；应用
历经１６载的“煤改气”工作，北京市已基本实现城六区无煤化，燃气锅炉逐渐成为北京市区域供暖的主要热源形式。２０１４—２０１５年供暖季，北京市燃气消耗量约为１００亿ｍ３，其中５０亿ｍ３用于燃气供热，占燃气总耗量的一半，因此，燃气供热系统的节能、提效成为北京市节能工作的重点。燃气锅炉排烟热损失是影响锅炉效率的最主要因素，经计算可知，烟气温度每降低２０℃，锅炉效率提高１％。在用燃气锅炉的排烟温度均在１００℃以上；此外，排烟中包含大量的水蒸气，排放后遇冷凝结以“白烟”的形式排放到大气中，成为雾霾的诱因之一。因此，虽然燃气锅炉排放相对清洁，但仍存在热量损失和污染的问题，需要进一步的处理。ＤＢ １１－８９１—２０１２《北京市居住建筑节能设计标准》明确规定供水温度不高于６０℃的燃气锅炉应设置烟气余热回收装置。一般做法是利用供热系统回水作为冷却介质吸收烟气中的热量。但受系统回水温度限制，经过烟气余热回收装置后，排烟温度约为６０～７０℃，比烟气露点温度高，常规烟气余热回收装置只能回收烟气中的显热，大量的潜热未被回收利用。
1水源热泵系统制冷制热工作原理
地球表面浅层水源吸收了太阳进入地球的辐射能量，这些水源的温度一般都十分稳定水源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取能量，由热泵通过空气或水作为传热物质提升温度后送到建筑物中通常水源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量水源热泵系统是由末端（室内空气处理末端等）系统，水源热泵系统和水源系统三部分组成。
为用户供热时，水源热泵系统从水源中提取低品位热能，通过电能驱动的水源热泵系统主机（制热）泵送到高温热源，以满足用户供热需求为用户供冷时，水源热泵系统将用户室内的热量通过水源热泵系统主机（制冷）转移到水源中，以满足用户制冷需求水源热泵根据对水源的利用方式的不同。水源热泵无论是在制热还是制冷过程中均以水为热源和冷却介质，即用切换工质回路来实现制热和制冷的运行。然而，更为方便的是由水回路中的四通电磁换向阀来完成。
图1 常规烟气余热回收利用系统示意图
2水源热泵技术的优点
1）节能。与电供暖相比减少70%以上的电力消耗。2）环保。无废气，废水，废渣产生，对环境无热效应产生。3）高效。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均可以节约用户30%～40%的供热制冷空调的运行费用。4）实惠。一套设备可供冷，可供热，其总投资额仅为传统空调系统的60%。5）运行稳定。可靠，维护方便。另外不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题，所以维护方便，使用寿命可长过20年以上。
3系统原理
普通燃气锅炉排烟温度约为１００～１５０℃（大火运行），通过加装烟气余热回收装置，利用系统回水可将烟气温度降低到６０～７０℃，锅炉效率为９５％左右。系统原理如图1所示。
水源热泵烟气余热深度回收利用系统采用双级烟气余热回收的方式，在锅炉尾部烟道加装两级烟气余热回收装置。一级烟气余热回收装置与常规烟气余热回收系统相同，利用供热系统二次网回水降低排烟温度、回收烟气显热；二级烟气余热回收装置利用自来水作为冷媒进一步降低排烟温度、回收烟气潜热。升温后的自来水作为水源热泵的低温热源进入蒸发器放热，二次网回水进入热泵冷
凝器吸热，升温后输送至二次网。一级烟气余热回收装置和水源热泵均与供热系统板式换热器并联运行。自来水温度升高５℃，排烟温度降低到３０℃以下，系统回水温度升高５℃。
3 环境效益分析
该技术可实现燃气供暖系统节省燃气１０％，按照供暖耗气量５０亿ｍ３计算，可节省燃气量５亿ｍ３，从而可减少ＮＯｘ排放量４７５ｔ，减少ＣＯ２排放量３３．３万ｔ。燃烧１ｍ３燃气约产生１．６ｋｇ水蒸气，按照２０１４—２０１５年度供暖季北京市供热燃气消耗量５０亿ｍ３计算，一个供暖季由燃气锅炉向大气中排放的水蒸气约为８００万ｔ。根据烟气焓湿图可知，排烟温度降低到３０℃时，水蒸气回收率达到８２％，即可以回收６５６ｔ的水蒸气，对于减缓供暖季雾霾的形成有非常重要的作用。
4存在问题及解决方法
经过对应用水源热泵燃气锅炉烟气余热回收系统的实际工程的分析可知，该系统具有很强的可实施性，具有非常可观的节能效果和环境效益，但同时也存在以下问题：１）电价峰值运行时，系统不具备经济性，投资回收期增长。２）既有燃气锅炉房富余电容量有限，而进行锅炉房电力增容投资较大，根据既有锅炉房的富余电容量选择热泵，不能充分发挥该系统深度回收烟气余热的技术优势。本文工程案例中，烟气温度只能降低到４０℃。３）使用普通中低温水源热泵（要求蒸发器侧出水温度低于２５℃，冷凝器侧出水温度为５５℃）、热泵停止运行后，经过二级烟气余热回收装置后水温持续升高，蒸发器侧水温超过２５℃时，热泵停运或者无法启动。
结论
该技术节能效果显著，可以提高燃料利用效率１０％以上。一级余热回收主要回收烟气显热，可以提高燃料利用效率约３％～５％，二级余热回收主要回收烟气潜热，可以提高燃料利用效率５％以上。
参考文献：
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[2]聂佳琪.水源热泵与燃气锅炉联合供热系统的方案研究[D].大连理工大学，2016.
[3]曹姗姗.再生水源热泵应用于供热系统的研究与评价[D].哈尔滨工业大学，2016.
论文作者:裴志超
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：烟气论文; 水源论文; 余热论文; 热泵论文; 系统论文; 温度论文; 燃气论文; 《基层建设》2018年第21期论文;