崔 高 峰

(中鐵十七局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原　030032)

1　問(wèn)題的引出

工程現(xiàn)有狀況生活洗浴熱水的熱源由礦區(qū)燃煤鍋爐房供給，在鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中，由于除塵、脫硫等設(shè)備的欠缺及設(shè)備的效率等問(wèn)題造成了大氣污染，部分研究認(rèn)為是霧霾產(chǎn)生的主要原因[1-3]。在環(huán)境持續(xù)惡化的前提下，相關(guān)部門(mén)相繼出臺(tái)了《關(guān)于京津冀及周邊地區(qū)大氣污染防治工作方案》等一系列的政策方案，要求取締不達(dá)標(biāo)的小型燃煤鍋爐，采用清潔能源(如燃?xì)?、電力、太?yáng)能等)取代，該工程位于取締范圍之內(nèi)，需重新考慮生活洗浴熱水的熱源。

2　工程生活洗浴熱水熱源分析

項(xiàng)目為某礦區(qū)職工浴室熱水供應(yīng)，該礦區(qū)職工實(shí)行三班制工作制度，浴室的熱負(fù)荷特點(diǎn)隨井下職工下班每天出現(xiàn)三次高峰期，開(kāi)始時(shí)間分別為8：00，16：00，24：00，此時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前必須儲(chǔ)存足夠量的熱水供井下職工洗浴使用。工程現(xiàn)狀周?chē)鸁o(wú)可供利用的廢熱和工業(yè)余熱，因此需要重新考慮生活洗浴熱水的熱源。本文從以下幾種熱源進(jìn)行分析。

2.1　采用太陽(yáng)能作為熱源

太陽(yáng)能是利用集熱器將太陽(yáng)的輻射熱量收集并儲(chǔ)存于水中供人們使用。太陽(yáng)能是一種可再生能源且無(wú)污染等眾多優(yōu)點(diǎn)受到人們的大量使用，但同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn)，如：1)對(duì)于夜間出現(xiàn)峰值負(fù)荷的系統(tǒng)需要白天儲(chǔ)存足夠的熱量；2)陰雨天時(shí)不能保證收集足夠的熱量供洗浴使用；3)為保證集熱器的收集效率，需要保證集熱器表面不能被異物覆蓋，而該工程位于礦區(qū)，粉塵作業(yè)較多等原因，運(yùn)行過(guò)程中為保證其清潔，需要人工沖洗集熱器表面，造成水資源浪費(fèi)以及人工成本的增加；4)部分地區(qū)的年日照數(shù)、極端最低氣溫低、太陽(yáng)輻射量小，不滿足太陽(yáng)能作為熱水的熱源。根據(jù)以上分析及該工程的實(shí)際情況，16：00以后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下降，8：00及24：00的洗浴熱水的熱量需要儲(chǔ)存于熱水水箱中，這樣會(huì)造成儲(chǔ)熱水箱容積偏大，占地面積大，造價(jià)偏高等問(wèn)題[4]，同時(shí)，該項(xiàng)目的熱源具有不間斷性，采用太陽(yáng)能時(shí)還需要配備必要的備用熱源供不時(shí)之需，因此不建議使用太陽(yáng)能作為該項(xiàng)目洗浴熱水的熱源。

2.2　采用燃?xì)忮仩t作為熱源

燃?xì)忮仩t是將燃?xì)獾幕瘜W(xué)能通過(guò)在爐內(nèi)燃燒的方式轉(zhuǎn)化為熱能，鍋內(nèi)的水吸收其熱量成為熱水供用戶使用。燃?xì)忮仩t具有清潔環(huán)保、運(yùn)行效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[5]，但也存在運(yùn)行費(fèi)用高、高峰期氣源不穩(wěn)定、需市政配套(市政燃?xì)夤艿?等缺點(diǎn)；大多數(shù)礦區(qū)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，距離城市氣源較遠(yuǎn)，需要建設(shè)長(zhǎng)距離輸送管道或者新建儲(chǔ)氣站等不利因素，故在此類工程中不推薦采用燃?xì)忮仩t作為洗浴熱水的熱源。對(duì)于高瓦斯礦井，由于可對(duì)礦井的瓦斯(其主要成分為甲烷)進(jìn)行回收利用，減少了很多不利因素，可以考慮采用燃?xì)?瓦斯)鍋爐作為熱源使用。

2.3　采用電熱鍋爐作為熱源

電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存于水中。電能為清潔能源，不會(huì)對(duì)大氣環(huán)境等造成污染，作為洗浴熱源其優(yōu)點(diǎn)有熱效率高、安裝方便、占地面積小、運(yùn)行控制方便[6]，缺點(diǎn)是運(yùn)行成本非常高，適合有峰谷電價(jià)地區(qū)；對(duì)于改造工程，其電力容量的預(yù)留量也是需要考慮的因素；根據(jù)以上分析，該項(xiàng)目不適合采用電熱鍋爐作為熱源。

2.4　采用空氣源熱泵機(jī)組作為熱源

空氣源熱泵機(jī)組的工作原理是制冷劑從低溫空氣中吸收熱量，通過(guò)電力等對(duì)壓縮機(jī)做功，將空氣中這部分熱量由低溫傳向高溫，高溫的制冷劑加熱水之后成為低溫高壓的液體，通過(guò)節(jié)流閥等設(shè)備后成為低溫低壓的氣液混合流(其溫度低于室外空氣的溫度)，再?gòu)目諝庵形諢崃浚瓿梢粋€(gè)熱泵循環(huán)[7]。根據(jù)空氣源熱泵的工作原理可知其優(yōu)點(diǎn)為環(huán)保(采用環(huán)保型的制冷劑)、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低等，近年來(lái)這些優(yōu)點(diǎn)普遍受到人們的關(guān)注，越來(lái)越多的人們選擇使用它作為小型洗浴熱水的熱源或用它作為太陽(yáng)能等生活熱水系統(tǒng)的輔助熱源。同時(shí)，從其工作原理中也可看出它的缺點(diǎn)：1)室外環(huán)境溫度對(duì)其能效(性能系數(shù)COP)影響較大；環(huán)境溫度越低，其能效系數(shù)越低；對(duì)于常用的制冷劑，其蒸發(fā)溫度一定，正常工作環(huán)境溫度在-10 ℃～40 ℃之間，低于-10 ℃時(shí)，可采用低溫空氣源熱泵機(jī)組。當(dāng)室外溫度進(jìn)一步更低時(shí)，有可能造成機(jī)組無(wú)法啟動(dòng)；2)在北方地區(qū)，機(jī)組冬季運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜，這就需要機(jī)組具有可靠的融霜技術(shù)，融霜過(guò)程中熱泵機(jī)組逆向運(yùn)行，產(chǎn)生的熱量用于融霜，這部分熱量不可以利用，相比華東、華南等長(zhǎng)江以南地區(qū)減少了機(jī)組輸出的熱量；3)機(jī)組的壓縮機(jī)易燒壞?？諝庠礋岜脵C(jī)組大多采用循環(huán)式加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在高溫高壓工況下運(yùn)行，容易使壓縮機(jī)老化、碳化，同時(shí)系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果不好，導(dǎo)致壓縮機(jī)易被燒壞。該工程位于北方寒冷地區(qū)，其冬季室外計(jì)算干球溫度為-13 ℃，為生活熱水提供熱源時(shí)，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較該工程的熱源不適用空氣源熱泵機(jī)組。

2.5　采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源

污水源熱泵機(jī)組的工作原理是以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后的洗浴廢水作為熱源，通過(guò)電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)把廢水中的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏臒崮軄?lái)加熱自來(lái)水，制備洗浴所需的熱水[8,9]。其工作原理與空氣源熱泵相似，其低溫端熱源不同；與空氣源熱泵機(jī)組相比，污水源熱泵機(jī)組的低溫端熱源為洗浴廢水，排水溫度約為32 ℃～35 ℃，基本不受氣候的影響，排水溫度穩(wěn)定。與其他系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1)系統(tǒng)的能效比高[10,11]。在整個(gè)過(guò)程中機(jī)組的性能系數(shù)COP可達(dá)到4～6，即輸入1 kW的電能，可得到4 kW～6 kW的熱能；與空氣源熱泵機(jī)組相比，污水源熱泵機(jī)組解決了冬季室外溫度低時(shí)，停機(jī)以及融霜頻繁的技術(shù)難題。由于洗浴廢水排水溫度恒定，使得污水源熱泵機(jī)組工作性能穩(wěn)定，其性能系數(shù)約高出冬季北方地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組40%；與電鍋爐相比，可節(jié)省60%的電能，與燃?xì)忮仩t相比，其運(yùn)行成本可降低30%；2)具有較高的環(huán)保效益[8,9]。通過(guò)污水源熱泵機(jī)組回收洗浴廢水中儲(chǔ)存的低溫?zé)崮?，為全年洗浴熱水提供熱源，?shí)現(xiàn)了廢熱的回收利用，屬于可再生能源范圍；3)利用洗浴廢水的污水源熱泵系統(tǒng)初投資適中。與地下水源熱泵相比，污水源熱泵系統(tǒng)利用的是洗浴廢水，不必抽取地下水，同時(shí)也不用回灌，節(jié)省了打井的基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用[9]。與電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t及太陽(yáng)能等系統(tǒng)相比，污水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備集成度及自動(dòng)化程度高，占地面積小，從而可以節(jié)省土建費(fèi)用。同時(shí)，該系統(tǒng)也存在一定的缺陷:1)系統(tǒng)首次運(yùn)行時(shí)無(wú)洗浴廢水可利用，建議首次運(yùn)行時(shí)選擇在夏季運(yùn)行或申請(qǐng)利用城市污水等；2)系統(tǒng)需要不間斷運(yùn)行，即污水排出后，不能降溫幅度過(guò)大，或者制出的熱水應(yīng)盡快利用，限制了污水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。若有城市污水管網(wǎng)可利用則不受限制，但其初投資較高。對(duì)于本項(xiàng)目，洗浴人數(shù)較多，水質(zhì)、水溫、水量變化較為規(guī)律，系統(tǒng)常年運(yùn)行，經(jīng)過(guò)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析，此類工程推薦采用污水源熱泵機(jī)組為生活洗浴提供熱源。

3　結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)保政策的實(shí)施，國(guó)家及地方政策要求取締小型燃煤鍋爐，本文針對(duì)礦浴室熱源提出五種選擇，逐一分析其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況，認(rèn)為此類項(xiàng)目采用污水源熱泵機(jī)組作為熱源比較合理。

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