污水源热泵用于集中供暖的技术经济分析

污水源热泵用于集中供暖的技术经济分析摘要：污水源热泵技术正在越来越得到人们的关注。本文提出了利用污水源热泵技术代替传统供热锅炉方案用于集中供暖的方案。并且以武汉某居住小区为例，评价了污水源热泵用于冬季集中供暖的经济性，和其它供暖形式相比较得出了乐观的结论。并且根据污水源热泵的特点对污水源热泵技术应用于集中供暖提出了具体可行的改进方法，以进一步提高污水源热泵机组的经济性和可行性。关键词：污水源热泵；集中供暖；技术经济分析0引言年来，在暖通空调领域，污水源热泵的发展越来越得到人们的关注。虽然污水源热泵技术在国外早有应用[1]，但其在国内也是近年来才有了长足的发展。污水源热泵是利用城市污水作为冷热源的水源热泵，由于城市污水的一系列特点[2]，使得污水源热泵在节能性和环保性等方面较传统热泵机组形式有较大的优势。由于城市污水在冬季的温度较其它热泵空调的热源要高很多，在使用高温水源热泵机组的情况下，热泵机组出水温度可达到直接供暖的要求，所以在冬季利用污水源热泵供暖是一项非常有潜力的技术。本文以在冬季利用污水源热作为小区供暖热源方案，和普通供暖锅炉方案作一个定量的技术经济分析。比较对象为现在比较常用的几种集中采暖形式：燃煤锅炉、燃气锅炉和燃油锅炉。1集中供暖条件的确定1.1集中供暖概况武汉市是我国著名的重工业特大城市，每年污水排放量非常大。而且武汉市气候特征为夏季炎热，冬季湿冷。但是由于武汉市一般累年日平均温度低于或等于5℃的日数为59天[3]，没有达到60天的最低供暖要求，所以不属于国家强制冬季集中采暖城市。但是随着人民生活水平的日益提高，对冬季采暖的要求也日渐强烈。在当前大规模的城市供热管网没有修建之前，在各小区建设集中供暖使用的锅炉房或热泵房是最佳选择。本章以武汉市已建成的某小区为研究对象，该小区总供暖面积为50000m2，供暖热指标按60W/m2计算[4]。1.2计算供暖热负荷为正确计算该小区在采暖时期的热负荷，采用绘制热负荷延续时间图[5]的方法。供暖热负荷延续时间图的数学表达式如下。'0'1nnQRQQbnnzhNNN55（1）''05wnwttt（2）式中'nQ、nQ――供暖设计热负荷和在室外温度wt下的供暖热负荷；nt――供暖室内计算温度，取nt＝18℃根据相关资料[6]，查得武汉地区气象资料，'wt＝-2℃，pjt＝2℃，zhN＝59天。代入式（1）、（2）可得到不同采暖室外计算温度下的采暖热负荷计算公式：'6726.0'])545(35.01[nnQNQQn5955NN（3）该小区的供暖设计热负荷为3MW，根据式（3）可以得出在一个供暖周期（一年）内总的耗热量mQ：559]6726.1)5(072.03[0536726.1590NNNdNQQnmGJ41024.1（4）2供热系统的经济性评价2.1工程经济评价标准由于本文涉及的各个供暖方案具有不同的寿命周期，所以本文采用费用年值法对各个采暖系统进行经济性评价比较。费用年值法的计算公式为[7]：YniFAFniPACAW),,/(),,/(0（5）YFiiiiFCYiiFiiiCnnnnn1)1()1()(1)1(1)1()1(00式中AW(AnnualWorth)――费用年值（元）；C0――初投资（元）；F――残值；i――回收率，一般取5％；n――折旧年限（年），对于热力系统折旧年限为20年；Y――年运行费用（元）。2.2各供暖方案的初投资计算本章节主要是比较污水源热泵与其它几种供暖形式的经济性，只考虑机房部分的经济性差异，对于供暖末端而言是相同的。所以初投资不考虑末端设备。初投资包括有：设备价格费，根据文献[8]，可以将各方案的设备购置价格表示为设计供暖热负荷'nQ(MW)的函数，见表1。污水源热泵供暖方案中，设备价格还应包括输送低位热源（污水）的管网投资、水泵投资以及低位热源（污水）换热器的投资。表1设备价格表设备名称污水热泵+换热器燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉价格（万元）168.6'nQ10'nQ16.33'nQ-116.8'nQ还应包括：安装工程费，取总费用的5％。设备工器具购置费，按设备总费用的1％。由于污水源热泵供热系统（高温热泵系统）的供回水温度为85/70℃，而三种传统供热方案的供回水温度均为95/70℃，在对室内提供相同供热量时，高温热泵供热方案需要增加室内散热器的面积或选择传热系数更高的散热器，因此需要相应增加室内采暖系统的初投资所占的比例。污水源热泵方案中，室内供暖系统初投资的增加值和污水管网的投资均计入初投资比较表2中。表2四种供热方案的初投资比较方案设备费（万元）安装工程费（万元）土建费（万元）室内供热系统增容费（万元）污水管网敷设费（万元）合计（万元）残值（万元）方案一505.82.2203353421.4方案二3013.43073.42.94方案三484.51870.52.82方案四50.44.51872.92.92注：取热泵站离污水干渠或处理站的距离500米，污水管网敷设费按6万元/km计算。2.3各供暖方案的运行费计算各供暖方案在运行的寿命周期内，会产生各种各样的成本。包括燃料费、人工费、折旧费等等。并不是初投资低的方案就一定划算，只有在整个寿命周期内都表现出良好的经济性的方案才是最佳方案。其中污水源热泵不包括燃料费，其它三种方案均需要消耗燃料。武汉地区燃煤、燃油和天然气的价格见表3。表3各种燃料比较表项目燃煤燃油天然气燃料低发热值20.93MJ/kg41.86MJ/kg33.0MJ/Nm3锅炉热效率（％）758588燃料单价230元/t1800元/t2.3元/Nm3各方案电费、水费或燃料费的计算污水源热泵为电机驱动，整个供暖周期内耗电量Qe(kWh)为：hmNihieCOPQCOPQQzh124（6）则供暖用电费Y1为：eeQPY1（7）式中Pe――电价元/kWh，武汉市实行分时电费制度,6～22时电费单价0.525元/kWh，夜间电费单价为0.26元/kWh,供暖季节按每天不间断供暖24h计算。综合后电价按0.44元/kWh计算。对于锅炉方案，均需要燃烧燃料，整个供暖周期内燃料费Y2为：PQQPQQPGYmNiizh4.86100036002412（8）式中P――燃料单价；G――锅炉每年燃料消耗量；Q――燃料的低发热值，具体参数见表4；――锅炉效率。还应包括：维修费＝固定资产原值×维修费率，维修费率按2.5％计算。人工费及福利费，人工费包括生产和管理人员的工资，取每人每年9600元。热泵站供暖定员为10人，煤锅炉房供暖定员为20人，燃油燃气锅炉房供暖定员为16人。其它费用，指上述费用中没有包括的费用，如办公费、差旅费、科研教育经费及生产流动资金贷款利息等。其它费用估算一般按单位供热量指标估算，计算式为：供热总量×单位供热量费用指标其中，单位供热量其它费用指标取1~2.5元/GJ。5、根据以上的计算方法，得出各方案每年的总运行费用，见表4。表4四种供热方案的年运行费用比较方案电费（万元）燃料费（万元）水费（万元）人工费（万元）其它费用（万元）合计（万元）方案一30.30010.91.2442.44方案二5.2018.20.6221.91.2447.16方案三5.2062.70.6217.51.2487.26方案四5.2098.20.6217.51.24122.85.2.4各供暖方案的综合经济性比较上面两节分别计算出了这四种供暖方案的初投资费用和年运行费用。现根据式（5），可以计算出在一个寿命周期内，这四种供暖方案的年费用值，具体比较结果见表5。表5四种供热方案的年投资费用比较项目污水源热泵燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉供回水温度（℃）85/7095/7095/7095/70初投资（万元）53473.470.572.9残值（万元）21.42.942.822.92运行费用（万元/年）42.4447.1687.26122.8费用年值（万元）84.8152.9592.81128.5污水热泵方案与锅炉方案的比较结果如表6所示，该表充分说明了四种供热方案在经济上的差异性。从单位面积运行费用和费用年值上分析，污水源热泵供热方案的经济性好于燃油燃气锅炉供热方案，可应用于集中供暖热源改造项目中。但在目前的煤电价比条件下，利用高温热泵的污水源供暖方案不能与常规的燃煤锅炉供热方案相竞争。但是在环境污染问题日渐严重的大背景下，鉴于燃煤锅炉所产生的大量有害气体目前还没有很好的解决方案污，而污水源热泵有优秀的环保性能。综合比较污水源热泵有很好的可行性。3污水源热泵供热系统的技术改进近年来，地板辐射采暖已经走进平常百姓人家。地板辐射采暖有着普通供暖用散热器不能比拟的优势。它没有普通散热器的漏、滴、脏等缺点，也不占用房间的使用面积。并且供暖效果好，给人以脚暖头凉的舒适感。在达到相同采暖效果时，地板辐射采暖的室内计算温度可以比对流采暖的室内计算温度稍低，从而降低了能耗。更为重要的是地板辐射采暖所需的供回水温度低于普通散热片的供回水温度。地板辐射采暖的供回水温度一般只需要达到50/45℃即可。如果以污水源热泵作为地板辐射采暖的热源，和常规散热器相比，可将高温水源热泵换成中低温水源热泵，中低温水源热泵的价格相对于高温水源热泵要低很多，为降低经济成本创造了空间。根据上面的计算方法可以得到在利用中低温水源热泵作为污水源热泵机组与其它方案的经济性（热源端）比较，见表6。表6污水源热泵（中低温）与其它方案年投资费用比较项目污水源热泵（中低温）污水源热泵（高温）燃煤锅炉燃油锅炉供回水温度（℃）55/4585/7095/7095/70初投资（万元）218.254473.470.5运行费用（万元/年）47.3742.4447.1687.26费用年值（万元）64.5685.3152.9592.81根据上表可以看出，如果末端改进为地板辐射采暖，采用污水源热泵的方案的费用年值（热源端）较常规方案有明显的下降。其与燃煤锅炉方案的费用年值比例从161％降低到122％，降幅接达24.2％。这使污水源热泵在经济性上面的竞争力大大增强。但是地板辐射采暖在末端的投资要高于常规散热片，所以在总投资费用上还是会上升。4结论1、在武汉地区现在还没有大面积敷设热力管网的情况下，各住宅小区自行设置集中供暖系统是大势所趋，而其中污水源热泵供热系统应该占有一席之地。2、从经济性上分析，污水源热泵供暖系统的运行费用为四种方案中最低的，但是其年费用值仍然高于燃煤锅炉供暖系统，却低于燃油锅炉和燃气锅炉供热系统。主要原因是由于污水源热泵供暖系统所需的高温热泵购置费非常高，很大程度地增加了其成本。3、针对城市污水的热力特性，如果在供暖系统中将普通散热片改进为地板辐射采暖系统。因为地板辐射采暖系统要求的供回水温度较低，可用中低温热泵代替高温源热泵，这样可大大降低热泵机组的购置费用，从而使污水源热泵的年费用值大大接近经济性最好的燃煤锅炉。参考文献[]吴荣华,孙德兴,城市污水冷热源应用技术发展状况研究.暖通空调,2005,35(6),31-37.[2]尹军,陈雷,王鹤立.城市污水的资源再生及热能回收利用.北京:化学工业出版社,2003.[3]GB50019-2003,采暖通风与空气调节设计规范[S].[4]全国民用建筑工程设计技术措施(暖通空调-动力)[M],2003年版[5]贺平,孙刚,供热工程[M],中国建筑工业出版社.1993[6]电子工业部第十设计研究院,空气调节设计手册[M],中国建筑工业出版社.1996[7]李惠强,土木工程经济与管理[M],华中理工大学出版社.1994[8]张亚立,污水水源中高温热泵机组模拟及区域供热技术经济分析[D],硕士学位论文.2002