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冷热水供应系统安装热泵节能改造方案摘要据统计，中国的能源使用效率仅为美国的26.9%，日本的11.5%。因此，推进节能减排，可谓迫在眉睫。本文针对企业实际节能案例，用科学的方法对用户的能耗状况进行分析和诊断，提出安装热泵节能方案，在节能减排方面的实际运用，并进行投资预算分析。关键词节能环保热泵设计余热回收目录一.热泵简介......................................................3二.背景...........................................................5三.方案设计.......................................................53.1热负荷计算...................................................53.2系统设计.....................................................63.3设备选型.....................................................10四.运行控制策略...................................................12五.投资估算.......................................................15六.总结...........................................................151．热泵1.1热泵简介HeatPump人们所熟悉的“泵”是一种可以提高位能的机械设备，比如水泵主要是将水从低位抽到高位。而“热泵”是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，提供可被人们所用的高品位热能的装置。具体工作过程[1]如下：①过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气体媒体。②蒸发器出来的气体媒体液压缩机的压缩，变为高温高压的气体媒体。③高温高压的气体媒体在冷凝器中将热能释放给给高温物体、同时自身变为高压液体媒体。④高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。热泵的性能一般用成绩系数(COP)来评价。成绩系数的定义为由低温物体传到高温牧体的热量与所需的动力之比。通常热泵的成绩系数为3-4左右，也就是说，热泵能够将自身所需能量的3到4倍的热能从低温物体传送到高温物体。2．背景本案工厂目前有两条生产线，安装五台冰水机组（三台920TR，一台670TR，一台420TR），用于供冷（生产线工艺和空调均需供冷）。然而，工厂生产工艺需要常年供冷（冬季一般要开670RT机组），同时需要供热的场合：如洗净机500kw，温纯水245kw，温纯水245kw，一条线共需1000KW制热量；两条线需求制热量1500kW，目前的热源仍来自锅炉。我们建议可以利用水源热泵回收冰水回水（约12℃）中的热量制出热水，来提供现场生产所需热水；另一方面冰水温度降低（约7℃），可直接满足中央空调系统除湿、制冷及现场工艺使用需要，一举两得，很大的提高了能源的使用效率。3．方案设计3.1热负荷计算热水温度、流量及热量估算如下表：项目温纯水1温纯水2洗净池1洗净池2洗净池3供水温度要求40度45度55度45度55度混合、回水温度33度38度20度40度20度水量(m3/h)3030200L/min100L/min16L/min补水量(m3/h)881260.96热负荷(kW)2452454903540表1因此，系统总热负荷约1055kW左右，开两条线时系统总热负荷约1545kW左右。另根据现场提供数据，即使在冬季最冷月都有约600RT的冷负荷。3.2系统设计本项目热泵设计主要依据现场热负荷设计，首先满足现场供热水需要，冷冻水的生产随供热量的变化而变化，不足部分冷冻水仍由原冰水机提供。改造原则不影响原系统相关设备的正常运行。可行的改造方案是：安装3台热泵机组(2用1备)，从原冰水系统的冷冻水回水管中引出约12℃的冷冻水回水，作为热泵水源，冷冻水热量被热泵吸收后，温度降到约7℃后，仍送回原冰水系统的冷冻水回水管中，不直接送回原冰水系统的冷冻水送水管中，直接供应中央空调及现场设备使用，是为防止因热泵工作故障，制出的冰水达不到7℃，影响客户原系统的正常运行，制出的冷冻水送回原冰水系统的冷冻水回水管中与送回原冰水机送水管路同样大大降低冰水机的负荷，达到节能的目的；热泵制出热水送到蓄热池，再由水泵分别送往各用水设备。热泵制冷侧可以提供350RT的冷量，制热侧可提供45℃～55℃供水。相对于锅炉，热泵以电为动力，具有安装方便、施工周期短、占地面积少、无需燃料堆放场所、无排渣的运输费用及三废处理开支、无需专门值班人员及年检等优势。本方案主要需求设备：水源热泵机组3台冷冻水泵3台变频供水泵2台回水泵4台自动控制系统（含温度、压力传感器）1套系统工作原理：开1条生产线时，开1#或2#热泵，两台备用，特别当热负荷很低时可以只开3#热泵。开2条线时，可以任何两台主机组合投入运行，另一台备用。主机生产的冷冻水，通过管路连接到主机房原空调系统的回水管与原来的串联，给生产供冷，这样不仅可以保证，热泵稳定运行，原来空调机组还可以根据现场负荷进行加减载。主机生产的55℃热水直接供到温水蓄水池里，若水温不够，就回到回水池构成一个循环。然后根据现场需求，由供水泵把55℃热水分别供到温纯水及洗净池。热水到温纯水池时，通过恒温阀调至现场需求水温供水。当现场开机前或生产暂时停机水池水温降时，回水泵自动开启把水池的水抽回蓄水池，同时热水补水管给水池补水，保证任何时候水池温度都能达到现场需求；1#洗净池水不能循环利用，补水直接通过恒温阀调至现场需求水温供水，2#洗净池水温可以通过一个盘管热交换来实现，1#洗净池水排到2#洗净池时，可以通过一个盘管热交换来实现需求温度，当现场开机前或生产暂时停机水水池水温降时，电磁阀自动开启把水池的水排出，同时热水补水管给水池补水，保证任何时候水池温度都能达到现场需求；3#洗净池虽然使用温度比较高，但其用水量很少，没有必要把系统整体热水生产到60℃（这样非常浪费耗能，并且对主机等设备更无利），只要提供55℃热水，然后根据现场需求增加十几千瓦的辅助电加热就可以了。若开机前可以通过控制排出冷水，直接补充热水。系统原理图如下：50℃55℃50℃12℃7℃水箱55℃补水电磁阀(液位控制)43℃±2℃锥管洗净机50℃±5℃36℃±23#SC温纯水3#BC温纯水12℃7℃CHILLER12℃7℃43±2℃T36℃±236℃±24#SC温纯水4#BC温纯水纯水补水纯水补水纯水补水纯水补水纯水补水55℃55℃55℃55℃送现场温纯水回水送现场温纯水回水送现场温纯水回水送现场温纯水回水恒温阀T恒温阀43±2℃T36℃±2恒温阀T恒温阀43±2℃T恒温阀50±5℃锥管洗净机45℃±5℃T恒温阀45±5℃55℃55℃20℃20℃20℃20℃20℃20℃60±10℃PM洗净机55℃温纯水回水温纯水送水55℃变频3#590kw2#1059kw1#1059kw纯水补水纯水补水TTTTTTTT冷冻水回水冷冻水分配器冷冻水集水器1#水源热泵2#水源热泵3#水源热泵辅助加热50℃TT图23.3设备选型水源热泵选型依据按照最不利工况，如下：供热水温度：55度；回水温度：50度；最高负荷热量：1400kW蒸发器进水温度：12度；蒸发器出水温度：7度。4．运行控制策略为实现工程设施管理的现代化，和最佳的节能需求，根据所提供之图纸需求，自控系统管理系统应具有技术先进、性能稳定、安全可靠等特点，并且操作简单、维护方便、扩展灵活，以满足项目运营、管理的需要。由于系统是制热同时提供冷量，因此系统运行在常规热泵模式下，就可以满足要求。控制说明：根据冷冻水供、回水压差控制旁通阀，使压差达到设定值，保证供回水压差稳定。当一台水泵发生故障时，备用泵及机组会自动投入运行；累计设备运行时间，按照运行时间均等机制交替启停机组，使各台机组平均运行时间相等，从而延长了机组设备的使用寿命。根据预先编排的时间表，按“迟开机早关机”原则控制冷冻机组的启停以达到节能的目的；各联动设备的启停程序包括一个可调整的延迟时间功能，以配合系统内各装置的特性；冷冻水泵控制满足热泵主机最小水流量要求。冷读取热泵主机内部参数，根据最佳主机效能比，对冷冻水出水温度进行再设定。系统中各设备及附件的启停设置电气联锁控制时的顺序是：系统启动时，电动水阀、冷水泵先于冷水机组启动，冷水机组在冷水水流得以证实后起机。系统停机时上述顺序相反。.生产的热水通过水泵及各控制阀来调节现场需求温度。本工程供水系统设计配备2台供水泵。4台回水泵。控制说明：通过安装在制冷机房内的直接数字式控制器现场控制盘CP按内部预先编写的软件程序来进行供水系统相关设备的群控：根据供、回水压差控制，调节供水泵的频率，节约供水泵的能量。监控恒温阀及水池的温度参数。累计设备运行时间，按照运行时间均等机制交替启停机组，使各台机组平均运行时间相等，从而延长了机组设备的使用寿命。根据预先编排的时间表，按“迟开机早关机”原则控制冷冻机组的启停以达到节能的目的；当现场开机前或生产暂时停机水水池水温降时，回水泵自动开启把水池的水抽回蓄水池，同时热水补水管阀门打开。PM开机前可以通过控制打开排出冷水，同时打开补充热水。根据现场需求控制辅助加热器。5．投资估算具估算本案投资约2427000元。现场开机每天24小时运行，电费按0.62计，需求热负荷1545KW，热泵等设备功率约300KW。热泵提供的制冷量（784+440）=1224KW=350RT，制冷机组COP取5.2则1224/5.2=235KW。回收期：2427000/（0.62*（1545+235-306-171）*24）=125天合计4.2个月回收成本。6.总结本冷热水供水节能改造工程,在不破坏客户使用设备的基础上,整体方案能结合客户实际需求,达到最佳节能效果。且控制相对简单有效，投入设备运行稳定,控制逻辑合理，是节能工程回收的最佳保证.参考文献[1]7-5025-8133-2陈东，谢继红.热泵技术及其应用.北京：化学工业出版社，2006.3-4