戴双林

（上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040）

0 引言

中国于2020 年9 月提出“中国将提高国家自主贡献力，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”，以应对全球气候变化[1]。针对这一包含“碳达峰”“碳中和”时间表的目标（简称“‘双碳’目标”），“十四五”规划纲要明确提出，未来5 年内，国内生产总值能源消耗降低13.5%，二氧化碳排放降低18%。在走向“碳达峰”的过程中，持续的“碳减排”是实现“双碳”目标的根本途径[1]。当前，我国能源利用仍然存在利用效率低、经济效益差等问题。节能减排、提高能源综合利用率，实现“双碳”目标主要依靠能源及工业领域。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70%[2]，除生产工艺亟待改进、产业结构需升级等因素外，工业余热利用率低，能源（能量）没有得到充分综合利用也是造成能耗高的重要原因，很大一部分的工业能耗以余热的形式被直接排放废弃。因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收率达60%[3]。企业在工业项目中，若能充分利用工业余热，可以减少能源的使用，节约成本，减少碳排放，具有良好的经济、社会及生态效益。2020 年我国能源消费产生的二氧化碳排放约为100 亿吨，其中煤炭消耗的排放占75%[4]。该项目建设地点位于北方某市，该城市电网的主要能源为火力，在“双碳”目标的背景下，该项目在设计建造时选择具有可再生或可回收的能源技术措施，如太阳能热水系统、余热回收装置等，不仅可节约企业的设备运营成本，具有良好的经济效益，而且为助力“双碳”目标以及经济社会的绿色低碳转型，提供切实可行的参考和示范作用。

1 项目背景

本项目建设地点位于北方某市，占地面积约200亩，主要生产和加工汽车配件，新建单体包括联合厂房一、联合厂房二、生活及办公综合楼、以及联合站房等配套建筑物。联合站房内建有空气站，供应联合厂房一、二的压缩空气。该项目的生活及办公楼为一栋三层建筑，占地面积1168m2，总建筑面积为3766m2，内设有食堂及淋浴间，全厂所有职工的生活热水基本集中在此栋建筑。因此需要设计一套供水压力稳定且节能的热水系统，在提供舒适热水供应的同时，还能有效地降低运行成本，节约能耗。

联合站房内设有三台26Nm3/min 喷油风冷螺杆式空压机，空压机冷却方式为风冷。螺杆空压机通过电机把电能转换为机械能带动螺杆机对空气进行压缩，释放大量的热能，据统计，螺杆机运行期间产生的热量之和大约相当于其输入电动率的75%[5]。这些热量首先通过空压机内的润滑油进行吸收，随后高温润滑油再将这些热量传递给风冷散热器，最终将所有热量释放到环境中。该部分热能若作为废热直接排放至大气中，不仅对环境造成污染，更是对能源的一种极大浪费。若将空压机在运行时所散发的废热能有效利用，可对企业节能减排有显著成效。因此经过综合考虑，对空压机进行余热回收的改造，在企业生产时段，该余热回收系统与空压机同步运行，制取热水后存储以供其使用。

2 余热回收—太阳能联合热水系统的设计

2.1 用水量统计及计算

该厂区供水水源为城市自来水，从地块北侧市政给水管网引入一路DN200 给水管，在厂区室外形成环状供水管网，提供全厂生活、生产用水及消防水池的补水，详细用水量详见表1。

表1 建筑用水量计算

全厂的生活热水均集中在生活及办公综合楼内，一楼设有淋浴间，共设有淋浴器87 个，食堂的操作间主要集中在一楼，二楼为备餐及就餐区域，管理人员的办公室设置在三楼。详细的热水用量详见表2。

表2 建筑用热水量计算

本建筑热水是全日制集中供应，通过表2 分析可得，最高日的淋浴热水用量占到总热水量的74%以上，平均日的淋浴热水用量占比更是达到了78%，且工人淋浴时间段固定，基本不与食堂的热水用水时段重叠，因此该热水系统计算时更接近定时集中热水供应系统。

2.2 余热回收—太阳能联合热水系统的设计

在联合站房内有3 台功率为160kW 的空压机，最大负荷运行情况下，可回收的热量约为288kW。空压机经余热回收改造后，高温润滑油将首先经过余热回收热水器的热源一侧，用以加热另外一侧的低温水，低温水吸热之后，温度升高，再排出余热回收机[5]。如此往复循环，将另一侧的低温水加热至60℃后，送至生活及办公综合楼屋顶的余热回收水热箱内储存。根据实际情况估算，空压机余热回收系统在正常工况下运行两班可制取60℃热水量约为20t，并不满足生活办公楼的平均日热水量需求，每日还需制取60℃热水量约为25t。

目前热水系统常用的加热方式为太阳能加空气源热泵，该地区平均气温12.7℃，极端最高气温38.4℃，极端最低气温-13.1℃。最冷月平均气温小于0℃，不宜采用空气源热泵作为辅助热源。

太阳能集热器总面积计算公式[6]：

其中：bj——集热器面积补偿系数取1；Jt——平均日太阳能辐照量取15900kJ/m2·d；ηj——集热器总面积的年平均集热效率取40%；η1——集热器的热损失取20%。

由于屋顶可利用面积的限制，所布置的太阳能集热器总面积约为150m2，按照温升45℃，根据公式计算所得，该系统的太阳能真空集热器日均产热水量约为4t/d，太阳能保证率仅为16%。考虑到厂区内有燃气供应，故在一楼设置一台燃气热水炉作为太阳能—余热回收联合热水系统的备用热源。该燃气热水炉的设计参数Q=0.47MW，其功率满足在没有太阳能助推的情况下，冬季冷水温度为4℃时，连续工作2h，可制取60℃的热水量约15t。

余热回收—太阳能联合热水系统流程图具体详见图1。本建筑为混凝土框架结构，结构可承载负荷较大，一至三层的建筑面积紧张，没有多余的房间放置冷、热水箱。故在屋顶设置冷、热水箱间，采用水泵—水箱联合供水方式，不仅供水压力稳定，而且能耗较低。余热回收热水箱和太阳能热水箱的出水管上都装有电动阀，通过热水箱内电子液位计上的远传信号，控制水箱出水。使用过程中，通过余热回收热水箱中的电子液位计进行实时监测，优先使用余热回收热水箱内的热水。当低于设定液位后，关闭余热回收热水箱出水管上的电动阀，联动打开太阳能热水箱出水管上的电动阀，保证最大限度地利用余热回收热水。

图1 热水系统流程

太阳能作为补充热源，由于太阳能保证率严重不足，故将太阳能集热器作为预热。当太阳能热水箱中的热水温度不满足使用要求时，启动燃气热水炉作为辅助热源。两座热水箱之间不设置联通管，只有在余热回收热水箱中热水使用完毕后，才启动打开太阳能热水箱的出水管上的电动阀。通过水量计算和热水控制系统的优化，保证在淋浴时间段内集中使用余热回收热水，减少了余热回收热水箱内热水的保温时间，有效保障了余热回收热水箱中的水温。热水系统回水管中的热水基本回流至太阳能热水箱中，而太阳能热水系统中有燃气热水炉作为辅助热源，可有效地保证水温恒定。该余热回收—太阳能联合热水系统，在节能的同时，还能有效保证水温的恒定，满足热水使用的舒适性。

3 经济效益与社会效益评价

本厂房按照两班制，一年工作时间按照251d 计，将对比分析热水系统是否设置余热回收装置的天然气耗量及碳排放量，分析结果如表3 所示。

表3 建筑用热水量计算

两台余热回收装置每年可以节约天然气约7×104Nm3，按照 3.5 元/Nm3价格估算，考虑厂区管道投资等，两台余热回收装置的静态回收期约为0.8 年，经济效益显著。该系统每年可以减少碳排放量约42t，为助力“双碳”目标以及经济社会的绿色低碳转型，提供切实可行的参考和示范。

4 余热回收—太阳能联合热水系统的特点

4.1 系统压力稳定，节能效果显著

通过热水量分析可得，最高日74%的热水量为淋浴使用，23%的热水量为食堂使用，淋浴与食堂的使用时段几乎不重叠。淋浴热水为定时集中热水供应，按照工业企业生活间的淋浴器同时给水百分数为100%计算，热水设计秒流量可高达8.7L/s。热水水量变化大，若采用恒压变频供水装置，会导致变频水泵严重偏离其高效区，水泵运行效率极低，造成电能的浪费。屋顶分别设置冷、热水箱，冷热水系统均采用水箱—水泵联合供水方式，冷热水同源，供水压力稳定，可以有效保证用水的舒适性。水泵—水箱联合供水，水泵长期在高效段运行，能耗比恒压变频供水方式低。

该套余热回收—太阳能联合热水系统，不将余热回收装置所制得的热水用于预热，整个余热回收系统为全自动运行，管道系统为单管直供。余热回收装置的热水出水水温可达60℃以上，满足使用要求，设置专门的余热回收热水箱，防止热水二次加热造成的热能损耗，可更高效地利用工业余热。

4.2 自动化程度高，便于管理操作

余热回收—太阳能联合热水系统，设置有独立的余热回收热水箱和太阳能热水箱，热水箱内均设置远传液位计，液位信号远传至中央控制面板，通过液位控制热水供水管道上的电动阀，实现自动控制两个热水箱的交替运行。本设计中，整个热水系统控制基本采用自动化控制，节省人力又便于操作和控制。

4.3 可改进的方向

该系统也存在一定的弊端，例如太阳能热水箱一直处于保温状态，如何根据热水箱的水温和水位进行实时监测后，更加合理的将太阳能与余热回收两套装置结合使用，以达到对余热回收和太阳能的充分利用，寻求技术方案的最优化和经济效益的最大化。