節能服務

高校多能互補終端一體化集成供能系統實踐案例

作者:合肥順昌企業日期:2016-12-28來源:www.cnjsc.com

 一、前言

北方某高校新建學生公寓區,總建設用地9.4萬平方米、總建筑面積17.5萬平方米,包括5棟小高層學生公寓、國際交流中心,以及配套的餐飲洗浴中心、體育館、網球場、學生服務中心等,規劃1.2萬名學生入住,提供學生集中飲用開水、洗浴熱水和冬季供暖,此外食堂也需要熱水供應等熱能需求。經反復考察論證,確定了燃氣、太陽能熱水系統、食堂爐灶煙氣余熱回收共享互補的集成能源系統方案,由合肥順昌分布式能源公司負責實施。

二、燃氣熱水機組供熱

該校所處嚴寒C區,采暖期6個月,已有的三個校區都接入市政采暖,按面積交費,每年支付采暖費用數千萬元,負擔較重。盡管學校不斷進行二次管網改造,但室內溫度難以達標,與熱力公司扯皮糾紛情況時有發生。

新建學生公寓區原設計也是接入市政供熱,鑒于其它校區供暖教訓,學校決定采用燃氣自行供熱。理由如下:

1)支付熱力公司的供熱配套建設費,可以完全滿足購買自供暖燃氣熱水系統設備的投入;

2)新校區所有建筑嚴格遵守相關規范標準設計,寒假期間并不需要常規供熱;即使是學生在校期間,體育館、食堂等公共建筑不需要24小時恒溫供熱,只需要在使用時段保證室內溫度即可,因此耗費能源并不高;

3)按照當前燃氣價格,采取自動化控制手段,自供暖費用低于市政供熱;即便略高于市政供熱,但供熱質量有保證保障,提供師生溫暖的冬季學習生活環境。

設計安裝3臺燃氣熱水機組,總輸出熱功率11.2MW,配備煙氣冷凝裝置,熱效率95%以上,模塊化控制,按照負荷自動選取燃氣機組啟動臺數,自動均勻機組負荷;通過供熱水溫比例調節鍋爐出力;根據環境溫度補償控制,動態調整供熱水溫;在每個樓棟設計安裝獨立的末端控制,設定分時段室內溫度來控制實現各個樓棟精準的熱量供給。通過上述控制手段,既充分保證供熱效果,又能實現有效的節能。

三、太陽能熱水系統

太陽能光熱是目前太陽能各種利用方式中僅有的可以完全市場化的技術。該地屬我國太陽能資源Ⅱ類較豐富地區,光照充足。由于在餐飲中心的二、三層設有學生集中浴室,在餐飲中心屋面安裝太陽能集熱器提供洗浴熱水,按系統造價,相對本地燃氣價格,太陽能熱水系統投資回收期約4年,具有顯著的節能減排效益。

北方地區不少太陽能熱水系統一到冬季因為這樣那樣的問題而被迫停用,最常見的就是伴熱帶燒損、管道或閥門凍脹、集熱器或管子爆裂,輕者直到次年氣溫回升后才能修復運行,嚴重的需要進行大規模的更換和再安裝,且這種故障幾乎都會出現,維護成本高,系統的經濟性差。因此選擇什么樣的太陽能集熱器型式、什么樣的系統,對于北方用戶來說至關重要。

全玻璃雙真空集熱器造價相對低、衰減緩慢、可保持較持久的集熱效率、管子內無水存在,適合冬季排空及抗凍要求,即使管子破損不影響系統運行。我們在某寒冷的學校安裝了該太陽能熱水系統,采用排空而不是伴熱帶抗凍,在-35℃氣溫下系統運行正常,運行經濟性很強。其優點在于,采用排空方式抗凍,避免了伴熱帶的耗電;管道內存水回流到儲熱水箱減小了集熱系統散熱損失;系統每天毋需從很低的水溫開始升溫,經濟性提升。設計中,采取全年排空,充分發揮了太陽能集熱系統效率。有了可靠的實踐經驗,在新學生公寓區太陽能系統確定使用雙真空熱管式全玻璃集熱器。

由于各地的生活習慣不盡相同,測算1.2萬名學生日洗浴熱水用量約80~100噸。學生餐飲中心屋面實際最大化布置太陽能集熱器352組集熱面積1320平方米,分三個片區,年日均可提供約107噸熱水,考慮到一年中陰雨雪天氣較少,只有冬天因為太陽能光照相對差、初始自來水溫度較低、需要的洗浴水溫高、管道散熱較多而不能全部滿足要求外,其它季節完全滿足洗浴熱水需求,不需要其它能源補充。

四、食堂燃氣爐灶煙氣余熱回收

食堂炊事的同時,還需要大量熱水用于冷凍食品解凍、洗菜、清洗餐具、刷鍋、沖洗地面油污等,通常還需要額外的設備制備熱水。而通過燃氣爐灶煙氣的熱能回收基本可以滿足上述熱水需求,即使有剩余,還可以向蒸飯箱加入較高溫度的水煮飯來縮短煮飯時間和提高米飯口感,另外還可以提高蒸發器、開水器等加熱設備的初始水溫等方法進行消化利用。也可送往生活熱水系統,與衛生熱水進行統一調配。既提高了燃氣爐灶的能源效率、也解決了炊事等場合的熱水需求,同時降低了排煙溫度而改善了炊事場所工作環境、消除了火災隱患、減輕了食堂排煙系統負擔。

在不影響爐灶正常使用效果和使用效率、不進行大的改動前提下,采取在每臺爐灶排煙口加裝煙氣余熱回收裝置來制備熱水。自來水接入到裝置下部,同時安裝有電磁閥,上部熱水出口安裝溫度傳感器,當水溫達到設定值時,電磁閥自動打開上水,將熱水從裝置內頂出,匯合到總管后送往保溫水箱儲存,一旦裝置出水溫度低于設定溫度時,電磁閥關閉。儲熱水箱水再通過變頻水泵送往各個熱水使用點。

餐飲中心食堂配備了38眼燃氣大鍋灶及炒灶。大鍋灶及炒灶燃氣用量平均約5.5m³/h·眼,廚師為加快炊事速度,往往在猛火下使用,爐灶排煙口溫度超過600℃,至少有40%以上的熱量由排煙口直接排出,能源浪費嚴重。利用余熱回收裝置將排煙溫度下降到150℃,至少可獲得25%的燃氣總熱能,學生年在校時間煙氣余熱回收全年可節省大約7萬立方米的燃氣,每年可節省燃氣費用12萬元左右,不到兩年即可收回煙氣余熱回收系統的全部投資。

五、系統集成與互補

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

燃氣機組供暖、太陽能熱水、燃氣爐灶煙氣余熱回收一體化集成供能系統流程圖

⑴太陽能集熱器 ⑵燃氣采暖熱水機組 ⑶生活熱水燃氣機組 ⑷炊用燃氣爐灶 ⑸集熱水箱 ⑹恒溫水箱 ⑺燃氣爐灶煙氣余熱儲熱水箱 ⑻軟化水裝置 ⑼軟化水箱 ⑽太陽能集熱循環泵 (11)太陽能換熱泵 (12)生活熱水燃氣機組換熱泵 (13)洗浴供水泵 (14)食堂熱水供應泵 (15)食堂地暖循環泵 (16)采暖循環泵 (17)采暖燃氣機組換熱泵 (18)定壓補水泵 (19)太陽能與洗浴熱水換熱器 (20)生活燃氣機組與洗浴熱水換熱器 (21)太陽能與食堂地暖換熱器 (22)分水器 (23)集水器

餐飲中心緊鄰西側為地下鍋爐房,原設計安裝2臺燃氣蒸汽鍋爐提供食堂炊事及消毒,2臺燃氣熱水鍋爐供應洗浴熱水,2臺燃氣開水爐提供開水,沒有安裝采暖機組的空間。為此將鍋爐房設備及布局進行調整,把采暖系統設備放至鍋爐房內。食堂蒸汽用量并不大,實踐已經證明,集中供應蒸汽的做法,效率低、靈活性差、浪費大,通過在正逐漸安裝蒸發器直接供應蒸飯柜、蒸菜箱,以及采用紅外消毒等替代措施,投入小、運行費用少,且便于食堂經營者的自主靈活操作。為此僅預留一臺小容量燃氣蒸汽鍋爐位置。洗浴熱水由于安裝了太陽能集熱系統以及較大的儲熱水箱,具有較寬的需求調節范圍,只需要根據洗浴用水量確定合理的恒溫水箱補充液位,就可以有效滿足供給,其燃氣輔助加熱機組也沒必要配置過大,權衡后選取2臺0.7MW生活熱水爐,即便陰雨雪天氣太陽能完全不能作用,燃氣生活爐同時工作時最多3個多小時即可提供全天的洗浴熱水。

鍋爐房東側貼臨水箱間,設計將太陽能集熱水箱、洗浴熱水箱、燃氣爐灶余熱回收儲存熱水箱,集中放置在水箱間內。

(一)太陽能系統與采暖系統的調配

本地水質硬度較高,易產生水垢,傳統做法是水軟化處理后,由太陽能系統直接加熱到洗浴需要的溫度后,供給浴室使用。該做法太陽能利用效率高且運行成本低。為了提供學生更好的服務,本項目沒有采用水質軟化的辦法,而采取自來水與太陽能系統熱交換的方式制備熱水,為防止結垢,熱水制備溫度設置不超過45℃。太陽能系統采取溫差循環方式,將集熱水箱水循環加熱,當集熱水箱水溫超過洗浴水溫時,換熱泵啟動,自來水側電動調節閥門打開,冷熱介質在換熱器內換熱進行熱水制備,同時調整電動調節閥的開度調整冷水流量,保證出水溫度在洗浴水溫附近。如果洗浴熱水箱存水不足,只要集熱水箱水溫超過自來水溫度,即啟動換熱泵,將自來水初步升溫后,再與燃氣生活爐供應的熱媒介在第二級換熱器內進一步升溫到設定的洗浴溫度后進入熱水箱儲存待供,這樣確保了太陽能優先利用的原則。

如果洗浴恒溫水箱熱水已滿水,太陽能集熱水箱水溫較高,多余太陽能將用于餐飲中心餐廳地暖的采暖,通過間接換熱將采暖回水加熱到設定溫度或初步升溫后,再混合來自采暖燃氣機組提供的高溫熱水。學校寒假期間浴室停止開放,太陽能的得熱能力受到光照角度及氣溫影響而削弱,但整個系統每天仍可獲得相當的熱量,正好可用于餐飲中心地暖的寒假值班,其提供的熱量可以滿足約60%的熱量需求。測算太陽能系統全年利用的熱量合計達到3587GJ,折算每年可節約燃氣12萬立方米,節約燃氣費約22萬元。通過能源集中調配方式,提升了太陽能的有效利用,減少了采暖常規能源的能耗。

(二)燃氣爐灶煙氣余熱回收與太陽能系統的集中互補

如前所述,燃氣爐灶煙氣余熱回收每年可回收的熱量相當于節省7萬立方米燃氣,由于季節因素及自來水溫度變化,每天熱水制備在45~65噸范圍內波動,總體來看,燃氣爐灶余熱回收產生的熱水量足夠餐飲中心自身使用,且有一定剩余。為此,設計在太陽能恒溫水箱和爐灶煙氣回收儲熱水箱上部安裝有溢流連通管,并安裝有雙向流量計,無論是爐灶余熱回收熱水有多余還是太陽能系統熱水有多余,都將通過溢流管進行雙向調劑,雙向流量計計量相互間調劑量,方便進行能源結算。

食堂熱水與洗浴熱水使用量之間的相互調劑,不僅系統運行可靠性增強,還充分利用爐灶煙氣余熱和太陽能,節省了餐飲熱水制備設備的投入,降低了使用過程的能源消耗。

六、結語

某大學新學生公寓區通過系統集中、能源共享互補方式,充分利用太陽能可再生能源提供學生洗浴熱水及冬季供暖、利用燃氣爐灶煙氣余熱回收并與太陽能熱水系統進行統籌,使得太陽能和煙氣余熱得到優先利用,保障了系統運行的可靠性、有效降低了常規能源消耗,提高了系統運行經濟性,為高校節能提供了有益的探索和嘗試。測算該系統年提供熱能6000GJ,相當于替代燃氣19萬立方米,節約電力170萬kWh,折合節約標煤580噸、減少二氧化碳排放量1400多噸、減少硫化物排放10多噸、還減少了氮氧化物的排放,具有顯著的節能和環保效益。

 

2016年7月初,國家發展改革委、國家能源局聯合發布了《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》(發改能源[2016]1430號)文件,加快推進多能互補集成優化示范工程建設。而該校新學生公寓區燃氣采暖、太陽能熱水、燃氣爐灶余熱回收系統的綜合利用,正是多能互補集成優化系統的具體體現。該系統的供暖系統已正常投入運行,根據目前情況,預測整個采暖季的能耗有望控制在9立方米/平方米·年以內。預計整個系統在2017年上半年全部投入使用后,將會發揮出應有的示范作用,為高校節能提供一種全新的行之有效的途徑。

 

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