摘要： 簡述了我國城市供熱的現狀，根據我國的供熱特點和節能環保的要求，介紹了冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統系統。根據國外資料分析了該系統的經濟性和環保性以及在我國的應用前景。 1 引言 我國北方地區一直以傳統的燃煤、燃油採暖，隨著經濟的發展、城市規模的擴大，這些傳統的採暖方式的缺點越來越突出，不能適應可持續發展的要求，據統計燃煤採暖已經成為北方城市冬季空氣污染的罪魁禍首。如北京1999年北京市終端能源消費量為3828萬噸標煤，其中煤炭消費量2011萬噸；約佔終端能源消費量的53%，是造成大氣污染的主要根源[1]。為了避免尾部受熱面的低溫腐蝕，傳統的燃煤供熱鍋爐排煙溫度通常高於150℃，蒸汽鍋爐甚至高於200℃，大多數燃氣熱水鍋爐的排煙溫度在140℃-200℃之間。過高的排煙溫度不僅耗費了大量的能源，而且提高了鍋爐的運行成本[2，3]。因此對於這些地區探索出一些潔凈，節能高效的採暖技術就具有非常現實而重要的意義，並逐漸成為工程界、學術界普遍關注的熱點問題。 為此，20 世紀70 年代以來，西歐和美國等相繼研製了冷凝式鍋爐，即在傳統鍋爐的基礎上加設冷凝式熱交換受熱面，將排煙溫度降到40-50℃，使煙氣中的水蒸氣冷凝下來並釋放潛熱，可以使熱效率提高到100%以上（以低位發熱量計算）；同時研究發現，在煙氣冷凝時，煙氣中的SOx、NOx、CO2、CO 以及飛灰和煙塵能部分或者全部溶解於水中，這樣就使排入大氣中的有害物質大大減少,有利於環保[2，3]。因此，採用冷凝式鍋爐對節能和環保都具有非常重要的意義。但是我國採用傳統95/70℃閉式供熱系統，相當多的鍋爐按80/70℃運行[4]。當採用潔凈燃料天然氣時，煙氣的露點溫度一般在55℃左右，要通過原有供熱系統的回水去完成煙氣的冷凝是不可行的。並且較高溫度的排煙，相對於用空氣源熱泵採暖的系統來說，應是較好的低溫熱源[5]。針對冷凝式鍋爐應用於我國傳統供熱存在的問題，為了達到節能和環保的目的，介紹國外廣泛應用的煙氣的餘熱回收系統—冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統。 2 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統不僅利用了冷凝式鍋爐節能和環保的原理，還利用了熱泵提高低品位熱能到高品位熱能的原理。在該系統中為了使熱泵系統儘可能的回收較低品位的熱能，減少熱泵系統裝機容量和電耗，做到儘可能的節能，先將熱網回水與來自冷凝式鍋爐本體高溫的排煙進行換熱，使煙氣冷卻至一定的溫度，再將低溫的煙氣通過冷凝換熱器（為防腐材料，如不鏽鋼），回收煙氣中的部分潛熱和顯熱。為了維持熱泵蒸發端低溫熱源溫度的穩定性，並減小蒸發端的傳熱平均溫差，採用煙氣先通過間壁式冷凝換熱器（如板式、管式等）或接觸式冷凝換熱器（如液柱式、填料式等），用低溫水（冷卻水）先與煙氣換熱，再將被加熱的冷卻水用水泵抽送到熱泵的蒸發端，和熱泵工質(如R11等)發生熱交換。下面介紹冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統，該系統有兩種型式：如圖1間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統和圖2接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統。
圖1 間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統 1-鍋爐本體 2-冷凝用煙氣通道 3-煙氣旁通通道 4-排煙至煙囪通道 5-間壁式冷凝熱交換器 6-待處理的冷凝液排放管 7，13-來自區域熱網的回水 8-煙氣冷卻器 9-冷卻水循環泵 10-熱泵蒸發器 11-節流閥 12-熱泵冷凝器 14-壓縮機
圖2 接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統 1-鍋爐本體 2-冷凝用煙氣通道 3-煙氣旁通通道 4-排煙至煙囪通道 5-接觸式冷凝熱交換器 6-煙氣冷卻器7，15-來自區域熱網的回水 8-冷卻水循環泵9-處理液循環泵10-污水排放管 11-水處理器 12-熱泵蒸發器 13-壓縮機 14-熱泵冷凝器 16-節流閥 在圖1中，間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統除鍋爐本體的換熱外，存在四個熱交換過程：（1）在煙氣冷卻器8中，高溫煙氣和來自區域熱網的回水之間的熱交換過程；（2）在間壁式冷凝換熱器5中，來自煙氣冷卻器的低溫溫煙氣與冷卻水（熱泵的低溫熱源）之間的熱交換過程；（3）在熱泵的蒸發器10中，來自間壁式冷凝換熱器的冷卻水與熱泵低溫工質之間的熱交換過程；（4）在熱泵的冷凝器13中，熱泵高溫工質與來自區域熱網的回水之間的熱交換過程。在冷凝式換熱器5產生的冷凝水通過待處理的冷凝液排放管6排放，在冷凝式換熱器5中被冷凝的煙氣和來自旁通煙道3的煙氣混合，進入煙囪。 在圖2中，接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統與間壁式系統顯著區別在與煙氣的冷凝換熱器，採用接觸式換熱器，煙氣與冷卻水發生直接接觸換熱，並且冷卻水受到污染，需要定時處理和進行排污。 間壁式冷凝換熱器和接觸式冷凝換熱器在國外都得到了利用，它們各自有自己的優缺點。如間壁式具有煙氣與水分離，水質無污染，但換熱存在較大溫差，受結構尺寸限制，換熱面積有限，存在間壁熱阻和污垢熱阻，換熱效率低等。接觸式具有氣液兩相離散接觸，傳熱溫差小，換熱面積大大增大，煙氣中污染物得到清洗，利於環保，但水質受影響，需處理等。 3 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統的應用 在國外，採用先進的方法回收煙氣中熱能的系統得到了大力的發展，冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統廣泛的用於諸如區域供熱鍋爐房，尤其是使用如生活垃圾、碎木屑等比較濕的燃料以及天然氣為燃料的鍋爐房[6，7，8]。例如，1985年瑞典在其最大的城市垃圾焚燒廠（位於東南部的烏普薩拉市）安裝了一套回收熱能為20MW的冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統。安裝主要設備的投資（包括安裝）及餘熱回收的年效益如表1[2]。 表1主要設備的投資（包括安裝）及餘熱回收的年效益 系統類型 採用間壁冷凝式換熱的系統 採用直接接觸式冷凝器系統 熱泵類型 吸收式熱泵 機械式熱泵 吸收式熱泵 機械式熱泵 總投資（百萬瑞典克郎） 氣體冷卻器 冷凝器/吸收塔 熱泵 所用主要設備的總投資 回收1MW熱的總投資 來自熱回收的年凈收益
通過經濟性計算，雖然初投資較大，但與通過建立一個鍋爐來增加產熱量所用的資金相比，所用的投資都是較低的，並且它在提高熱生產效率的同時，除去煙氣中的酸性氣體和汞，因此從節能和環保的角度來說，這將是十分有利的。因此在一些急需擴建，改造和新建的集中供熱鍋爐房中，採用冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統，應是一種節能環保的方式。 根據《北京市城市熱網集中供熱設施建設「九五」計劃及2010年發展規劃》，現有一熱和二熱等7家熱源廠將改擴建，設計供熱面積將增加592萬平方米。另擬新建2個熱電廠，新增供熱規模1000萬平方米左右。 2005年熱力供熱面積預期達到8359萬平方米，占市建築面積的31.13%[1]。並且北京開始以環境評價為中心目標，重點分析各種供熱方式對環境保護帶來的影響，並將之作為分析比較的基準點和出發點，同時兼顧能源利用效率、資源利用、投資和經濟效益等因素的研究，因此在該地區實行冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統的研究具有重要的意義。並且在燃燒清潔燃料天然氣時，在理論上每標準立方米約可產生1.6kg的冷凝水，如WNS4.2-1.0/95/70-Q型熱水鍋爐的燃料消耗約為440Nm3/h，如果產生的水蒸氣的60%被冷卻下來，可產生440×1.6×0.6=422.4kg/h 的水,可以看出所獲得的水量是可觀的。如果採取措施對這一部分水加以利用，對一些缺水地區無疑會產生積極的作用 [2，9]。 4 結束語 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統是一種高效節能和環保的熱能回收系統，針對我國目前供熱現狀：污染嚴重，熱量不足，急需擴建和新建一些鍋爐房資金緊缺等問題，採用冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統應是一種值得探討和應用的節能和環保方式。該系統還能能產生可觀的冷凝水，這一部分水可以加以處理並利用，可作為一些水質要求不高的工業用水和畜牧用水。並且該系統的熱泵部分在夏季也能給用戶提供冷量，作小型的中央空調使用，具有更大的節能性。 作者簡介： 葉勇軍，男，1979年4月生，在讀研究生。 通信地址：湖南衡陽南華大學空調與熱能利用研究所,電話：（0734）6689257，郵政編碼：421001， ※本課題是湖南省教育廳資助項目：冷凝式供熱鍋爐試驗研究（編號02A03） 1 引言 我國北方地區一直以傳統的燃煤、燃油採暖，隨著經濟的發展、城市規模的擴大，這些傳統的採暖方式的缺點越來越突出，不能適應可持續發展的要求，據統計燃煤採暖已經成為北方城市冬季空氣污染的罪魁禍首。如北京1999年北京市終端能源消費量為3828萬噸標煤，其中煤炭消費量2011萬噸；約佔終端能源消費量的53%，是造成大氣污染的主要根源[1]。為了避免尾部受熱面的低溫腐蝕，傳統的燃煤供熱鍋爐排煙溫度通常高於150℃，蒸汽鍋爐甚至高於200℃，大多數燃氣熱水鍋爐的排煙溫度在140℃-200℃之間。過高的排煙溫度不僅耗費了大量的能源，而且提高了鍋爐的運行成本[2，3]。因此對於這些地區探索出一些潔凈，節能高效的採暖技術就具有非常現實而重要的意義，並逐漸成為工程界、學術界普遍關注的熱點問題。 為此，20 世紀70 年代以來，西歐和美國等相繼研製了冷凝式鍋爐，即在傳統鍋爐的基礎上加設冷凝式熱交換受熱面，將排煙溫度降到40-50℃，使煙氣中的水蒸氣冷凝下來並釋放潛熱，可以使熱效率提高到100%以上（以低位發熱量計算）；同時研究發現，在煙氣冷凝時，煙氣中的SOx、NOx、CO2、CO 以及飛灰和煙塵能部分或者全部溶解於水中，這樣就使排入大氣中的有害物質大大減少,有利於環保[2，3]。因此，採用冷凝式鍋爐對節能和環保都具有非常重要的意義。但是我國採用傳統95/70℃閉式供熱系統，相當多的鍋爐按80/70℃運行[4]。當採用潔凈燃料天然氣時，煙氣的露點溫度一般在55℃左右，要通過原有供熱系統的回水去完成煙氣的冷凝是不可行的。並且較高溫度的排煙，相對於用空氣源熱泵採暖的系統來說，應是較好的低溫熱源[5]。針對冷凝式鍋爐應用於我國傳統供熱存在的問題，為了達到節能和環保的目的，介紹國外廣泛應用的煙氣的餘熱回收系統—冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統。 2 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統不僅利用了冷凝式鍋爐節能和環保的原理，還利用了熱泵提高低品位熱能到高品位熱能的原理。在該系統中為了使熱泵系統儘可能的回收較低品位的熱能，減少熱泵系統裝機容量和電耗，做到儘可能的節能，先將熱網回水與來自冷凝式鍋爐本體高溫的排煙進行換熱，使煙氣冷卻至一定的溫度，再將低溫的煙氣通過冷凝換熱器（為防腐材料，如不鏽鋼），回收煙氣中的部分潛熱和顯熱。為了維持熱泵蒸發端低溫熱源溫度的穩定性，並減小蒸發端的傳熱平均溫差，採用煙氣先通過間壁式冷凝換熱器（如板式、管式等）或接觸式冷凝換熱器（如液柱式、填料式等），用低溫水（冷卻水）先與煙氣換熱，再將被加熱的冷卻水用水泵抽送到熱泵的蒸發端，和熱泵工質(如R11等)發生熱交換。下面介紹冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統，該系統有兩種型式：如圖1間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統和圖2接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統。
圖1 間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統 1-鍋爐本體 2-冷凝用煙氣通道 3-煙氣旁通通道 4-排煙至煙囪通道 5-間壁式冷凝熱交換器 6-待處理的冷凝液排放管 7，13-來自區域熱網的回水 8-煙氣冷卻器 9-冷卻水循環泵 10-熱泵蒸發器 11-節流閥 12-熱泵冷凝器 14-壓縮機
圖2 接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統 1-鍋爐本體 2-冷凝用煙氣通道 3-煙氣旁通通道 4-排煙至煙囪通道 5-接觸式冷凝熱交換器 6-煙氣冷卻器7，15-來自區域熱網的回水 8-冷卻水循環泵9-處理液循環泵10-污水排放管 11-水處理器 12-熱泵蒸發器 13-壓縮機 14-熱泵冷凝器 16-節流閥 在圖1中，間壁式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統除鍋爐本體的換熱外，存在四個熱交換過程：（1）在煙氣冷卻器8中，高溫煙氣和來自區域熱網的回水之間的熱交換過程；（2）在間壁式冷凝換熱器5中，來自煙氣冷卻器的低溫溫煙氣與冷卻水（熱泵的低溫熱源）之間的熱交換過程；（3）在熱泵的蒸發器10中，來自間壁式冷凝換熱器的冷卻水與熱泵低溫工質之間的熱交換過程；（4）在熱泵的冷凝器13中，熱泵高溫工質與來自區域熱網的回水之間的熱交換過程。在冷凝式換熱器5產生的冷凝水通過待處理的冷凝液排放管6排放，在冷凝式換熱器5中被冷凝的煙氣和來自旁通煙道3的煙氣混合，進入煙囪。 在圖2中，接觸式冷凝換熱器與熱泵聯合熱能回收系統與間壁式系統顯著區別在與煙氣的冷凝換熱器，採用接觸式換熱器，煙氣與冷卻水發生直接接觸換熱，並且冷卻水受到污染，需要定時處理和進行排污。 間壁式冷凝換熱器和接觸式冷凝換熱器在國外都得到了利用，它們各自有自己的優缺點。如間壁式具有煙氣與水分離，水質無污染，但換熱存在較大溫差，受結構尺寸限制，換熱面積有限，存在間壁熱阻和污垢熱阻，換熱效率低等。接觸式具有氣液兩相離散接觸，傳熱溫差小，換熱面積大大增大，煙氣中污染物得到清洗，利於環保，但水質受影響，需處理等。 3 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統的應用 在國外，採用先進的方法回收煙氣中熱能的系統得到了大力的發展，冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統廣泛的用於諸如區域供熱鍋爐房，尤其是使用如生活垃圾、碎木屑等比較濕的燃料以及天然氣為燃料的鍋爐房[6，7，8]。例如，1985年瑞典在其最大的城市垃圾焚燒廠（位於東南部的烏普薩拉市）安裝了一套回收熱能為20MW的冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統。安裝主要設備的投資（包括安裝）及餘熱回收的年效益如表1[2]。 表1主要設備的投資（包括安裝）及餘熱回收的年效益 系統類型 採用間壁冷凝式換熱的系統 採用直接接觸式冷凝器系統 熱泵類型 吸收式熱泵 機械式熱泵 吸收式熱泵 機械式熱泵 總投資（百萬瑞典克郎） 氣體冷卻器 冷凝器/吸收塔 熱泵 所用主要設備的總投資 回收1MW熱的總投資 來自熱回收的年凈收益
通過經濟性計算，雖然初投資較大，但與通過建立一個鍋爐來增加產熱量所用的資金相比，所用的投資都是較低的，並且它在提高熱生產效率的同時，除去煙氣中的酸性氣體和汞，因此從節能和環保的角度來說，這將是十分有利的。因此在一些急需擴建，改造和新建的集中供熱鍋爐房中，採用冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統，應是一種節能環保的方式。 根據《北京市城市熱網集中供熱設施建設「九五」計劃及2010年發展規劃》，現有一熱和二熱等7家熱源廠將改擴建，設計供熱面積將增加592萬平方米。另擬新建2個熱電廠，新增供熱規模1000萬平方米左右。 2005年熱力供熱面積預期達到8359萬平方米，占市建築面積的31.13%[1]。並且北京開始以環境評價為中心目標，重點分析各種供熱方式對環境保護帶來的影響，並將之作為分析比較的基準點和出發點，同時兼顧能源利用效率、資源利用、投資和經濟效益等因素的研究，因此在該地區實行冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統的研究具有重要的意義。並且在燃燒清潔燃料天然氣時，在理論上每標準立方米約可產生1.6kg的冷凝水，如WNS4.2-1.0/95/70-Q型熱水鍋爐的燃料消耗約為440Nm3/h，如果產生的水蒸氣的60%被冷卻下來，可產生440×1.6×0.6=422.4kg/h 的水,可以看出所獲得的水量是可觀的。如果採取措施對這一部分水加以利用，對一些缺水地區無疑會產生積極的作用 [2，9]。 4 結束語 冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統是一種高效節能和環保的熱能回收系統，針對我國目前供熱現狀：污染嚴重，熱量不足，急需擴建和新建一些鍋爐房資金緊缺等問題，採用冷凝式鍋爐與熱泵聯合系統應是一種值得探討和應用的節能和環保方式。該系統還能能產生可觀的冷凝水，這一部分水可以加以處理並利用，可作為一些水質要求不高的工業用水和畜牧用水。並且該系統的熱泵部分在夏季也能給用戶提供冷量，作小型的中央空調使用，具有更大的節能性。
