小区热水系统的烟道气余热回收利用

    概要 
    我们将为Ocht住宅区生产家用热水的中央供能设备进行了改造，烟道气的废热被回收用来预热冷水主管。和传统地被用来预热回流暖气（回流实质上还很热，特别在老建筑楼中）相比，前者可以达到高得多的回收利用率。此外，预热罐还可用作两个热泵的热源，这两个热泵为家用热水供应系统的回流管道供应能源以补充流通中的热损失。 
    工程目标
    在设计更新Ocht住宅区的中央供能设备时，设计师们寻求可以减少家用热水因整年远距离流通而造成的热量损失的可行性方法。因为除了能源分配系统的布局设计以及经济因素外，包括烟囱在内的整个工厂都必须不受限制的得以更新。因此，设想到的方法是添加绝热管道，这些管道能以一种易用、高效、环保的方式为热水供应和流通系统持续地提供其所需的能量。
    设计原则
    冷水管道的水不是直接注入热水罐，而是先进入一个预热罐（如图所示）。在此，冷水会流经两个锅炉的同流换热气，水的低温使煤气得以完全凝结。然后，被预热过的水流入一个热水罐。在更低温的时段，还可以从凝结中得到多于需求的能量以用来预热。为了利用这些多余的热量并把预热罐控制在足够低的温度以使煤气充分凝结，这个预热罐还可以用作两个热泵的热源，从而为热水流通系统的回流传递能量。因此，在热水重新回到热水罐前，流通中的热量损失已几乎完全地补偿回来了。另外，为了使热水罐加热到最佳温度，其中一个锅炉还是以传统方式使用着。
    使用状态 
    Ocht住宅区建于七十年代，共有11幢多家庭建筑楼，包括484个单元住宅和一个幼儿园。中央供热工厂本该在1993年修缮更新，但由于技术原因以及与《瑞士洁净空气法规定》的关于中央化和高峰值负荷的概念不符，所以并没有出台实质性的建筑楼修缮计划。此后，归功于工程师们和大多数业主的创新精神和环保态度，使得这个烟道气余热回收和电热泵生产热水的方案得以设计和实施。而这个工程的部分基金是由瑞士电力公共事业公司PSEL资助的。 
    由于主管冷水的低温，烟道气余热的回收率非常高，夏天高于90%，冬天大约70%的管道暖气潜在热量可以被补偿回来。除了预热家用热水外，温度介于15－30摄氏度的预热罐还可以为热泵提供理想的热源，使其年COP保持在4.5。 
    通过分析衡量所采用的系统性能，我们还获得了一系列发现和推断。 
    尽管热泵可以完全地补偿家用热水流通中地热量损失，回流的热水还必须回到热水罐中重新加热以防热泵失效的情况。另外在夏天，热泵应该要置于地上以防止预热罐冷却到低于主管水的温度（15摄氏度）。如果热泵在低电价时段运行，则也可能在需求高峰期被电力公司断电。 
    在冬天，当管道热量过多时，体积为13立方米的预热泵就会显得太小，其温度也会因此超过35摄氏度。而当高温使预热泵持续地在COP高于5的情况下运行时，能量回收率就会降低。 
    在大多数情况下，供热状态都是理想的：
      ●预热罐的温度会介于20－30摄氏度之间；
      ●热量转移的损失量将很小；
      ●暖气的再生率可以高达70%；
      ●热泵的COP也会保持在4.5左右。 
    由于同流换热泵中烟道气冷凝的效率很高，造成烟道气中剩余的水量非常小，所以在烟囱中进一步凝结将难以得到实现。 
    为了提高烟道气余热回收率，预热罐应该采用高长型的。同时，同流换热泵应该采用逆流模式并以低速运行。
    公司介绍 
    Ocht住宅区是由瑞士最大的房地产公司之一的Gohner Merkur AG建造的，然后以单元住宅形式卖给个别业主。这个住宅区现在仍然由Gohner Merkur旗下的一个子公司经营管理。 
    经 济 性 
    在烟道气余热回收和热泵上的追加投资总数为CHF150,000（USD110,000）。而随后在矿物燃料（主要为煤气）上的年节约费用为900MWh（11%），即相当于CHF35,000（USD25,666）。其中大约一半的节约费用来源于热水预热，而另外一般则来源于热泵对热水回流管道的能量提供。减去每年用于热泵（100MWh/yr）的耗电费用CHF14,500（USD10,600）以及热泵的维修费用CHF500（USD400），每年的净节约费用为CHF20,000（USD14,600）。
    如果未来购买能源的增加费用和平均资金成本相等的简便假设成立，那么投资回收期就为7.5年。而热泵和其他泵的使用年限为10年以上，罐、阀和管道为20年以上，所以经济效益和环境效益都是可以保证的。