3.1　一次能源利用率PER比較

      一次能源利用率PER為原動(dòng)機(jī)能源轉(zhuǎn)化效率指標(biāo), 比較沼氣機(jī)熱泵與其他供熱方式的能源利用效率, 可以反映其節(jié)能效果的優(yōu)劣. BEHP系統(tǒng)的一次能源利用率可用下式表示: PERBEHP = (Qc +Qr ) /QBG , 式中: Qc ─冷凝器熱負(fù)荷( kW) ; Qr ─被加熱流體從沼氣機(jī)排出的余熱中回收的熱負(fù)荷
( kW) ; QBG ─沼氣燃燒產(chǎn)生的熱負(fù)荷( kW).引入余熱回收率α的概念, 即α為所回收的余熱負(fù)荷與總余熱負(fù)荷之比[5 ] , 則Qr =α ×(1 - ηg ) ×QBG , PERBEHP =ηg ×COP +α ×(1 - ηg ) . 式中: ηg ─沼氣機(jī)熱效率; COP─沼氣機(jī)熱泵性能系數(shù).為比較沼氣機(jī)熱泵與其他3種供熱方式的PER, 取沼氣機(jī)熱效率33 % , 余熱回收率65 % , 沼氣機(jī)熱泵及電動(dòng)熱泵的性能系數(shù)均為315, 電力生產(chǎn)及輸配電的總效率33 % , 燃煤鍋爐熱效率75 % ,燃?xì)忮仩t熱效率88 %[ 4 ] . 分別計(jì)算不同供熱方式的PER, 結(jié)果見(jiàn)表1.從以上能源利用率的比較分析可見(jiàn): BEHP系統(tǒng)的總供熱量是所消耗燃料能量的11624倍, 與電動(dòng)熱泵、燃?xì)忮仩t及燃煤鍋爐相比, BEHP的一次能源利用率PER分別提高了4016 %、8415 %和11615 %. 因此, BEHP系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果, 是一種高效率的熱泵運(yùn)行方式.

      3.2　經(jīng)濟(jì)性分析

      供熱裝置的經(jīng)濟(jì)性主要受到系統(tǒng)初投資、能源轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備使用年限、系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用等因素影響. 一般情況下, 系統(tǒng)效率越高, 初投資也就越大, 兩者對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響正好相反. 在外界條件方面, 主要影響因素是能源價(jià)格、供需狀況等.從PER計(jì)算結(jié)果看, 燃?xì)饣蛉济哄仩t的能耗高, 系統(tǒng)效率較低, 但其系統(tǒng)初投資也相對(duì)較低.因此, 如果供熱時(shí)間短, 則其經(jīng)濟(jì)性較高; 反之, 如果供熱時(shí)間較長(zhǎng), 則BEHP系統(tǒng)就會(huì)顯示出運(yùn)行成本低的優(yōu)勢(shì), 尤其是在能源價(jià)格上漲的情況下, 更為明顯. 雖然BEHP系統(tǒng)的初投資相對(duì)較大, 但其一次能源利用率高, 而且又是將來(lái)源于污水處理過(guò)程中原本廢棄的沼氣作為能源驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行, 把同樣棄之不用的污水廠出水中的余熱以及沼氣機(jī)排出的廢熱等低位熱能回收利用, 從而節(jié)省了大量的燃料運(yùn)行成本, 又實(shí)現(xiàn)了各種資源的綜合利用, 因此, 具有很高的經(jīng)濟(jì)性.以一座中等規(guī)模的城市污水處理廠為例, 沼氣日產(chǎn)量5 000 m3 , 設(shè)計(jì)選用輸入功率為500 kW的污水源沼氣機(jī)熱泵系統(tǒng), 如取該系統(tǒng)性能系數(shù)為315, 沼氣機(jī)熱效率33 % , 余熱回收率65 % , 每天按運(yùn)行10 h計(jì)算. 則冷凝器可輸出熱量2108 ×104 MJ , 同時(shí)系統(tǒng)還可以從沼氣機(jī)排出的廢熱中回收7184 ×103 MJ的熱量, 兩者合計(jì)系統(tǒng)可輸出總熱量21864 ×104 MJ. 作為比較:

      1) 若用燃煤鍋爐供熱, 提供21864 ×104 MJ的熱量, 需要消耗折合發(fā)熱量為31819 ×104 MJ的標(biāo)準(zhǔn)煤(燃煤鍋爐熱效率按75 %計(jì)算).

      2) 若用燃?xì)忮仩t(以天然氣為燃料) 供熱, 提供21864 ×104 MJ的熱量, 需要消耗折合發(fā)熱量為31255 ×104 MJ的天然氣(燃?xì)忮仩t熱效率取88 %計(jì)算).

      3) 若用電動(dòng)熱泵提供等量熱量, 需要消耗折合發(fā)熱量為81183 ×103 MJ的電力(取電動(dòng)熱泵性能系數(shù)為315).

      每年按300 d計(jì)算, 則節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤415 ×105 kg (煤的熱值25 435 kJ /kg) ; 節(jié)約天然氣2177 ×105 m3(天然氣熱值35 200 kJ /m3 ) ; 節(jié)約電力6182 ×105 kW·h (1 kW·h熱值為3 600 kJ ). 而沼氣機(jī)熱泵的運(yùn)行成本約占總收益的10 %左右(不考慮熱回收) , 若再考慮從污水廠出水中回收利用余熱的節(jié)能效果, 則沼氣機(jī)熱泵產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更為顯著.

      根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù), 若以燃?xì)忮仩t(天然氣) 為參照, 按節(jié)約的天然氣總量2177 ×105 m3 及天然氣價(jià)(2元/m3 ) 折算總收益, 可節(jié)約運(yùn)行成本2177 ×105 ×2 ×88 % = 487 520元, 如果沼氣機(jī)熱泵初投資按1 500元/kW取值, 則其投資回收期僅為1 500 ×500 /487 520 = 115 (年).

      3.3　環(huán)保效益

      沼氣利用對(duì)減輕大氣污染的作用明顯, 沼氣燃燒排放的SO2 只是燃煤的1 /10, NOx 約為燃煤的1 /5, CO2 是燃煤的2 /5 (見(jiàn)表2) [ 4 ] . 因此, 以沼氣機(jī)為原動(dòng)機(jī)的BEHP系統(tǒng)對(duì)于SO2、NOx、CO2 和可吸入顆粒物的排放, 均可控制在較理想的狀態(tài), 在環(huán)境保護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì). 而且, 污水廠產(chǎn)出的沼氣在進(jìn)入BEHP系統(tǒng)之前, 需經(jīng)過(guò)一定的脫硫凈化等預(yù)處理過(guò)程, 其工藝復(fù)雜程度小于燃煤, 治理費(fèi)用也較少.

      水源熱泵供熱不需要燃煤、燃油等鍋爐燃燒系統(tǒng), 直接降低了污染物的排放. 據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì), 采用水源熱泵供熱平均可以減少相當(dāng)于30 %以上的電力消耗, 還間接降低了發(fā)電過(guò)程中一次能源消耗所產(chǎn)生的污染物和溫室氣體排放. 因此, 在城市污水處理廠開(kāi)發(fā)應(yīng)用BEHP系統(tǒng), 是減少城市環(huán)境污染可行的手段之一, 具有明顯的環(huán)保效益.

      4　結(jié)論

      1) 在相同熱輸出的情況下, 與燃煤(燃?xì)? 鍋爐、電動(dòng)熱泵以及其他供熱方式相比, 污水廠BEHP系統(tǒng)可分別節(jié)約數(shù)量可觀的標(biāo)準(zhǔn)煤、天然氣以及電量等寶貴的一級(jí)能源, 是一種城市污水資源綜合有效利用的節(jié)能方式, 具有很高的一次能源利用效率; 2) 污水廠BEHP系統(tǒng)的初投資相對(duì)較大,但它實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用, 將污水處理過(guò)程中產(chǎn)出的沼氣作為能源驅(qū)動(dòng)熱泵運(yùn)行, 同時(shí)充分回收利用了污水廠出水以及沼氣機(jī)排氣中的余熱, 從而節(jié)省了大量的燃料運(yùn)行成本, 投資回收期較短, 具有良好的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性; 3) 污水廠BEHP系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的電動(dòng)熱泵或其他供熱方式, 可減少SO2、NOx、CO2 等污染物的排放, 在節(jié)能減排方面效益顯著. 因此, 推廣應(yīng)用具有沼氣資源有效利用、污水余熱資源及沼氣機(jī)廢熱回收利用等多種優(yōu)勢(shì)的BEHP系統(tǒng), 前景十分廣闊.

      [ 參考文獻(xiàn)]

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