熱泵技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用效益分析

李德智，糜欣平，李濤永，王紅梅，王 鶴，閆華光

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.南京供電公司，南京 210000）

熱泵技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用效益分析

李德智1，糜欣平2，李濤永1，王紅梅1，王 鶴1，閆華光1

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.南京供電公司，南京 210000）

我國在電力供需緊張時(shí)期引入了電力需求側(cè)管理的概念，使大多數(shù)人誤以為電力需求側(cè)管理只是解決“電荒”的臨時(shí)措施，很大程度上制約了電力需求側(cè)管理在我國的發(fā)展。通過對(duì)余熱源熱泵和變頻調(diào)速項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算和分析，從提高能效和增加供電量2個(gè)方面說明項(xiàng)目實(shí)施為企業(yè)帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)電力公司也可實(shí)現(xiàn)增供擴(kuò)銷，提高售電收入，而綠色能源使用的增加與常規(guī)能源消耗的減少也為社會(huì)帶來了巨大的環(huán)境效益，從而證實(shí)電力需求側(cè)管理是當(dāng)前節(jié)能減排大環(huán)境下應(yīng)長期堅(jiān)持的一項(xiàng)重要措施。

電力需求側(cè)管理；熱泵；變頻調(diào)速；能源效率

熱泵與變頻調(diào)速項(xiàng)目是電力需求側(cè)管理項(xiàng)目的重要內(nèi)容。熱泵技術(shù)是一種利用地球表面或淺層水源（如地下水、地表水、河流、湖泊）或者利用人工再生水源（工業(yè)廢水、地?zé)嵛菜龋┗蛘呖諝庠吹牡臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的技術(shù)。熱泵機(jī)組供熱時(shí)省去了傳統(tǒng)的鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排塵污染；供冷時(shí)省去了冷卻塔噪音及霉菌污染以及向大氣中排放熱量而造成的“熱島效應(yīng)”，是一種真正的節(jié)能環(huán)保綠色產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界的用電量中約有60%是通過電動(dòng)機(jī)來消耗的?？紤]啟動(dòng)、過載、系統(tǒng)安全等原因，高效的電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在低效狀態(tài)下運(yùn)行，采用變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，可使電動(dòng)機(jī)重新回到高效的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。

余熱源熱泵和變頻調(diào)速項(xiàng)目可帶來多方面的效益。對(duì)于電力公司來講，開拓了電力市場(chǎng)，可以增加售電量，提高經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)于用戶來講，可減少經(jīng)營成本，增加利潤空間；對(duì)于全社會(huì)來講，可以降低能源消耗，有利于提高能源使用效率，促進(jìn)資源優(yōu)化，保護(hù)環(huán)境。

本文以余熱源熱泵技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)為例，通過計(jì)算和分析項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況，定量地分析電力需求側(cè)管理項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 余熱源熱泵技術(shù)應(yīng)用

我國能源緊缺，一次能源及各種余熱資源利用水平較低，特別是對(duì)于溫度在30～60℃的余熱資源的能量利用水平和利用效率更低。

本節(jié)通過對(duì)余熱資源現(xiàn)狀及熱泵實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算分析，直觀地反映了所帶來的實(shí)際效益。

1.1 余熱利用潛力分析

在分析熱泵項(xiàng)目的效益之前，首先需要認(rèn)清當(dāng)前余熱利用的潛力，分析熱泵市場(chǎng)的廣闊前景。

目前，我國的余熱資源主要有以下2種。

（1）生活熱水

大多數(shù)城市的生活用熱水，如刷碗、洗澡用熱水，是由電加熱器進(jìn)行加熱后，在使用一次后就直接浪費(fèi)掉，仍含有大量熱值。

圖1是淋浴水溫降值測(cè)試結(jié)果，將熱水出水溫度盡可能穩(wěn)定在42℃左右，溫度波動(dòng)不超過±1℃。從測(cè)試結(jié)果可以看出，熱水洗浴后，廢水溫度仍然達(dá)36℃左右，熱回收潛力相當(dāng)大。

圖1 淋浴水溫降值測(cè)試（水流量6 L/min）

以6 L/min流量的熱水器為例，42℃標(biāo)準(zhǔn)熱水出水熱功率在1.0～1.6 kW左右，而隨廢水外排熱功率則達(dá)0.8～1.2 kW左右，熱量損失高達(dá)80%。

即，每分鐘的有效熱量為

每分鐘損失熱量約為6.05×105J。

現(xiàn)有絕大部分熱水器不具備外排廢水熱能回收功能，能源利用效率低下，而且熱廢水外排對(duì)環(huán)境造成了一定的熱污染。

由于熱水排水溫度大于冷水溫度，這樣就為實(shí)現(xiàn)熱水排水的能量回收提供了有利條件。生活熱水具有用水點(diǎn)分散、用水量變化大、用水的隨機(jī)性大、水質(zhì)污染、重力排水、排水溫度低、熱水溫度降低速度快、熱水的一次性使用等特點(diǎn)，增加了熱水排水能量回收利用的難度。

（2）工業(yè)余熱

我國工業(yè)余熱的資源很豐富，可利用的潛力很大，分布也很廣，如：化工工業(yè)占8.8%，石化工業(yè)占30.9%，輕紡工業(yè)占4.0%。主要來源于各種工業(yè)爐窯、熱能動(dòng)力裝置、熱能利用設(shè)備、余熱利用裝置和各種有反應(yīng)熱產(chǎn)生的化工過程等。

我國鋼鐵行業(yè)1 000 m3以上高爐約110余座，有30座以上尚未配套爐頂壓（TRT）發(fā)電設(shè)備；有大型轉(zhuǎn)爐的企業(yè)19家，中型轉(zhuǎn)爐的企業(yè)42家，只有7家使用轉(zhuǎn)爐負(fù)能煉鋼技術(shù)。我國焦化爐干熄焦比例較低，干熄焦產(chǎn)量僅占機(jī)焦總產(chǎn)量17.4%。低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)可充分利用副產(chǎn)煤氣，但一次性投資較大。我國現(xiàn)有日產(chǎn)2 000 t以上新型干法窯水泥生產(chǎn)線225條，只有少數(shù)配裝了余熱發(fā)電裝置，合理充分利用工業(yè)余熱可以降低單位產(chǎn)品能耗，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 余熱源熱泵基本原理

高溫水源熱泵可將各類30～60℃的余熱水直接利用，經(jīng)熱泵機(jī)組進(jìn)行能量提升，將溫度升到70～90℃，適用于各種供暖方式，被利用后的余熱水排水溫度最低可低于10℃，符合環(huán)保的要求。制熱工況COP可達(dá)到3.5以上。余熱回收水—水型熱泵原理見圖2所示。

圖2 余熱回收水—水型熱泵原理圖

圖2中采用二級(jí)壓縮，供給蒸發(fā)器水溫為32℃，經(jīng)一級(jí)壓縮后變?yōu)?4℃的水。為了提高循環(huán)效率，將水箱中部分水引至第二級(jí)壓縮機(jī)中，經(jīng)二次壓縮后得到93℃的水。此水在冷凝器中冷凝時(shí)放出熱量，將低溫水加熱至82℃供熱用戶使用，該熱泵可用于許多工業(yè)部門。

1.3 增供電量及技術(shù)特點(diǎn)分析

將常用燃煤爐、燃焦?fàn)t、燃?xì)鉅t、燃油爐、電鍋爐與余熱回收熱水機(jī)組的費(fèi)用進(jìn)行比較，以日產(chǎn)熱水量為20 t計(jì)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分析與對(duì)比如表1所示。

表1 各類加熱方式費(fèi)用對(duì)比表

對(duì)于用戶來講，選擇不同的供熱方式，運(yùn)行費(fèi)用每年最多可節(jié)約16.7萬元；對(duì)于電力公司來講，通過推廣余熱回收熱水機(jī)組的使用，每年可增售電量67 963 kWh。

相對(duì)于其他常規(guī)能源，熱泵技術(shù)還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）高效節(jié)能。由于吸收水體中的熱能，大大減少了電能消耗，熱泵的能效比無論在制冷或制熱工況下都高于傳統(tǒng)制熱、制冷方式，投入1 kW的電能，可獲得4 kW左右的熱能或冷量。

（2）環(huán)保安全。以水為介質(zhì)，系統(tǒng)運(yùn)行無燃燒過程，無污染排放，水源水循環(huán)封閉無利用，不會(huì)造成水源污染。

（3）一機(jī)多用。一套設(shè)備既可供熱、供冷，還可以提供生活熱水。作為制冷機(jī)使用時(shí)還可以回收余熱。

（4）運(yùn)行費(fèi)用低。節(jié)能特點(diǎn)決定其運(yùn)行費(fèi)用低于燃煤鍋爐，僅占傳統(tǒng)中央空調(diào)的30%～50%。

（5）節(jié)約投資。因其多功能的特性，其總投資額僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的60%，且系統(tǒng)運(yùn)行壽命長，易安裝，工期短，更改方便。

（6）占地面積小。機(jī)組體積小，且省去冷卻塔和鍋爐房，甚至可不設(shè)機(jī)房。

（7）應(yīng)用范圍廣?？蓮V泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)樓宇、醫(yī)院、學(xué)校以及體育場(chǎng)館、別墅區(qū)、住宅小區(qū)、公共場(chǎng)所等民用建筑。

2 電能源替代

電能源替代市場(chǎng)是通過改造和更新企業(yè)的技術(shù)和工藝，用電能替代其他能源而形成的用電市場(chǎng)，電力的清潔環(huán)保和可再生性決定了其將替代其他能源，使電力的潛在需求增加，有著非常廣闊的前景。

福建省是我國開展電能源替代典型省份，據(jù)了解，2008年福建省電力公司大力開拓自供區(qū)、自備電廠、能源替代、家庭用電和跨省區(qū)交易等五大市場(chǎng)，新增小水電上網(wǎng)裝機(jī)容量154 MW；促使造紙、水泥等行業(yè)自備電廠減發(fā)電量397 GWh；推廣應(yīng)用電窯爐、電鍋爐、熱泵等電力設(shè)備，新增替代容量51.8 MW；外送電量2.91 TWh。

2009年，福建省電力公司繼續(xù)推進(jìn)增供擴(kuò)銷工作，深入挖掘自備電廠、能源替代等五大市場(chǎng)潛力，可拉動(dòng)售電量增長2.05 TWh。推動(dòng)出臺(tái)自備電廠減發(fā)電政策，實(shí)現(xiàn)減停發(fā)電量700 GWh。重點(diǎn)推廣應(yīng)用熱泵技術(shù)和蓄冷、蓄熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)新增替代容量63.3 MW。

與其他化石能源相比，在生產(chǎn)工藝中利用電能供熱可以提供均勻的溫度保證，方便電腦實(shí)時(shí)控制溫度，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3 電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)

風(fēng)機(jī)和水泵占電力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的60%。常規(guī)恒頻電源下大部分風(fēng)機(jī)與水泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率僅為30%～50%，其電能損耗占總發(fā)電量的38%以上。應(yīng)用電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)可以有效降低電動(dòng)機(jī)空載能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

由流體傳輸設(shè)備的工作原理可知：水泵、風(fēng)機(jī)的流量（風(fēng)量）與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵、風(fēng)機(jī)的壓力（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的3次方成正比（即與電源頻率的3次方成正比）。其頻率變化與節(jié)能量變化的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，用變頻器進(jìn)行流量（風(fēng)量）控制時(shí)，可節(jié)約大量電能。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)一般按現(xiàn)場(chǎng)最大冷量需求考慮，其冷卻泵、冷凍泵按單臺(tái)設(shè)備的最大工況考慮，在實(shí)際使用中冷卻泵、冷凍泵有90%的時(shí)間都工作在非滿載狀態(tài)下。而用閥門、自動(dòng)閥調(diào)節(jié)不僅增大了系統(tǒng)節(jié)流損失，而且由于對(duì)空調(diào)的調(diào)節(jié)是階段性的，造成整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)。而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器，不僅能夠解決該問題，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且通過變頻改造帶來的節(jié)能可收回投資。同時(shí)變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，并延長機(jī)組及網(wǎng)管的使用壽命。

因此，隨冷負(fù)荷變化改變循環(huán)水流量的變流量空調(diào)水系統(tǒng)顯示了巨大的優(yōu)越性，得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，可以方便地調(diào)節(jié)水的流量，根據(jù)負(fù)荷變化的反饋信號(hào)經(jīng)PID（比例、積分、微分控制）調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使泵的轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷變化，這樣就可以達(dá)到節(jié)能的目的，其節(jié)能率通常在20%以上。但是改造后的節(jié)電率與用戶的使用情況密切相關(guān)，一般情況下，春、秋2季運(yùn)行節(jié)電率較高，可達(dá)40%以上，夏季由于用戶本身需要的電能就大，可節(jié)省的空間有限，一般在20%左右。

以中央集中空調(diào)系統(tǒng)為例，其水泵系統(tǒng)的變頻改造原理如圖4所示。

圖4 變頻原理示意圖

某大廈集中空調(diào)系統(tǒng)的冷卻泵循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 水泵運(yùn)行參數(shù)

（1）節(jié)能量計(jì)算

根據(jù)GB/T 12497—2006《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，可得1號(hào)冷卻水泵進(jìn)行變頻改造后的消耗功率P1為19.45 kW。

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，該大廈集中空調(diào)系統(tǒng)的冷卻泵運(yùn)行的平均功率為65.63 kW，則改造后節(jié)約的功率為（65.63-19.45）kW=46.18 kW。

（2）節(jié)省電費(fèi)計(jì)算

該大廈執(zhí)行北京地區(qū)商業(yè)分時(shí)電價(jià)，執(zhí)行電價(jià)情況見表3。

表3 電價(jià)執(zhí)行情況

由表2可近似計(jì)算出平均電價(jià)0.873元/kW，則冷卻泵改造后每月可節(jié)約的電費(fèi)為

由于變頻改造對(duì)空間要求不高，技術(shù)簡(jiǎn)單易行，可以很快收回投資并長期受益。本例以工程改造費(fèi)用為8萬元為前提，在2.76個(gè)月內(nèi)即可收回投資。

4 結(jié)論

通過計(jì)算分析可以看出，電力需求側(cè)管理項(xiàng)目能夠?yàn)槠髽I(yè)、電力公司、社會(huì)帶來較好的效益，實(shí)現(xiàn)三贏的局面。新的節(jié)能減排目標(biāo)要求全社會(huì)參加到節(jié)能減排的巨大工程之中，而電力需求側(cè)管理項(xiàng)目為該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)手段。因此，需要提高全社會(huì)對(duì)電力需求側(cè)管理在提高電能效率方面的認(rèn)識(shí)，推廣電力需求側(cè)管理技術(shù)的應(yīng)用，降低全社會(huì)能源消耗，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。

但是電力需求側(cè)管理新技術(shù)應(yīng)用也需要因地制宜，建立健全相關(guān)管理與監(jiān)督機(jī)制，避免出現(xiàn)負(fù)面作用，保證工作順利開展。如：熱泵技術(shù)的應(yīng)用，尤其是地下水源熱泵，必須制定相應(yīng)的保護(hù)措施，加強(qiáng)監(jiān)督管理，要有計(jì)劃地推行，不能走先破壞后治理的道路；變頻改造，也要考慮諧波對(duì)電網(wǎng)及其他設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響。

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The benefit analysis of heat pump and frequency conversion technology

LI De?zhi1，MI Xin?ping2，LI Tao?yong1，WANG Hong?mei1，WANG He1，YAN Hua?guang1
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.Nanjing Electric Power Supply Company，Nanjing 210000，China）

DSM was introduced in China during power short?age.Most of people mistakes that DSM is only a temperary measure to solve power shortage which restricts the development of DSM.In this paper，the projcets of heat pump and frequency conversion are analyzed on the efficiency and benefit.They can improve the energy efficiency and enhance the power supply，which can not only bring in favorable economic benefit，but also can increase the revenue of power company.The application of new green energy and reduction of conventional energy consumption can bring in considerable envi?ronment benefit.As one of the important measures in energy?saving and emissions reduction，DSM should be applied chronically.

DSM；heat pump；frequency conversion；ener?gy efficiency

F407.61；TK018

C

1009-1831（2010）06-0038-04

2010-05-11；修回日期：2010-06-12

李德智（1982—），男，河北唐山人，碩士，從事能效測(cè)評(píng)與節(jié)能技術(shù)、電力需求側(cè)管理研究工作。