吸收式熱泵在供熱系統(tǒng)中的最佳出水溫度確定

王月鶯 逯多威

清華同方人工環(huán)境有限公司

0 引言

吸收式熱泵在蒸汽、熱水或燃?xì)?、煙氣等熱源?qū)動(dòng)下，能夠回收低溫余熱，進(jìn)而提高中溫側(cè)水溫，可為用熱場(chǎng)合提供熱量，但目前主要用于區(qū)域供熱較多。在供熱系統(tǒng)中，熱泵往往全部或部分負(fù)擔(dān)供熱負(fù)荷，這樣熱泵在整個(gè)供熱負(fù)荷中的占比問題，即熱泵的最佳出水溫度的確定，便成為應(yīng)該關(guān)注和解決的問題。

1 吸收式熱泵熱水出口溫度的內(nèi)在和外在影響因素

吸收式熱泵的供熱出水溫度即指一次網(wǎng)回水經(jīng)吸收器和冷凝器加熱后的出水溫度，這一溫度的內(nèi)在影響因素是冷凝壓力和吸收器內(nèi)溶液的最低溫度[1]，而外在的影響因素則有余熱的好壞、運(yùn)行的調(diào)節(jié)方式、熱泵在供熱系統(tǒng)中的占比問題以及一些人為因素等。正因?yàn)橛绊懸蛩剌^多，因此尋找一種較科學(xué)及簡(jiǎn)捷的方式來確定熱泵熱水出水溫度是比較迫切的。但是不是說熱泵的出水溫度越高越好呢？

2 提高熱泵設(shè)計(jì)出水溫度對(duì)熱泵性能和系統(tǒng)造價(jià)的影響

在實(shí)際工程中，為了盡可能回收余熱，因此熱泵出水溫度往往都是盡可能做到較高，但是實(shí)際上，由于COP值的降低，運(yùn)行的調(diào)節(jié)方式等，會(huì)造成熱泵偏離高效區(qū)運(yùn)行，結(jié)果回收的熱量反而不盡理想。

如圖1所示：依據(jù)熱平衡原理，得

圖1 吸收式熱泵原理圖

從以上公式分析，理論上COP一定時(shí)，從回收余熱的角度來分析，熱泵出水溫度trc越高，則回收的熱量Qy越多，越節(jié)能。但事實(shí)上是這樣嗎？

首先從熱泵工作原理來分析，熱泵熱水出水溫度高，就相當(dāng)于熱泵的冷凝溫度高，而冷凝溫度提高后，熱泵的實(shí)際COP值是降低的[2]，因此，實(shí)際回收的熱量并不一定會(huì)相應(yīng)地按比例提高。

下面舉例說明：北京地區(qū)冬季擬采用熱泵加汽水換熱器的形式來為某區(qū)域供暖，系統(tǒng)采用間接供暖形式，首站設(shè)計(jì)供回水溫度為105/55℃，二級(jí)站供回水溫度為70/45℃，冬季室外采暖計(jì)算溫度為-9℃，室外采暖平均溫度為-1.9℃，若系統(tǒng)一次管網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)[3]，則調(diào)節(jié)性能如表1所示。

表1 熱網(wǎng)質(zhì)調(diào)節(jié)特性表

從表格中看到：熱水網(wǎng)路供回水溫度是隨著室外氣溫的變化而變化的，在采暖室外平均溫度下，熱網(wǎng)供水溫度為84.5℃，而熱泵在余熱較好的情況下，最高出水溫度可以達(dá)到95℃，那是不是就將熱泵的出水溫度定為95℃呢？顯然不是，因?yàn)闊岜贸鏊疁囟忍岣?，意味著熱泵造價(jià)也相應(yīng)地提高，而熱泵造價(jià)在供熱首站是占主要部分的，同時(shí)一次網(wǎng)供水溫度隨著室外氣溫的提高是降低的，因此實(shí)際上熱泵的出水溫度是一個(gè)應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證的最佳溫度，熱泵在這個(gè)溫度下運(yùn)行，一方面可以降低整個(gè)系統(tǒng)的投資，另一方面也可以保證熱泵盡可能回收余熱。

3 熱泵最佳供熱出水溫度的確定

3.1 供熱系數(shù)

首先定義供熱系數(shù)α：設(shè)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為tn，冬季采暖室外計(jì)算溫度為tw，冬季采暖室外平均溫度為twp，則

例北京地區(qū)，冬季室外采暖計(jì)算溫度為-9℃，采暖室外平均溫度為-1.9℃，若室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度采用18℃，則供熱系數(shù)α=(18+1.9)/(18+9)=0.737。

3.2 供熱系數(shù)與熱泵最佳出水溫度關(guān)系

熱泵最佳出水溫度與熱泵在系統(tǒng)中負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷比例、余熱情況、設(shè)備造價(jià)、回收期、調(diào)節(jié)方式等均有關(guān)系，是一個(gè)需經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)確定的重要的參數(shù)，而技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法較多，下面以常用的固定投資回收期來進(jìn)行分析。

如圖2所示：某供熱系統(tǒng)，一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度為tg/th℃、熱泵進(jìn)出口溫度為trc/th℃，汽水換熱器進(jìn)出口溫度為tg/trc℃，一次網(wǎng)流量為G t/h；單位熱泵造價(jià)為x萬元/MW，熱價(jià)為y元/GJ。

圖2 供熱首站簡(jiǎn)單示意圖

這樣熱泵負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷Qr1（MW）為：Qr1=1.163×G×(trc-th)/1000，據(jù)此熱負(fù)荷選擇熱泵機(jī)組。

通常供熱首站熱泵造價(jià)是占主要比例的，通常以熱泵單位熱泵熱量投資造價(jià)來估算首站投資，即首站投資（包括熱泵和汽水換熱器）E1（萬元）為：

系統(tǒng)全年供熱平均熱負(fù)荷Q1p（MW）[4]為：

式中：Z表示采暖天數(shù)。

將式（5）代入式（6），推導(dǎo)得出

式中：Qrp1為熱泵年平均供熱負(fù)荷。

設(shè)此出水溫度下熱泵的COP值為COP1，則熱泵全年平均回收余熱量Qryp1為：

則全年回收的余熱價(jià)值為

這樣固定投資回收期P（年）為

分析上式，當(dāng)熱泵設(shè)計(jì)出水溫度提高時(shí)，則COP1值降低，這樣則固定投資回收期變長，若熱泵設(shè)計(jì)出水溫度降低，由于式（9）僅是考慮回收余熱，而并沒有綜合考慮運(yùn)行費(fèi)，因此看似固定投資回收期變短，但是可能會(huì)導(dǎo)致熱泵后汽水換熱器常開，進(jìn)而使得蒸汽耗量加大，使得運(yùn)行費(fèi)增加，因此此情況下必須結(jié)合運(yùn)行調(diào)節(jié)來確定。

綜合以上分析：供熱系數(shù)α對(duì)應(yīng)的熱泵出水溫度應(yīng)該是一最佳出水溫度。

3.3 在工程上的應(yīng)用

3.3.1 例一

唐山某新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)一次網(wǎng)供回水溫度為105/55℃，二次網(wǎng)溫度為75/50℃，唐山地區(qū)冬季采暖室外計(jì)算溫度為-9℃，冬季采暖室外平均溫度為-2.9℃，這樣供熱系數(shù)α=[18-(-2.9)]/[18-(-9)]=0.69，這時(shí)對(duì)應(yīng)的熱泵出水溫度為81℃。

這樣確定熱泵的進(jìn)出口溫度為81/55℃，熱泵負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷比例為(81-55)/(105-55)=69%，熱泵后汽水換熱器負(fù)擔(dān)比例為(105-81)/(105-55)=31%。

在實(shí)際運(yùn)行中，若熱網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)，則當(dāng)室外氣溫高于采暖室外平均溫度時(shí)，熱泵后汽水換熱器關(guān)閉，熱泵高效運(yùn)行，當(dāng)室外氣溫低于采暖室外平均溫度時(shí)，熱泵后汽水換熱器啟動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)及運(yùn)行，一方面可以降低系統(tǒng)投資，另一方面可以使熱泵高效運(yùn)行，盡可能多回收余熱。

3.3.2 例二

包頭某鋁廠供熱改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目上年運(yùn)行數(shù)據(jù)已給出，如表2所示。表中冬季采暖室外平均溫度的供水溫度為88.1℃。

表2 包頭某鋁廠部分供熱運(yùn)行數(shù)據(jù)表

包頭地區(qū)冬季采暖室外計(jì)算平均溫度為-7℃，采暖室外計(jì)算溫度為-19℃，這樣供熱系數(shù)為0.6756，這樣熱泵最佳出水溫度為55+0.6756×(105-55)=88.78，比較所給出實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)表知，88.78℃是非常合適的。

3.4 在工程上應(yīng)用受到的限制

在實(shí)際工程中，各種情況都有，因此有些項(xiàng)目并不能完全依照上述方法來確定熱泵出水溫度，較常見的情況為：多數(shù)余熱采自電廠冷卻塔，而水冷型冷卻塔冬季進(jìn)出塔溫度均較低，因此很多情況下會(huì)出現(xiàn)熱泵的設(shè)計(jì)熱水溫度低于熱泵最佳出水溫度的情況。

例：大唐邯鄲馬頭電廠，余熱進(jìn)出口溫度為25/20℃，驅(qū)動(dòng)用蒸汽壓力為0.2MPa，一次網(wǎng)回水溫度為55℃，這樣熱泵出水溫度只能做到72℃，此時(shí)熱泵負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷僅占總的供熱負(fù)荷的42.5%，而供熱系數(shù)卻為0.688，因此在這種情況下則只能按熱泵實(shí)際能做到的出水溫度來設(shè)計(jì)，此時(shí)，熱泵投資降低了，但是運(yùn)行費(fèi)用卻加大了，可能會(huì)導(dǎo)致熱泵后汽水換熱器在室外氣溫不太低的情況下也需開啟，從而加大蒸汽的耗量。

還有一種情況也會(huì)遇到，即某地區(qū)供熱系數(shù)較高，但熱泵實(shí)際出水溫度做不到其對(duì)應(yīng)的出水溫度。例河北蔚縣某項(xiàng)目，一次網(wǎng)設(shè)計(jì)供回水溫度105/55℃，供熱系數(shù)高達(dá)0.813，對(duì)應(yīng)的最佳出水溫度應(yīng)該為95.7℃，但是此項(xiàng)目即使余熱很好（空冷島），但是由于熱泵工質(zhì)和技術(shù)原因，此項(xiàng)目的熱水出水溫度是不可能做到此溫度的，此時(shí)也只能按照實(shí)際的出水溫度來確定。

4 結(jié)論

1）熱泵在供熱網(wǎng)中出水溫度并非越高越好，在余熱較好的情況下，建議依照供熱系數(shù)來確定，當(dāng)然若是改造項(xiàng)目，最好結(jié)合往年運(yùn)行數(shù)據(jù)確定熱泵最佳出水溫度。

2）在余熱不太好或余熱很好，但供熱系數(shù)較大的情況下，則必須依據(jù)余熱及驅(qū)動(dòng)熱源來確定熱泵的熱水出口溫度，這樣就會(huì)使得熱泵后汽水換熱器在室外氣溫高于冬季室外平均溫度時(shí)也需部分開啟，從而導(dǎo)致系統(tǒng)耗用蒸汽量加大。

3）本文僅對(duì)于熱網(wǎng)和用戶采用間接連接形式做出了分析，對(duì)于直接連接形式，供熱溫度都較低，故一般都采用熱泵全部負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷的形式，因此熱泵設(shè)計(jì)出水溫度均采用實(shí)際能夠達(dá)到的溫度。除非余熱溫度非常低，造成熱泵出水溫度太低，例55℃，這時(shí)才考慮串接熱水換熱器，但通常此情況下建議對(duì)余熱溫度做出調(diào)整，以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4）由于現(xiàn)有一次網(wǎng)較多采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式，若熱網(wǎng)采用的是分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式，由于此方式供水溫度均較高，故本文觀點(diǎn)不并適用。

[1]周小霞.溴化鋰吸收式熱泵在供暖應(yīng)用中的參數(shù)調(diào)節(jié)分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2012,(2):60-62

[2]王林.小型吸收式制冷機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011

[3]劉學(xué)來主編.城市供熱工程[M].北京:中國電力出版社,2009

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ34-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010