吸收式熱泵區(qū)域供熱最大供熱范圍與節(jié)能判據(jù)研究

趙 麒,王 琛, 譚羽飛

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090;3.長(zhǎng)春工程學(xué)院設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130012)

近些年，吸收式熱泵技術(shù)及工質(zhì)的研究日趨成熟，受到了越來越多的關(guān)注，并逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中加以使用[1-5]。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展和人們對(duì)居住環(huán)境要求的提高，建筑供熱帶來的能源消耗與環(huán)境污染日益嚴(yán)重。國家出臺(tái)了多部建筑行業(yè)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，并鼓勵(lì)在建筑中使用可再生能源、清潔能源等以減少對(duì)煤等不可再生能源的依賴。許多學(xué)者建議用吸收式熱泵回收熱電廠循環(huán)冷卻水的熱量后用于區(qū)域供熱[6-9]，由于熱泵系統(tǒng)熱水供回水溫差比采用鍋爐供熱系統(tǒng)時(shí)的溫差小得多，這樣在輸送相同的熱負(fù)荷時(shí)，熱泵系統(tǒng)所需的熱水流量變得很大，熱水循環(huán)泵的能耗也必然隨之增大，而且熱泵系統(tǒng)中低溫?zé)嵩磦?cè)的循環(huán)泵也要消耗高品位的電能。雖然中國的電仍以燃煤火力發(fā)電為主，且發(fā)電效率很低，平均在32.2%左右[10]，但鍋爐房供熱系統(tǒng)的效率在不斷提高，如公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定燃煤鍋爐的額定熱效率應(yīng)不低于78%[11]。所以在實(shí)際的工程中，吸收式熱泵供熱系統(tǒng)究竟能否真正做到比傳統(tǒng)的鍋爐房供熱系統(tǒng)更為節(jié)能確實(shí)需要仔細(xì)分析與探討。

筆者將吸收式熱泵與傳統(tǒng)鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)相比較，在國家建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的耗電輸熱比EHR的基礎(chǔ)上，結(jié)合一次能耗率引申得到一次能源消耗輸熱比PEHR的能耗比較標(biāo)準(zhǔn)，通過分析與計(jì)算，研究和討論吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的合理作用范圍并試圖找到如何判斷該系統(tǒng)是否節(jié)能的依據(jù)。

1 能耗比較標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)為了對(duì)消耗在熱水輸配系統(tǒng)上的能耗予以控制，規(guī)定了設(shè)計(jì)條件下的熱水循環(huán)泵的耗電輸熱比EHR。EHR法只考慮了運(yùn)行時(shí)水泵的能耗，而忽略了供熱量來源的不同。筆者在EHR法的基礎(chǔ)上提出一次能源消耗輸熱比法PEHR(primary energy heat rate)即單位供熱負(fù)荷所消耗的一次能源總量。則鍋爐房區(qū)域供熱的能源消耗輸熱比可由下式確定：

(1)

式中：YPEHR1為區(qū)域鍋爐房一次能源消耗輸熱比；ε1為循環(huán)泵消耗的電量，kJ；ηe為一次能源轉(zhuǎn)換為用戶電能的效率，根據(jù)中國現(xiàn)有能源狀況，燃煤火力發(fā)電的效率平均在32.2%左右[10]，若電能輸送效率為90%，則ηe=32.2%×90%≈29%；Q為系統(tǒng)供熱量，kJ；η為鍋爐的熱效率，國家標(biāo)準(zhǔn)[11-12]中對(duì)燃煤鍋爐額定效率規(guī)定，燃Ⅱ類煙煤的鍋爐效率取78%，燃Ⅲ類煙煤的鍋爐效率取82%。

吸收式熱泵區(qū)域供熱的一次能源消耗輸熱比YPEHR2由下式確定：

(2)

式中:ε′為熱泵系統(tǒng)的全部電能消耗。

ε′=ε2(1+a),

(3)

式中:a為低溫?zé)嵩磦?cè)水泵的耗電量占循環(huán)泵耗電量的比例;cop為吸收式熱泵裝置的制熱性能系數(shù)；ε2為循環(huán)泵耗電量。

令溫差比β=Δt1/Δt2，即為鍋爐房供回水溫差與吸收式熱泵供回水溫差的比值，則吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)與鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電比為

ε2=βε1,

(4)

因?yàn)棣?1，所以ε2>ε1

2 吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)合理作用范圍的研究

PEHR可以理解為供熱系統(tǒng)消耗的一次能源總量與系統(tǒng)總供熱量的比值，該值越小，說明向用戶輸送同樣的熱量需要的一次能源消耗量越少，所以該值越小越好。

吸收式熱泵系統(tǒng)的最大作用范圍Rmax是指室外管網(wǎng)主干線采用相同長(zhǎng)度的供、回水管道及相同長(zhǎng)度低溫?zé)嵩垂?、回水管道時(shí)，是總管網(wǎng)主干線總長(zhǎng)度的1/2。筆者以供回水溫度為95 ℃/70 ℃的鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)和供回水溫度為60 ℃/50 ℃的吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)為研究對(duì)象。

將文獻(xiàn)[11]中數(shù)據(jù)換算成對(duì)應(yīng)的PEHR，見表1(a=0.10,cop=1.25)。

表1 PEHR1與PEHR2計(jì)算值

注：∑L為鍋爐房區(qū)域供熱室外管網(wǎng)總長(zhǎng)度。

PEHR值隨總管線長(zhǎng)度的增加而增大，相同管線總長(zhǎng)度條件下，2種區(qū)域供熱系統(tǒng)的熱效率越高，PEHR值越小。如果將PEHR值限制在一定的范圍內(nèi)，則區(qū)域供熱系統(tǒng)管道的最大作用范圍就可確定。

由圖1可見，隨著a值的增大，系統(tǒng)的最大作用范圍Rmax減小。當(dāng)a由0.10增加至0.40時(shí)，Rmax由3.225 km減小到2.325 km，(PEHR控制在1.15時(shí))。

另外，當(dāng)a值一定時(shí)，隨著PEHR限值的增大，最大作用范圍Rmax也相應(yīng)增大，例如，當(dāng)a=0.20時(shí)，若PEHR的限值從1.10增大到1.25，Rmax也由1.3 km增加到6 km。因此，若要將a值一定的吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的PEHR指標(biāo)控制在一定范圍內(nèi)，就必須對(duì)供熱系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。具體來說，當(dāng)PEHR指標(biāo)分別取1.10，1.15，1.20，1.25時(shí)，吸收式熱泵供熱系統(tǒng)的最大作用范圍在a為0.3時(shí)應(yīng)分別為1.125，2.575，4.025，5.450 km。

圖1 PEHR限值時(shí)不同a值的最大作用范圍(η=78%)Fig.1 Maximum range under various values of a when PEHR is limited(η=78%)

圖2 PEHR限值時(shí)不同a值的最大作用范圍(η=82%)Fig.2 Maximum range under various values of a when PEHR is limited(η=82%)

由圖2可見，鍋爐燃燒效率不同時(shí)的最大作用范圍變化規(guī)律與圖1相同。由圖1、圖2可以看出，當(dāng)吸收式熱泵制熱性能系數(shù)和a值一定時(shí)，PEHR控制值越大，吸收式熱泵的作用范圍也越大；當(dāng)PEHR控制值一定時(shí)，a值越大，即低溫?zé)嵩磦?cè)水泵的耗電量占循環(huán)泵耗電量的比例越大，系統(tǒng)的供熱范圍越小。當(dāng)a由0.10增大至0.40，在PEHR指標(biāo)分別控制在1.10，1.15，1.20和1.25時(shí)，最大作用范圍(η=82%)分別降低了27.9%，25.9%，24.8%和24.0%。由于吸收式熱泵的驅(qū)動(dòng)能源來源于熱量，當(dāng)熱效率升高時(shí)，在其他條件相同時(shí)的最大供熱范圍會(huì)相應(yīng)增大。

3 吸收式熱泵區(qū)域供熱節(jié)能判斷

在給定系統(tǒng)的供回水溫差、室外管網(wǎng)主干線總長(zhǎng)度和鍋爐的熱效率等參數(shù)后，就可以確定當(dāng)吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)比鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)節(jié)能時(shí)，對(duì)熱泵裝置的制熱性能系數(shù)cop的最低要求。

要想吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)比鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)節(jié)能，則要求下式成立：

YPEHR2

(5)

將式(1)～式(4)代入式(5)得吸收式熱泵區(qū)域供熱節(jié)能判據(jù)：

(6)

根據(jù)本文建立的能耗比較標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)a=0.10和0.20時(shí)，在衡量指標(biāo)下cop的低限值見表2。

表2 不同a值條件下cop低限值

注：∑L為吸收式熱泵區(qū)域供熱室外循環(huán)水與低溫水管網(wǎng)的總長(zhǎng)度(吸收式熱泵作用范圍)。

從表2可以看出，在要求吸收式熱泵區(qū)域供熱比鍋爐房區(qū)域供熱節(jié)能的前提下，隨著吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)作用范圍的增加，熱泵裝置的cop低限值也在增加，在熱泵作用范圍相同時(shí)，相比較的鍋爐房燃燒效率越高，所需的熱泵裝置的cop低限值越大。表2中a值的變化對(duì)結(jié)果有很大影響，影響a值的因素有低溫水的流量、密度、溫差、比熱、管網(wǎng)阻力及水泵的機(jī)械效率。在不同的工程條件下，影響a值的因素差異較大，這就造成熱性能系數(shù)cop的低限值的變化。

圖3 熱泵cop低限值隨作用范圍變化(η=78%)Fig.3 Lower limit of cop with the heating range (η=78%)

由圖3可見，鍋爐的熱效率為78%時(shí)隨著a值的增大，吸收式熱泵的cop低限值增大。當(dāng)a由0.10增大至0.40時(shí)，cop低限值由1.113 7增大到1.170 7(作用范圍6 km)。另外，對(duì)于同一a值，隨著作用范圍的增大，cop低限值也相應(yīng)增大。例如：當(dāng)a=0.20時(shí)，若作用范圍從2 km增大到10 km，cop低限值也由1.052 8增加到1.224 2。因此，若要a值一定的吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)比相應(yīng)鍋爐房區(qū)域供熱系統(tǒng)節(jié)能，就需要熱泵cop達(dá)到一定要求。具體來說，對(duì)于a=0.40，當(dāng)供熱作用范圍分別為2，4，6，8，10 km時(shí)，吸收式熱泵cop最低值分別為1.066 8，1.114 6，1.170 7，1.230 6，1.296 9。

圖4 熱泵cop低限值隨作用范圍變化(η=82%)Fig.4 Lower limit of cop with the heating range (η=82%)

由圖4可見，鍋爐的熱效率為82%前提下的吸收式熱泵cop低限值變化規(guī)律與前者相同。當(dāng)a由0.10增大至0.40時(shí)，cop低限值由1.120 2增大到1.181(作用范圍6 km)。當(dāng)a=0.30時(shí)，若作用范圍從2 km增大到8 km，cop低限值也由1.063 0增加到1.276 5。對(duì)于a=0.40，當(dāng)供熱作用范圍分別為2，4，6，8 km時(shí)，吸收式熱泵cop最低值分別為1.070 5，1.123 1，1.181 0，1.245 3，1.317 0。

4 結(jié) 論

吸收式熱泵系統(tǒng)已被作為一種節(jié)能環(huán)保的系統(tǒng)在中國開始應(yīng)用，為了提高該系統(tǒng)在規(guī)模化應(yīng)用中的能源利用效率，針對(duì)吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的最大作用范圍和區(qū)域供熱節(jié)能判據(jù)進(jìn)行了分析與計(jì)算并得到以下結(jié)論。

1)在借鑒國家建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)供熱系統(tǒng)熱水循環(huán)泵的耗電輸熱比EHR的計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一次能源消耗輸熱比PEHR的概念，計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸收式熱泵制熱性能系數(shù)一定時(shí)，PEHR控制值越大，吸收式熱泵的作用范圍越大；a值越大，系統(tǒng)的供熱范圍越小。

2)吸收式熱泵區(qū)域供熱的作用范圍越小，對(duì)熱泵裝置本身的cop低限值的要求越小，說明作用范圍小的吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)更容易滿足節(jié)能要求。

3)在相同作用范圍與燃燒效率條件下，a值越小，即低溫?zé)嵩磦?cè)水泵的耗電量占循環(huán)泵耗電量的比例越小，滿足節(jié)能要求的熱泵cop的低限值越小，吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)越易實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

本文的方法與結(jié)論可為吸收式熱泵區(qū)域供熱的廣泛應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。雖然研究主要針對(duì)吸收式熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng),但該計(jì)算可以應(yīng)用到區(qū)域供冷系統(tǒng)中,只是此時(shí)循環(huán)水泵耗電輸熱比計(jì)算式中相應(yīng)的數(shù)據(jù)要換成適合區(qū)域供冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

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