地?zé)崮芘c水源熱泵的聯(lián)合開(kāi)發(fā)應(yīng)用

王燕付苗苗

（1.華北油田技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)處；2.華北油田供水供電服務(wù)中心）

華北油田某供熱中心在2014年結(jié)束由小型燃煤鍋爐為礦區(qū)集中供暖的現(xiàn)狀。該供熱中心有兩眼優(yōu)質(zhì)自噴地?zé)峋?，一采一灌，出口溫?05℃，出口壓力0.30MPa，流量65m3/h。結(jié)合礦區(qū)新建小區(qū)面臨采暖的契機(jī)，采用換熱聯(lián)合熱泵進(jìn)行地?zé)崮艿奶菁?jí)開(kāi)發(fā)利用，滿足12×104m2新建小區(qū)的采暖需求，同時(shí)為綠色低碳發(fā)展之路輔以綿薄路石之力。

1 設(shè)計(jì)方案

新建小區(qū)采暖面積12×104m2，以高層建筑為主，除部分一樓商戶外均為居民住宅，末端采用地板采暖，分成高、低區(qū)供暖。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為45W/m2，供暖總熱負(fù)荷5400kW；現(xiàn)有地?zé)峋隹跍囟?05℃，考慮管道輸過(guò)程熱損失，可利用的溫度為100℃，流量為65m3/h，地?zé)崂煤蟮幕毓鄿囟刃柙?7℃以下。如果單純利用直接換熱作為最終的利用形式，回灌溫度最低為45℃左右，遠(yuǎn)滿足不了小區(qū)熱負(fù)荷要求，因此需要對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行梯級(jí)利用，利用熱泵技術(shù)對(duì)45℃的低品位熱能繼續(xù)提取，以滿足小區(qū)熱負(fù)荷需求。

經(jīng)需求分析后，制定出了對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行梯級(jí)利用的設(shè)計(jì)方案，采用換熱加水源熱泵的形式對(duì)地?zé)崮苌疃壤?。首先地?zé)崴?jīng)過(guò)一級(jí)板式換熱器（負(fù)責(zé)高區(qū)供暖）；一級(jí)換熱后的尾水進(jìn)入二級(jí)板式換熱器，二級(jí)板式換熱器二次側(cè)連接水源熱泵蒸發(fā)器，熱泵負(fù)責(zé)低區(qū)供暖。系統(tǒng)配置了PLC系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

方案流程如圖1所示，地?zé)醽?lái)水經(jīng)過(guò)三通閥一支進(jìn)入一級(jí)板式換熱器，一級(jí)板式換熱器一次側(cè)出水（設(shè)計(jì)45℃）匯同三通閥另外一支地?zé)醽?lái)水一并進(jìn)入二級(jí)板式換熱器，地?zé)崴?jīng)二級(jí)板式換熱器后回水回灌地下（設(shè)計(jì)15℃），二次側(cè)與熱泵蒸發(fā)器完成熱量交換。一級(jí)板式換熱器為高區(qū)供暖，熱泵則為低區(qū)供暖。此設(shè)計(jì)充分提取地?zé)釢撃?，設(shè)計(jì)最終回灌溫度是15℃，既能滿足當(dāng)前小區(qū)采暖的熱負(fù)荷又可充分保證水源熱泵的實(shí)際COP處于較高值，有效降低水源熱泵電能消耗。

圖1 小區(qū)供暖方案流程圖

2 存在的問(wèn)題

按照設(shè)計(jì)，項(xiàng)目如期竣工并投運(yùn)，但在應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，導(dǎo)致熱泵機(jī)組無(wú)法安全使用。

1）熱泵蒸發(fā)器冷凍水（井水）入口溫度偏高存在安全隱患。為充分利用地?zé)崮埽O(shè)計(jì)了地?zé)峋畞?lái)水三通閥，目的是在滿足一級(jí)板式換熱器供熱負(fù)荷時(shí)將富余的少量高溫地?zé)崴苯右霟岜谜舭l(fā)器，以提高熱泵實(shí)際COP。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于供暖初期小區(qū)熱負(fù)荷需求較低，100℃的高溫地?zé)崴烊雽?dǎo)致熱泵蒸發(fā)器冷凍水（井水）入口溫度過(guò)高，特別是在熱泵冷凝器出水達(dá)到設(shè)定溫度壓縮機(jī)停機(jī)后，高溫冷凍水會(huì)導(dǎo)致熱泵壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)（R22）壓力升高，超過(guò)安全壓力致使安全閥打開(kāi)，從而發(fā)生安全事故。

2）保證熱泵蒸發(fā)器冷凍水（井水）入口溫度前提下，高、低區(qū)供熱負(fù)荷相互矛盾。為避免蒸發(fā)器冷凍水入口溫度過(guò)高，需將三通閥去二級(jí)板式換熱器分支關(guān)閉或調(diào)至極小，但這樣操作會(huì)帶來(lái)高、低區(qū)熱負(fù)荷相互矛盾的問(wèn)題。由于一、二級(jí)板式換熱器的串聯(lián)運(yùn)行設(shè)計(jì)，尤其是在供暖初期，滿足一級(jí)板式換熱器（高區(qū)供暖）熱負(fù)荷的地?zé)崴髁繚M足不了水源熱泵（低區(qū)供暖）蒸發(fā)器熱量需求，導(dǎo)致蒸發(fā)器冷凍水出口溫度過(guò)低，無(wú)法滿足低區(qū)供暖需求，為滿足蒸發(fā)器熱量需求只有將高溫地?zé)峋糠忠攵?jí)板式換熱器，但事實(shí)證明這一小部分流量的引入極有可能引發(fā)安全事故；相反，如果保證了熱泵蒸發(fā)器熱量需求，則會(huì)導(dǎo)致高區(qū)供暖負(fù)荷過(guò)大，此時(shí)供暖溫度高達(dá)60℃，超出地板采暖溫度范圍。

3 改造方案

上述問(wèn)題的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴膳跗诘氖彝馄骄鶞囟冗h(yuǎn)高于建筑物熱負(fù)荷計(jì)算中的采暖室外計(jì)算溫度值，加之相對(duì)保守的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，在氣溫相對(duì)較高的采暖初期或末期，問(wèn)題更加明顯，嚴(yán)重影響了正常供暖。針對(duì)現(xiàn)狀，改造的思路應(yīng)著眼于工藝和安全保證兩個(gè)方面。

根據(jù)初期運(yùn)行采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)設(shè)計(jì)部門重新核算，采暖初期高區(qū)、低區(qū)直接利用換熱也能滿足采暖負(fù)荷要求。因此對(duì)供暖工藝進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的方案流程見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)后的方案流程圖

改進(jìn)后，在氣溫相對(duì)較高的供暖初期和末期用板式換熱器換熱后直接供暖，熱泵暫時(shí)停運(yùn)。此時(shí)，打開(kāi)閥門1、2、3，關(guān)閉閥門4～8，構(gòu)成一級(jí)、二級(jí)板式換熱器的并聯(lián)運(yùn)行，分別為高區(qū)和低區(qū)供暖，各供暖負(fù)荷分別由電動(dòng)三通閥A和B調(diào)節(jié)；氣溫較低單靠換熱滿足不了小區(qū)采暖負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉閥門1、2、3，打開(kāi)閥門4～8，啟動(dòng)熱泵，繼續(xù)提取地?zé)崮堋?/p>

相比初始方案增加了三通閥B，其目的是滿足一級(jí)、二級(jí)板式換熱器靈活調(diào)節(jié)負(fù)荷的需求；增加了安全系數(shù)，當(dāng)熱泵運(yùn)行至設(shè)定負(fù)荷壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，可由PLC系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉三通閥B去二級(jí)板式換熱器分支通道，防止高溫地?zé)崴幕烊雽?dǎo)致熱泵壓縮機(jī)工質(zhì)壓力驟升而出現(xiàn)安全事故，當(dāng)壓縮機(jī)再次啟動(dòng)后，再自動(dòng)恢復(fù)該分支流量以滿足熱泵蒸發(fā)器側(cè)熱量需求，保證COP值始終在4.0以上。

4 實(shí)施效果

優(yōu)化方案實(shí)施后，經(jīng)一個(gè)多月的初步運(yùn)行，采暖前期采用兩級(jí)板式換熱器并聯(lián)運(yùn)行的方式運(yùn)行平穩(wěn)，用戶室內(nèi)溫度平均19℃以上，供暖效果理想。同時(shí)，地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)凸顯，加之方案優(yōu)化后，熱泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)時(shí)間，按目前參數(shù)測(cè)算，熱泵僅在寒冷期運(yùn)行20天左右，能耗大幅度降低，同上一采暖期燃煤鍋爐供暖相比，煤電消耗對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 2種供暖方式煤電消耗對(duì)比

對(duì)比運(yùn)行地?zé)峒訜岜门c運(yùn)行燃煤鍋爐的供暖方式，單位能耗顯著下降。采暖面積為12×104m2小區(qū)，每個(gè)采暖期可減少燃煤消耗1800t（標(biāo)煤），減少CO2排放4500t左右，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境效益都非?？捎^，達(dá)到了綠色供暖。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ26—2010嚴(yán)寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)工業(yè)出版社,2010.