離心式熱泵在三聯(lián)供系統(tǒng)中的應用

柴小峰（華東建筑設計研究總院，上海200002）

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離心式熱泵在三聯(lián)供系統(tǒng)中的應用

柴小峰
（華東建筑設計研究總院，上海200002）

摘要：該文總結(jié)了離心式熱泵的一些基本技術(shù)特點和適用范圍。在三聯(lián)供系統(tǒng)中應用離心式熱泵機組，應考慮項目的熱源情況、系統(tǒng)需求、運行模式（冷熱兼用還是僅供熱）等，進行技術(shù)經(jīng)濟分析后作出最優(yōu)化的選擇。結(jié)合上海某商務區(qū)能源中心的設計案例分析后發(fā)現(xiàn)，與采用市電和燃氣鍋爐的常規(guī)能源系統(tǒng)相比，全年用電量可減少19.7%，用氣量減少41.1%，碳排放量減少達26.5%。

關(guān)鍵詞：離心式熱泵；三聯(lián)供；節(jié)能環(huán)保

0　引言

三聯(lián)供系統(tǒng)作為建筑領(lǐng)域新興的綠色能源應用技術(shù)正日益得到重視和推廣。但是對于區(qū)域供能型三聯(lián)供系統(tǒng)來說，電能的自發(fā)自用對于夏季時段尚可實現(xiàn)，如系統(tǒng)發(fā)出的電力可用于驅(qū)動電制冷機組供冷。在目前電力上網(wǎng)受到制約，若冬季發(fā)出的電力無處可用，必然會大幅縮減系統(tǒng)運行的時間。另外大多數(shù)工程僅利用高溫余熱進行供冷供熱，并未對低溫余熱進行充分回收利用，這也將影響能源綜合利用率的提高，同時減弱了三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能減排環(huán)保作用的效果。

三聯(lián)供系統(tǒng)中應用離心式熱泵機組，既可以充分利用三聯(lián)供系統(tǒng)冬季發(fā)出的電力，又可以對系統(tǒng)排出的低溫余熱加以提升利用。保障三聯(lián)供系統(tǒng)能夠連續(xù)運行的最佳經(jīng)濟性時長的同時，也提高了能源的綜合利用效率，特別適合應用于大型三聯(lián)供區(qū)域供能系統(tǒng)中，必將在今后的工程項目中得到廣泛應用。

1　離心式熱泵分類

按熱泵供水溫度范圍來分，通常可分為低溫熱泵（≤46℃）、中溫熱泵（46～55℃）和高溫熱泵（55～85℃）；按照用途分為僅供熱熱泵、冷熱兼用熱泵和熱回收熱泵等類型。除了按照熱泵通用的方法進行分類外，離心式熱泵還可以按照壓縮機的壓縮級數(shù)分為單級、雙級和多級。

（1）單級壓縮式熱泵。單級壓縮能提供的溫度提升（冷凝器熱水出水溫度和蒸發(fā)器熱源水出水溫度的差值）通常不大于39℃[1]。

（2）雙級壓縮式熱泵。雙級壓縮可以在壓縮機內(nèi)通過兩級葉輪實現(xiàn)，也可以利用兩個單級葉輪壓縮機串聯(lián)實現(xiàn)。與單級壓縮相比，雙級壓縮機轉(zhuǎn)速降低，功耗減小，且大大拓展了壓縮比和適應的工況范圍。

（3）三級及多級壓縮離心式熱泵。與雙級壓縮類似，需要增加壓縮的次數(shù)。多級壓縮機組較多應用于生產(chǎn)工藝中，由于其制造成本高，目前在暖通空調(diào)領(lǐng)域應用較少，主要局限在三級壓縮。

通過對國內(nèi)幾家主要空調(diào)熱泵廠商的現(xiàn)有成熟產(chǎn)品調(diào)研發(fā)現(xiàn)：單級離心式熱泵較適合應用在熱泵溫度提升為30℃左右的工況，可提供的最高熱水溫度為45℃左右；雙級壓縮熱泵可提供的熱水出水溫度范圍在45～60℃，僅用于熱泵工況時，最大溫度提升可達50℃，熱水最高出水溫度為65℃左右；三級壓縮可提供的熱水出水溫度范圍在55～85℃。

在實際的工程應用中，也有采用兩臺或多臺單級離心式熱泵機組進行水系統(tǒng)交叉串聯(lián)，即將低壓機組冷凝器側(cè)出水與高壓機組蒸發(fā)器側(cè)進水相連，高壓機組蒸發(fā)器側(cè)出水與低壓機組冷凝器側(cè)進水相連，實現(xiàn)雙級（或多級）壓縮機組，可達到較高出水溫度，如圖1所示。當然，低壓側(cè)的機組也可采用風冷熱泵機組。

出水溫度、壓縮級數(shù)分類及一般使用功能的對應關(guān)系可簡單歸納見表1[2]。

表1　離心熱泵壓縮級數(shù)與出水溫度的對應關(guān)系

2　離心熱泵應用要點

空氣源熱泵是以環(huán)境大氣為冷熱源，運行工況的變化范圍大，要求機組應對惡劣工況的能力要強。而離心式熱泵機組一般能提供的制冷（熱）量比較大，但允許的運行工況范圍相對要窄，因此一般無法采用空氣源方式，考慮采用運行工況相對穩(wěn)定的水源形式，即水-水熱泵方式。相對于空氣源的方便易得，熱源水一般需花費成本進行構(gòu)建。隨著三聯(lián)供系統(tǒng)應用的逐漸增多，其低溫余熱可作為離心式熱泵適宜的熱源，為離心式熱泵提供了良好的應用條件。

離心式熱泵機組自身及在系統(tǒng)中的綜合能效是工程應用中重點關(guān)注的對象?！墩魵鈮嚎s式循環(huán)水源高溫熱泵機組》GB/T 25861-2010將熱泵機組按熱水出水溫度分為H1～H4四類：在規(guī)定試驗工況下，機組實測制熱COP分別不應小于3.8，3.8，3.4，3[3]。從某種程度上來說，機組出水溫度的選擇是至關(guān)重要的因素，它直接影響著系統(tǒng)流程、設備選擇和系統(tǒng)的綜合性能。

影響系統(tǒng)綜合能效的另外一個重要參數(shù)是系統(tǒng)溫差，溫差越大則輸送能耗越低。系統(tǒng)溫差除了受出水溫度的制約之外，還受到機組冷凝器換熱性能和工作模式的影響。目前市場上空調(diào)用離心式熱泵機組的冷凝器一般采用單殼程多管程的殼管式換熱器：單管程冷凝換熱器可提供3～5℃左右溫差；雙管程可提供5～10℃；三管程提供10～15℃，最大不會超過20℃。理論上管程數(shù)量越多，換熱越充分，溫差會越大，但是通過殼管的水壓降也會隨之增加。實際工程應用中，四管路以上的冷凝換熱器很少采用。工作模式方面，如果熱泵機組僅用于供熱工況，溫差采用可以盡可能大些，如果是冷熱兼用，為簡化系統(tǒng)，就需兼顧冷凝器供冷工況的流量情況而不能把溫差做得很大。

總之，熱泵機組的出水溫度、進出水溫差和能耗系數(shù)等技術(shù)參數(shù)對供熱系統(tǒng)流程、設備配置和綜合性能等方面有著至關(guān)重要的影響，應根據(jù)具體項目情況進行技術(shù)經(jīng)濟分析后進行最優(yōu)化選擇。

3　三聯(lián)供系統(tǒng)余熱形式和用途

三聯(lián)供系統(tǒng)中能源利用的一個重要原則就是按照能源品質(zhì)的高低而進行梯級利用，盡可能提高能源的利用效率。此外，三聯(lián)供系統(tǒng)還應盡量做到系統(tǒng)內(nèi)能量的自產(chǎn)自用平衡。一般來說，能源梯級利用方式如圖2所示[4]。

三聯(lián)供系統(tǒng)采用的原動機不同，余熱形式也不盡相同。燃氣內(nèi)燃機的余熱形式主要為400～550℃的高溫煙氣、90～110℃的缸套冷卻水、50～80℃的中冷器冷卻水和潤滑油冷卻水；燃氣輪機的余熱形式主要為450～600℃的高溫煙氣；微燃機的余熱形式主要為200～300℃的高溫煙氣。根據(jù)能源的梯級利用原則：一般來說，溫度高于150℃的余熱，可驅(qū)動雙效吸收式空調(diào)機組制冷，或者通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽；溫度介于80～150℃間的余熱，可驅(qū)動單效吸收式空調(diào)機組制冷；溫度介于60～80℃間的余熱，可直接用于供熱（采暖和生活熱水）；溫度低于60℃的余熱，可與熱泵技術(shù)相結(jié)合，利用熱泵技術(shù)回收提升后用于供熱。需注意的是，高溫余熱利用后的尾熱和中冷水都是很好的低溫余熱資源，可以被再次利用。吸收式熱泵雖然也可以達到回收低溫余熱的目的，但其屬于熱驅(qū)動機組，不能利用三聯(lián)供系統(tǒng)中發(fā)電機生產(chǎn)的電能。如果三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)出的電力沒有使用對象，勢必會縮減三聯(lián)供系統(tǒng)運行的時長，進而影響其經(jīng)濟性。故而在冬季時，可考慮采用電驅(qū)動的熱泵機組來回收余熱制取熱水，是解決該問題的良好途徑。

冬季使用熱泵供熱時，低溫熱源的選擇很重要，一般常有的低溫熱源有可再生能源（地下水，土壤，空氣等）和余熱等。從能源利用的先后順序上來說，往往優(yōu)先考慮余熱的利用，其次再考慮可再生能源（地下水，土壤，空氣等）的利用。三聯(lián)供系統(tǒng)有大量的低溫余熱資源可以利用，并可以為熱泵機組提供電能，因此可以考慮把三聯(lián)供系統(tǒng)和離心式熱泵機組結(jié)合起來用于冬季供熱。主要應用形式有：

（1）離心式熱泵回收低溫煙氣余熱；

（2）離心式熱泵回收低溫中冷水余熱；

（3）離心式熱泵回收冷卻塔冷凝熱；

（4）離心式熱泵結(jié)合空氣源熱泵。

4　工程應用案例

上海某商務區(qū)3號能源站采用4臺單機發(fā)電容量4.5MW的燃氣內(nèi)燃機組作為區(qū)域能源站的主要供能系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，主要設備及參數(shù)見表2。能源站的峰值小時冷/熱負荷為108457kW/30462kW，典型日冷/熱負荷為1086042kWh/338960kWh，全年累計冷/熱負荷為11987 萬kWh/4293萬kWh。

該項目供熱系統(tǒng)包括：

1）煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機組供熱系統(tǒng)。

2）低溫煙氣換熱器+離心式水/水熱泵機組串級供熱系統(tǒng)。

3）風冷熱泵+離心式水/水熱泵機組串級供熱系統(tǒng)。

4）備用燃氣熱水鍋爐+板式換熱器供熱系統(tǒng)。

表2　主要設備及參數(shù)

該項目制冷系統(tǒng)包括：

1）煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機組供冷系統(tǒng)。

2）離心式冷水機組供冷系統(tǒng)。

3）風冷熱泵供冷系統(tǒng)。

4）冰蓄冷+水蓄能復合蓄能系統(tǒng)。

該項目采用煙氣換熱器+離心式熱泵兩級串聯(lián)、風冷熱泵+離心式熱泵兩級熱泵串聯(lián)的方式來實現(xiàn)供熱，主要是考慮到過低的熱水供水溫度會給供熱系統(tǒng)設計和設備選型帶來一定困難。

低溫煙氣換熱器+離心式水/水熱泵機組兩級串聯(lián)供熱系統(tǒng)

首先由低溫煙氣換熱器制取40℃的熱水，然后再由離心式水/水熱泵機組以該熱水為低溫熱源制取62℃的供暖熱水，各節(jié)點溫度工況和流程如圖3所示。

風冷熱泵機組+離心式水/水熱泵機組兩級串聯(lián)供熱系統(tǒng)首先由風冷熱泵機組制取35℃的熱水，然后再由離心式水/水熱泵機組以該熱水為低溫熱源制取62℃的供暖熱水，各節(jié)點溫度工況和流程如圖4所示。

與采用市電和燃氣鍋爐的常規(guī)能源系統(tǒng)相比，一年耗電量下降19.7%，達696萬kWh，耗氣量下降41.1%，達252萬m3，合計碳排放量減少26.5%，達到11218t，取得了良好的節(jié)能減排效果，見表3。

表3　常規(guī)系統(tǒng)與三聯(lián)供系統(tǒng)的年耗電、耗氣以及碳排放量對比

5　結(jié)語

離心式熱泵機組近年來在我國發(fā)展迅速，相關(guān)廠家已經(jīng)有了多種類型的離心熱泵產(chǎn)品，并且價格適中，已經(jīng)具備大量推廣使用的條件。與三聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合，可以很好地解決系統(tǒng)低溫余熱利用和發(fā)電上網(wǎng)難的問題。既充分利用了系統(tǒng)冬季發(fā)出的電力，又可以對系統(tǒng)的低溫煙氣和中冷水等低溫余熱加以提升利用，實踐證明可以取得很好地節(jié)能減排效果。

參考文獻：

[1]諸琛.雙級離心式高溫水源熱泵設計應用分析[A].中國制冷學會2009學術(shù)年會論文集[C]：691～697.

[2]于紅霞，杜國良.離心式熱泵機組的設計與應用[J].發(fā)電與空調(diào)，2012，（3）：59～64.

[3] GB/T 25861-2010，蒸氣壓縮式循環(huán)水源高溫熱泵機組[S].

[4]張春鑫.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析[D].北京：華北電力大學，2012.

修回日期：2016-01-26

Application of Centrifugal Heat Pump in CCHP

CHAI Xiao-feng
（East China Architecture Design Institution，Shanghai 200002，China）

Abstract：The article concludes several centrifugal heat pump’s basic technical points and its correspondent applicable condition. During the design period of centrifugal heat pump in CCHP project，the best plan should be made case by case based on the evaluation of owner requirements，available heat sources，and operation modes（heating only or heating/cooling both）. Through the analysis of an actual engineering project in Shanghai，the total usage of electricity，gas and co2 emission within a year could reduce 19.7%，41.1% and 26.5% respectively.

Key words：centrifugal heat pump；CCHP；energy conservation and environment protection

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：柴小峰（1984-），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設計工作。

中圖分類號：TU831.4

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0073-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.017