高效蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

周 玨，羅 凡，羅庚玉，陳建平，余承霖，周 強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)（江蘇）電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心有限公司，南京 210019；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730050；3.法凱淶瑪冷暖設(shè)備（杭州）有限公司，杭州 310007；4.國(guó)網(wǎng)江蘇省節(jié)能服務(wù)公司，南京 210019；5.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230061）

◆能效與負(fù)荷管理◆

高效蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用

周 玨1，羅 凡2，羅庚玉3，陳建平3，余承霖3，周 強(qiáng)4

（1.國(guó)網(wǎng)（江蘇）電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心有限公司，南京 210019；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730050；3.法凱淶瑪冷暖設(shè)備（杭州）有限公司，杭州 310007；4.國(guó)網(wǎng)江蘇省節(jié)能服務(wù)公司，南京 210019；5.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230061）

在目前國(guó)家大氣污染治理工作背景下，針對(duì)我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)及寒冷地區(qū)無法使用水地源熱泵或地埋管熱泵問題，以及使用空氣源熱泵存在能效比低、故障率高等問題，提出蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)清潔采暖方案，通過綜合技術(shù)創(chuàng)新突破單一技術(shù)運(yùn)用的客觀限制，打造“不打井、不做地埋管”的水-水熱泵系統(tǒng)，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴(kuò)大、穩(wěn)定性增強(qiáng)、投資減少、故障率降低，并且能夠在暖氣片供暖系統(tǒng)改造中穩(wěn)定提供60℃熱水。以國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓暖氣片改造項(xiàng)目為例，進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和運(yùn)行效果分析，驗(yàn)證了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)；清潔供暖；節(jié)能減排；暖氣片采暖改造

現(xiàn)有的采暖空調(diào)技術(shù)雖都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也存在一些技術(shù)限制和使用瓶頸，如：水源熱泵系統(tǒng)投資小、運(yùn)行穩(wěn)定，但在水資源匱乏地區(qū)，取水或打井均不被允許；土壤源熱泵系統(tǒng)成本高、占地面積大、且容易造成冷堆積等問題；空氣源熱泵應(yīng)用非常廣泛，但其低溫環(huán)境下能效低、壓縮機(jī)高壓比運(yùn)行、故障率高，按最大熱負(fù)荷要求配置使得投資大、設(shè)備閑置率高，發(fā)展受到一定制約。此外，很多使用暖氣片散熱器采暖的改造建筑，在燃煤鍋爐拆除后，面臨或者因?yàn)槌Ｒ?guī)的空氣源熱泵無法滿足“小流量、大溫差”的高溫供熱要求，或者由于“煤改氣”管網(wǎng)不具備接入條件或燃?xì)赓M(fèi)用高、“煤改電鍋爐”需要擴(kuò)容增容等各種實(shí)際問題。

采暖問題面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)，使探索可持續(xù)發(fā)展的清潔采暖技術(shù)具有非常現(xiàn)實(shí)且重大的意義。蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)是利用空氣能和相變蓄能技術(shù)耦合水水熱泵，推出了“不打井、不埋管”的清潔采暖系統(tǒng)，并專門開發(fā)設(shè)計(jì)了暖氣片專用熱泵機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了暖氣片“小流量、大溫差”的供暖技術(shù)要求。同時(shí)使壓縮機(jī)的壓縮比降低近一半，有效解決了極端寒冷天氣下壓縮機(jī)容易故障并損毀的難題，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，大大節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，還可利用峰谷電價(jià)差節(jié)約電費(fèi)，開創(chuàng)了“清潔采暖、節(jié)能降霾”的新思路。

1 項(xiàng)目概述

我國(guó)北方采暖地區(qū)，大多主城區(qū)采用市政熱力管網(wǎng)集中供暖，城區(qū)周邊分散區(qū)域的住宅小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等老舊建筑，仍然使用區(qū)域小鍋爐房供暖站，室內(nèi)大都使用暖氣片散熱器采暖。國(guó)家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓，建筑面積約為2 000 m2，為5層老式建筑，共有住戶30家。采暖方式為老式鑄鐵暖氣片，因采暖效果不佳，部分住戶自行改造安裝新款暖氣片。

國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓由于所處地理位置和原先的規(guī)劃設(shè)計(jì)，與原蘭州機(jī)車廠共用燃煤鍋爐進(jìn)行采暖，由于機(jī)車廠搬遷改建以及環(huán)保部門對(duì)燃煤鍋爐的禁止使用，且由于不能接入市政熱力管網(wǎng)，國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電站為保障家屬樓職工的采暖民生問題，結(jié)合家屬樓外墻無保溫，暖氣片采暖、熱力管網(wǎng)保溫條件不佳等各種實(shí)際問題，就水地源熱泵、空氣源熱泵等清潔采暖的技術(shù)方案進(jìn)行了調(diào)研：

（1）水/地源熱泵系統(tǒng)屬可再生能源利用技術(shù)，水源熱泵能效比高，環(huán)保效益顯著，但禁止打井取水；土壤源熱泵系統(tǒng)通過閉式循環(huán)吸收淺層地?zé)幔狈胶涞貐^(qū)尤其是暖氣片采暖方式下，冬季熱負(fù)荷大、夏季空調(diào)冷負(fù)荷小或者無需制冷，地埋管換熱系統(tǒng)容易造成冷堆積，導(dǎo)致?lián)Q熱量衰減，在已建項(xiàng)目改造中，地埋管占地面積大、投資高，不具備可行的條件。

（2）空氣源熱泵系統(tǒng)通過采集空氣中的低品位熱能實(shí)現(xiàn)供暖，系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)用廣泛，但其低溫環(huán)境條件下，制取高溫?zé)崃康哪芰λp，制熱量小，能耗高，而且僅適合地板采暖和風(fēng)機(jī)盤管的采暖方式，不能滿足暖氣片的使用要求。此外，由于運(yùn)行條件惡劣，造成維修費(fèi)用和故障率居高不下。

這幾種常見的冷熱源解決方案，都有著各自的使用條件限制，而且常規(guī)的水地源熱泵主機(jī)或是空氣源熱泵都是按照末端供回水5℃為基本標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)換熱器的，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)備核心部件的選型設(shè)計(jì)和加工制造。無法通過熱泵設(shè)備本身去滿足暖氣片大溫差供熱的技術(shù)要求，除非專門設(shè)計(jì)各關(guān)鍵部件，但結(jié)果會(huì)導(dǎo)致投資增加、通用性降低的短板。蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，通過空氣源熱泵和（或）其它廢熱余熱與相變蓄能技術(shù)結(jié)合互聯(lián)，解決了水水熱泵源側(cè)低溫?zé)嵩吹膯栴}，同時(shí)通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“小流量、大溫差”控制方式，能夠滿足暖氣片大溫差供暖散熱改造的“節(jié)能、可靠、穩(wěn)定”的要求。圖1為國(guó)家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓。

圖1 國(guó)家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓

2 蓄聯(lián)熱泵方案設(shè)計(jì)

蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)將空氣源熱泵、水源熱泵的優(yōu)勢(shì)通過相變蓄能模塊有效組合，是成熟的蓄能技術(shù)和熱泵技術(shù)的綜合利用。通過蓄能模塊的介入，拓展了水源熱泵和空氣源熱泵的使用條件，克服各自的限制和性能弱點(diǎn)，最大限度利用自然能源（晝夜氣溫的變化）、“峰谷”電價(jià)差以及其它無償能源等各種有利外界因素，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、綜合利用，構(gòu)建可靠穩(wěn)定、節(jié)能省錢的采暖系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)原理圖

蓄能模塊不僅可提升空氣源熱泵動(dòng)力模塊的運(yùn)行效率、運(yùn)行可靠性和壽命，還提供各種其它免費(fèi)能源利用的可能性，如太陽能、廢氣、廢水等，做到多能互補(bǔ)、綜合利用，最大限度實(shí)現(xiàn)低成本環(huán)保運(yùn)行。

國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓暖氣片改造項(xiàng)目中，最終采用了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供暖溫度60℃至65℃，供回水溫差15℃，室內(nèi)溫度18±2℃。由于項(xiàng)目所在地近3年最低溫度為-18℃，最冷月份夜間溫度在-5℃至-15℃之間，白天溫度在0℃左右。設(shè)計(jì)單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為80 W，總熱負(fù)荷為144 kW。系統(tǒng)配置法凱淶瑪AWHD0501A4水水熱泵主機(jī)1臺(tái)，制熱量150 kW；蓄能平臺(tái)體積4 m3，內(nèi)部填充的法凱淶瑪AC00相變蓄能材料3 m3；FMCH020BH（65模塊）低溫空氣源熱泵2臺(tái)。

3 主要設(shè)備選型及性能分析

蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)由一次側(cè)空氣源動(dòng)力模塊、二次側(cè)變工況水水熱泵和相變蓄能模塊組成，通過一次側(cè)空氣源動(dòng)力模塊和相變蓄能的技術(shù)耦合，實(shí)現(xiàn)空氣中所蘊(yùn)含的低品位熱能的采集和儲(chǔ)存，為二次側(cè)水水熱泵系統(tǒng)提供有效熱源。相變蓄能模塊充分發(fā)揮了相變蓄能、冷熱均流和調(diào)節(jié)蓄放的功能。圖3為國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電所家屬樓機(jī)房。

圖3 國(guó)網(wǎng)蘭州建西變電所家屬樓機(jī)房

3.1 一次側(cè)空氣源熱泵

一次側(cè)空氣源熱泵模塊，在低溫環(huán)境中只需向相變蓄能模塊提供不高于25℃的低品位熱能，極端天氣狀況下，相變蓄能材料放熱凝固后，避過幾小時(shí)低于-20℃的極端氣溫，一次側(cè)動(dòng)力模塊就可為蓄能模塊補(bǔ)充能量，溶解凝固潛熱進(jìn)行儲(chǔ)能。在蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，空氣源熱泵在15℃的出水工況下，壓縮機(jī)始終處于安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)間。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)在-20℃低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，其壓縮比僅為12.625，與常規(guī)空氣源熱泵壓縮機(jī)壓縮比28.391相比，降低55.5%，使得設(shè)備可靠性大幅提升，故障率降低，后期維修費(fèi)用極低。根據(jù)氣象條件，按環(huán)溫-5℃/出水15℃為計(jì)算依據(jù)。一次側(cè)空氣源熱泵選擇2臺(tái)FMCH020BH型模塊機(jī)組。圖4為一次側(cè)空氣源熱泵。

圖4 一次側(cè)空氣源熱泵

3.2 相變蓄能模塊

相變蓄能模塊充分發(fā)揮了相變蓄能、冷熱均流和調(diào)節(jié)蓄放的功能，采用高密度相變儲(chǔ)能溶液（phase change material，PCM）灌裝的蓄能球，單位體積儲(chǔ)能密度高達(dá)69.1 kWh/m3，相變蓄能球采用超聲波熔焊密封，預(yù)留空腔吸收相變膨脹，全面確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性。相變蓄能材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)過程中吸收相變?nèi)诨瘽摕?，進(jìn)行逆過程時(shí)釋放相變凝固潛熱。蓄能罐中充填蓄能球及載冷劑，本項(xiàng)目采用方形水箱設(shè)計(jì)，整體式發(fā)泡保溫，內(nèi)置專用布水器，使載冷劑沿著容器分層均勻流動(dòng)，載冷劑進(jìn)口為底部擴(kuò)散器，以保證罐內(nèi)自然分層和均勻換熱。圖5為相變蓄能模塊。

圖5 相變蓄能模塊

3.3 二次側(cè)溫度提升熱泵主機(jī)

在暖氣片采暖改造項(xiàng)目中，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用法凱淶瑪暖氣片專用溫度提升熱泵機(jī)組，在環(huán)境溫度過低時(shí)，即使一次側(cè)空氣源動(dòng)力模塊處于全面自我保護(hù)、無法運(yùn)行的狀態(tài)下，蓄能模塊依然可為溫度提升熱泵提供相變熱能，二次側(cè)溫度提升熱泵具備變工況恒定水溫輸出的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，源側(cè)溫度在0℃至25℃之間變化時(shí)設(shè)備保持穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在投資費(fèi)用不額外增加的前提下，熱泵設(shè)備可穩(wěn)定提供供水60℃/回水45℃的大溫差小流量控制方式，確保末端暖氣片的采暖效果。系統(tǒng)配置溫度提升熱泵1臺(tái)，制熱量156 kW，功率53.4 kW。圖6為二次側(cè)溫度提升熱泵機(jī)組。

圖6 二次側(cè)溫度提升熱泵機(jī)組

4 運(yùn)行效果分析

該項(xiàng)目自2016年10月24日調(diào)試投入運(yùn)行，在2017年1月中旬（最冷時(shí)期），對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況作了隨機(jī)調(diào)查，設(shè)備供水溫度為60℃，抽檢的2家用戶暖氣片實(shí)測(cè)溫度為54.6℃和52.1℃，白天環(huán)境溫度約為-8℃，室內(nèi)溫度20℃。圖7為新款暖氣片表面溫度54.6℃。圖8為老款鑄鐵暖氣片表面溫度52.1℃。

整個(gè)采暖季，對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)行能耗及費(fèi)用情況作了統(tǒng)計(jì)，月均采暖價(jià)格為4.35元/m2，采暖季按5個(gè)月計(jì)算，采暖價(jià)格21.79元/m2，相比原來鍋爐熱力管網(wǎng)價(jià)格25元/m2，暖氣片采暖價(jià)格減少13%。各個(gè)月的采暖能耗及費(fèi)用如表1所示。圖9為部分電費(fèi)月結(jié)清單。

圖7 新款暖氣片表面溫度54.6℃

圖8 老款鑄鐵暖氣片表面溫度52.1℃

表1 逐月運(yùn)行能耗及費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

圖9 部分電費(fèi)月結(jié)清單

為了進(jìn)一步做好節(jié)能管理，設(shè)計(jì)安裝了節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀，將系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集后，通過軟件對(duì)運(yùn)行規(guī)律、電流數(shù)據(jù)、啟停時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能診斷分析，制定最優(yōu)的節(jié)能控制管理方案，通過供水溫度調(diào)整和旁通流量修正，系統(tǒng)的節(jié)能水平提高，減少了運(yùn)行電費(fèi)。節(jié)能系統(tǒng)還可以兼具遠(yuǎn)程控制設(shè)備啟停、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警提示等功能，全面保障系統(tǒng)供暖穩(wěn)定運(yùn)行，可以達(dá)到無人值守、自動(dòng)控制的目的。圖10為節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀。

圖10 節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀

國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司建西變電站家屬樓暖氣片改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，驗(yàn)證了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴(kuò)大、穩(wěn)定性增強(qiáng)、投資減少、故障率降低，AIRCLIMA熱泵主機(jī)能夠在高難度的舊暖氣片供暖系統(tǒng)改造中提供60℃熱水且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過實(shí)測(cè)和對(duì)比，蓄聯(lián)熱泵相較常規(guī)的空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)，投資最高可減少32%，相應(yīng)的配電功率減少29%，運(yùn)行能耗降低21%。系統(tǒng)不僅一次節(jié)省投資、配電費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用，而且可靠性提升，壓縮機(jī)壽命提高，能解決一些極端低溫天氣的供暖問題，滿足溫度高、溫差大、流量小的傳統(tǒng)暖氣片的供暖方式。經(jīng)過一個(gè)采暖季的實(shí)踐表明：系統(tǒng)運(yùn)行良好，節(jié)能效益顯著。

5 結(jié)束語

清潔供暖替代燃煤鍋爐，已成為治理霧霾和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主要措施。現(xiàn)有的各種采暖技術(shù)均存在各自的適用范圍和條件，政府低電價(jià)補(bǔ)貼等方式對(duì)空氣能采暖的扶持不可能長(zhǎng)期持續(xù)，也不能切實(shí)保障低環(huán)溫可靠采暖。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)，在國(guó)網(wǎng)蘭州供電公司建西變電站家屬樓暖氣片改造項(xiàng)目中得到了充分的實(shí)踐，通過綜合技術(shù)創(chuàng)新有效地突破了單一技術(shù)運(yùn)用的客觀限制，打造“不打井、不做地埋管”的水水熱泵系統(tǒng)，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴(kuò)大、穩(wěn)定性增強(qiáng)、投資減少、故障率降低，使北方寒冷地區(qū)因水資源匱乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆積嚴(yán)重”而無法使用水地源熱泵、地埋管熱泵等問題有了新的解決方式。

［1］ 陳建平，白楊，余承霖.蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)的理論與實(shí)踐［J］.地源熱泵，2017（3）：5.

［2］ 余承霖，白楊，李洮洮.蓄聯(lián)熱泵在擴(kuò)建項(xiàng)目中水源梯級(jí)利用的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.地源熱泵，2017（7）：24-28.

［3］ 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 趙慶珠.蓄冷技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版，2012.

［5］ 馬最良.替代寒冷地區(qū)傳統(tǒng)供暖的新型熱泵供暖方式的探討［J］.暖通空調(diào)新技術(shù)，2001（3）：31-34.

Technology and application of high efficiency energy storage interconnected heat pump system

ZHOUJue1,LUOFan2,LUOGeng-yu3,CHENJian-ping3,YUCheng-lin3,ZHOUQiang1
（1.State Grid（Jiangsu）DSMInstruction Center Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China;2.State Grid Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China;3.Hangzhou Airclima Warmand Cold Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310007,China;4.State Grid Jiangsu Energy Conservation Service Company,Nanjing210019,China;5.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei230061,China）

Under the background of national air-pollution control,aiming at the cold area that can not use heat pump or water source heat pump of buried pipe and low energy efficiency ratio and higher failure rate of the use of air source heat pump,the energy storage heat pump system interconnection clean heating scheme is put forward,which break through the objective limit of single the use of technology through the comprehensive technical innovation,in order to create"no well,no water heat pump system of buried tube".The conventional air source heat pump utility boundary is expanded and the stability is enhanced.The investmentis failure rate are reduced,which can provide stability in the transformation of the radiator heating system in hot water 60 degrees.Taking the heating house reconstruction project of the family building in Lanzhou West substation as an example,the scheme design,equipment selection and operation effect analysis are carried out,and the reliability and economy of theheat pump systemareverified.

energy storage interconnected heat pump system;clean heating;energy saving and emission reduction;radiator heatingtransformation

F407.61；TK018

B

1009-1831（2017）06-0025-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.006

2017-08-04

國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目：電網(wǎng)企業(yè)電力需求側(cè)管理目標(biāo)責(zé)任考核“十三五”發(fā)展路徑研究（52110417001F）