離心式熱泵的原理及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

丁勇，朱豐雷，王頂東，姚亮，趙晨

（合肥通用機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)有限公司，安徽 合肥 230031）

城市化進(jìn)程的給城市的能源供給系統(tǒng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了擺脫能源的緊張局面和環(huán)境污染等問(wèn)題，我國(guó)一方面大力發(fā)展新興能源，推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，另一方面更是大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)傳統(tǒng)能源清潔高效利用。區(qū)域供暖中的高溫離心熱泵技術(shù)正是在這一背景下出現(xiàn)的。大容量高溫離心熱泵不僅可以徹底解決傳統(tǒng)供暖方式的能源利用率低、高污染、高排放等一系列問(wèn)題，并且打破了傳統(tǒng)熱泵技術(shù)的小容量、低出水溫度的技術(shù)瓶頸。

1 離心式熱泵的特點(diǎn)和循環(huán)原理

隨著石化類能源的日益緊張，水源熱泵得到了廣泛重視和研究。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的熱泵設(shè)備基本以螺桿式為主，單機(jī)制冷、制熱量小，能效比低，不適合于大型商用大樓、住宅小區(qū)等集中式區(qū)域型供冷、供暖場(chǎng)所，而出水溫度高于60℃，單機(jī)制熱量大于2000kW的高溫水源熱泵的研究較少，能真正擁有高溫?zé)岜眉夹g(shù)和產(chǎn)品的企業(yè)更。某公司研發(fā)出的單臺(tái)熱泵制熱量7000kW，出水溫度高達(dá)85℃的大容量高溫?zé)岜脵C(jī)組徹底打破了這一技術(shù)瓶頸。此高溫?zé)岜迷诩夹g(shù)上的突破表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

（1）輸出熱水溫度高達(dá)85℃。

（2）單機(jī)容量可達(dá)7000kW。

（3）采用環(huán)保型制冷劑R134a，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，綠色環(huán)保。

（4）可實(shí)現(xiàn)制冷、蓄冷、制熱、蓄熱四種模式的一鍵轉(zhuǎn)換功能。

1.1 離心式熱泵的分類及其應(yīng)用場(chǎng)合

為了讓產(chǎn)品適合不同環(huán)境、不同項(xiàng)目和不同用戶的要求，離心式熱泵分為低溫、中溫、高溫三種熱泵。其中，低溫型離心式熱泵可提供46℃的熱水，滿足針對(duì)采用中央空調(diào)進(jìn)行冷、熱供給的建筑項(xiàng)目；中溫型離心式熱泵提供46～55℃的熱水，完全可以滿足住宅項(xiàng)目暖氣的供熱需求；高溫型離心式熱泵提供55～85℃的熱水，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)供熱鍋爐設(shè)備的改造和新型能源站的熱水供給等。這三類熱泵最大制熱量目前都可以達(dá)到7000kW，可以解決市場(chǎng)上中小冷量熱泵產(chǎn)品所需數(shù)量較多、機(jī)房占地面積較大、節(jié)能效果較低的不足。

1.2 離心式熱泵的特點(diǎn)

離心熱泵具有容量范圍廣、出水溫度多樣化、環(huán)保無(wú)污染、COP 值高等特點(diǎn)。特別是在高溫?zé)岜迷O(shè)計(jì)中采用先進(jìn)的雙壓縮機(jī)串聯(lián)，制冷模式下只開(kāi)啟一級(jí)壓縮機(jī)，關(guān)閉二級(jí)壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)制冷COP 的最大化；而在制熱時(shí)一、二級(jí)壓縮機(jī)都開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)高溫?zé)岜脡嚎s機(jī)所需要的高壓頭，并保證85℃出水時(shí)COP 在3.0以上。

1.3 離心式熱泵的循環(huán)原理

低溫?zé)岜玫难h(huán)原理與單冷機(jī)相同，但需要針對(duì)熱泵工況對(duì)壓縮機(jī)的葉輪、葉輪罩、擴(kuò)壓器進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)的壓頭滿足熱泵工況的需求。另外還需要對(duì)蒸發(fā)器、冷凝器及節(jié)流裝置進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)，使其滿足熱泵工況機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求即可。

中溫?zé)岜醚h(huán)原理與單冷機(jī)差異不大。中溫?zé)岜靡话悴捎脝晤^雙級(jí)壓縮的壓縮機(jī)，配置經(jīng)濟(jì)器使經(jīng)濟(jì)器中閃發(fā)出來(lái)的氣態(tài)制冷劑與一級(jí)壓縮后的制冷劑混合后進(jìn)入二級(jí)葉輪進(jìn)行壓縮，達(dá)到需要的較高壓頭。另外，雙級(jí)離心機(jī)配置兩級(jí)節(jié)流裝置，節(jié)流裝置的選型需兼顧兩器與中間補(bǔ)氣的壓差等；兩器的選型及配置考慮換熱要求及整體熱泵機(jī)組的系統(tǒng)配置即可。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上雙級(jí)壓縮離心機(jī)技術(shù)已比較成熟。

高溫?zé)岜檬遣捎秒p壓縮機(jī)串聯(lián)技術(shù)，因?yàn)殡x心壓縮機(jī)提供的壓頭是由離心機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)決定的。隨著轉(zhuǎn)速不斷的提高，葉輪在強(qiáng)度和直徑的設(shè)計(jì)上無(wú)法與過(guò)高的轉(zhuǎn)速相匹配；目前采用普通合金鋼制造的閉式葉輪其提供的最大能量頭通常不大于2900 米（即39℃溫差），一旦外界系統(tǒng)的壓頭超過(guò)壓縮機(jī)本身能提供的最大壓頭，壓縮機(jī)就會(huì)發(fā)生喘振，喘振對(duì)壓縮機(jī)危害極大。而高溫?zé)岜眯枰峁┘s45～75℃溫差的能量頭，所以這種限制在一定程度上極大的阻礙了各個(gè)廠家對(duì)高溫?zé)岜玫拈_(kāi)發(fā)。而本案采用的雙壓縮機(jī)串聯(lián)技術(shù)是高溫?zé)岜玫淖罴逊桨?。下面介紹一下雙壓縮機(jī)串聯(lián)高溫?zé)岜玫难h(huán)原理。

制熱模式時(shí)，如圖1、2 所示，一級(jí)壓縮機(jī)從蒸發(fā)器吸氣壓縮（2-3），排出的氣體與經(jīng)濟(jì)器中的補(bǔ)氣混合后進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)吸氣端進(jìn)行二級(jí)壓縮（8-9-3），達(dá)到更高的壓頭后（9-4），將高溫高壓氣體排入冷凝器（4-5），冷凝后的液態(tài)制冷劑被一級(jí)節(jié)流形成氣液混合物進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器（5-6），在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)通過(guò)氣液分離后（7-6-8），氣體完成對(duì)一級(jí)壓縮排氣的補(bǔ)氣（8-9），液體再通過(guò)二級(jí)節(jié)流（7-1），形成低溫低壓的氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)（1-2），一級(jí)壓縮機(jī)再?gòu)恼舭l(fā)器吸氣壓縮完成一次雙機(jī)串聯(lián)的系統(tǒng)循環(huán)。

制冷模式時(shí)只開(kāi)啟一級(jí)壓縮機(jī)，控制器自動(dòng)控制機(jī)組上多個(gè)轉(zhuǎn)換閥門，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制冷循環(huán)，關(guān)閉二級(jí)壓縮機(jī)帶來(lái)的熱泵機(jī)組能耗的降低，能極大的節(jié)約機(jī)組在夏季制冷時(shí)運(yùn)行成本。

圖1 雙機(jī)串聯(lián)循環(huán)示意圖

圖2 雙機(jī)串聯(lián)P-h 圖

圖3 雙壓縮機(jī)串聯(lián)設(shè)計(jì)圖

如圖3 所示，為了達(dá)到高溫?zé)岜幂^高的熱水出水溫度，并且實(shí)現(xiàn)制冷和制熱模式的一鍵轉(zhuǎn)換功能，在壓縮機(jī)和管路的設(shè)計(jì)及排布上較復(fù)雜，采用多個(gè)電動(dòng)閥門自動(dòng)控制，但機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)卻非常緊湊，與多臺(tái)小冷量的熱泵機(jī)組共同使用，相比占地面積節(jié)省數(shù)倍。

2 某案例分析

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目是某高檔小區(qū)污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一期工程，應(yīng)用污水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)建筑面積126 萬(wàn)㎡，項(xiàng)目利用污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的污水作為低位冷、熱源，使用兩臺(tái)離心式熱泵作為供冷、供熱設(shè)備。一期總供熱、供冷面積達(dá)30 萬(wàn)平方米；項(xiàng)目選用XX 空調(diào)生產(chǎn)的LTP065LxT（46 ℃出水）和 LTP060HxT（65℃出水）各1 臺(tái)，工況參數(shù)見(jiàn)表1、2；機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖4、5。項(xiàng)目設(shè)置了蓄水池，利用夜間谷段電價(jià)較低的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行蓄/ 供冷和蓄/ 供熱，從而降低總體電耗。而在夏季和冬季的白天進(jìn)行正常的供冷和供熱，機(jī)房系統(tǒng)管路圖見(jiàn)圖6。

圖4 46℃熱泵機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)

圖5 65℃熱泵機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)

圖6 機(jī)房系統(tǒng)管路的示意圖

表1 LTP065LxT 機(jī)組設(shè)計(jì)工況參數(shù)表

2.2 供暖經(jīng)濟(jì)性分析

（1）熱泵及熱泵管路系統(tǒng)初投資約700 萬(wàn)元。

（2）冬季采暖期總運(yùn)行費(fèi)用，根據(jù)青島市峰平谷電價(jià)計(jì)算如表3。

（3）年運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)207.7 萬(wàn)元。

（4）冬季采暖期總收益：冬季采暖區(qū)域按30 元/㎡收費(fèi)計(jì)算，供暖費(fèi)用為：30×300，000=900 萬(wàn)元。

（5）實(shí)際年供暖期收益=900-207.7=692.3 萬(wàn)元。

（6）若按設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命為20 年計(jì)算，則機(jī)組壽命周期內(nèi)供暖收益為：692.3×20=13846 萬(wàn)元≈1.4 億元。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，可以看出通過(guò)水源熱泵供暖方案，1 年即可回收初投資。另外，該水源熱泵機(jī)組還可以在夏季制冷，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，可節(jié)省約24 元/㎡ 的制冷投資，此處不再詳細(xì)計(jì)算夏季制冷收益。

2.3 供暖環(huán)保性分析

如將每小時(shí)水源熱泵產(chǎn)熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)燃煤，燃煤燃燒值按29400kJ/kg，鍋爐效率按70%計(jì)算，則可計(jì)算燃煤總量。

每小時(shí)平均產(chǎn)熱量：

折 合 成 燃 煤 總 量：18 780 000÷29400÷0.7 =913kg/h。

基于以上計(jì)算的耗煤總量，標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳量為84%，那么燃燒這些煤排放的二氧化碳總量達(dá)：2628×0.84×44/12 =8095 噸。

采用高溫離心式熱泵方案，即能獲得經(jīng)濟(jì)利益，又能減少每年近萬(wàn)噸的二氧化碳?xì)怏w排放。另外，二氧化硫、氮氧化物、粉塵、煤渣等污染物的排放也將因此而減少。

表2 LTP060HxT 機(jī)組設(shè)計(jì)工況參數(shù)表

表3

3 結(jié)語(yǔ)

高溫離心式水源熱泵具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、安全環(huán)保、高效節(jié)能、一機(jī)多用等眾多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今提倡的綠色環(huán)保要求下，采用高溫離心式熱泵作為區(qū)域供暖能極大的減少煤、油等能源的消耗；減少二氧化碳、氮氧化物、粉塵等污染物的排放。所以在條件滿足的區(qū)域大力推廣使用離心式水源熱泵機(jī)組作為能源站的主設(shè)備集中供冷、供熱是當(dāng)下能源站改造和新建中最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的方案之一。