空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱用于升壓站供暖的研究

唐 亮 王宏偉 江 山 傅 鈞

空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱用于升壓站供暖的研究

唐 亮 王宏偉 江 山 傅 鈞

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013）

風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電站等工程的升壓站，一般遠(yuǎn)離集中熱源，冬季多采用“電暖氣+熱水器”的傳統(tǒng)方案，能源利用效率低，增加了電能消耗，降低了項(xiàng)目收益。提出“空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱”的供暖方案，為升壓站提供了可靠的熱源，并提高了能源利用效率，降低了運(yùn)行費(fèi)用。升壓站內(nèi)電氣設(shè)備間有大量的40℃左右的排風(fēng)，可以作為空氣源熱泵的低溫?zé)嵩?，解決了空氣源熱泵低溫時(shí)效率低的弊??；空氣源熱泵生產(chǎn)出熱水，并設(shè)置太陽(yáng)能熱水器進(jìn)一步提高水溫滿足供暖要求；設(shè)置單獨(dú)的蓄熱水箱適應(yīng)供暖負(fù)荷變化并解決一部分生活熱水需求。以北京某風(fēng)電場(chǎng)工程為例，闡述了這一系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及推廣的必要性和可行性。分析表明，在最冷時(shí)該系統(tǒng)仍可以高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，投資回收期短，為寒冷地區(qū)空氣源熱泵的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

空氣源熱泵；太陽(yáng)能；余熱；升壓站

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)、光伏發(fā)電站等新能源工程的發(fā)展迅猛，規(guī)模也不斷擴(kuò)大，“棄風(fēng)棄光”的問(wèn)題也得到了有效的緩解，發(fā)展前景明朗。風(fēng)電場(chǎng)及光伏發(fā)電站由于遠(yuǎn)離城區(qū)，無(wú)法接入市政冷、熱源；同時(shí)，風(fēng)電、光伏工程無(wú)自身冷、熱源。風(fēng)電場(chǎng)及光伏電站的供熱對(duì)象集中在升壓站內(nèi)，包括辦公樓、生活樓、配電室及水泵房等，現(xiàn)階段多采用“電暖氣+空調(diào)+熱水器”的傳統(tǒng)能源解決方案，其優(yōu)點(diǎn)是占地小，初投資低，運(yùn)行方便；但也有其缺點(diǎn)，主要有三點(diǎn)：（1）系統(tǒng)分散，運(yùn)行效率低，無(wú)法做到各熱用戶的集約使用；（2）高品質(zhì)電能供熱存在能源品質(zhì)浪費(fèi)，能效比低；（3）末端分散且功率低，用戶熱舒適性差，尤其是電暖氣冬季供熱的舒適性差。因此，結(jié)合新能源供熱設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，尤其是低溫型空氣源熱泵的推出，本文介紹“空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱”的技術(shù)方案，以北京某風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行分析。

目前，對(duì)太陽(yáng)能和空氣源熱泵的耦合應(yīng)用，有很多學(xué)者開(kāi)展了研究。王偉等對(duì)我國(guó)太陽(yáng)能資源情況分布及不同地區(qū)不同空氣源熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案做了介紹，總結(jié)了不同地區(qū)、不同形式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、適宜應(yīng)用的方式等；并提出了一種新的方案[2]。申振宇等針對(duì)西安地區(qū)設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能-空氣源熱泵采暖系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)形式的組成和流程進(jìn)行了分析，并利用仿真軟件進(jìn)行了模擬分析[3]。張兵等對(duì)基于余熱冷空氣的太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，表明串聯(lián)空氣余熱系統(tǒng)能夠抑制霜層產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)二者的資源互補(bǔ)，能量合理利用[4]。李程萌等對(duì)北京農(nóng)村住宅采用太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵供暖系統(tǒng)、太陽(yáng)能輔助地埋管地源熱泵供暖系統(tǒng)等進(jìn)行了系統(tǒng)組成和運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比，表明太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好[5]。黎珍等提出了一體化的太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵的方案，并進(jìn)行了模型建模分析[7]。

用于升壓站的“空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱”的供暖方案，是針對(duì)升壓站獨(dú)有特點(diǎn)所對(duì)照研究的系統(tǒng)，解決了余熱利用、降低能耗和提高員工舒適度等問(wèn)題，對(duì)比傳統(tǒng)電采暖系統(tǒng)有如下四處創(chuàng)新：（1）充分利用升壓站余熱；（2）針對(duì)升壓站作息制度，針對(duì)性的計(jì)算升壓站逐時(shí)負(fù)荷，核算蓄熱量；（3）調(diào)整升壓站布置，設(shè)置專用機(jī)房，使用水暖替代電暖，提高員工熱舒適性；（4）降低電站運(yùn)行費(fèi)用。

1 熱用戶及熱負(fù)荷分析

升壓站有其獨(dú)特的作息制度，尤其是風(fēng)電站受風(fēng)力影響較大，夜間也需值守，需要針對(duì)升壓站的作息特點(diǎn)做逐時(shí)負(fù)荷分析。

以北京某風(fēng)電場(chǎng)為例對(duì)風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電工程的熱用戶和熱負(fù)荷進(jìn)行分析。

風(fēng)電場(chǎng)的熱用戶都集中在升壓站內(nèi)，主要有電氣配電樓、綜合樓、水泵房、輔房、傳達(dá)室和宿舍樓組成，其中，綜合樓和宿舍樓多聯(lián)合布置，稱為綜合辦公樓，以減少占地面積。以上建筑中，供熱、供冷的主要用戶是綜合辦公樓。綜合辦公樓里包括繼電器室、控制室、辦公室、會(huì)議室、值休室、宿舍、廚房、餐廳等。

1.1 供暖能耗

風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行人員實(shí)行輪班制。根據(jù)各房間的功能特性和逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)計(jì)算房間熱負(fù)荷。熱負(fù)荷指標(biāo)參照CJJ34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。各房間的面積和單位熱指標(biāo)如表1所示。

表1 某風(fēng)電場(chǎng)綜合辦公樓房間熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

按照表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算冬季典型日逐時(shí)熱負(fù)荷如表2所示。值休室和宿舍按照“住宅”類型進(jìn)行計(jì)算。廚房按照“辦公”類型進(jìn)行計(jì)算，餐廳按照用實(shí)際使用情況適當(dāng)設(shè)定逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)。繼電器室供暖冬季為防凍的要求，暫不統(tǒng)計(jì)。會(huì)議室為階段性使用，暫不統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)表2，繪制逐時(shí)熱負(fù)荷圖如圖1所示。

圖1 某風(fēng)電綜合辦公樓冬季典型日逐時(shí)熱負(fù)荷

從表2和圖1可以看出，最大逐時(shí)熱負(fù)荷為上午8:00出現(xiàn)，數(shù)值為22.983kW，此即為所計(jì)算房間的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。由于與餐廳早餐時(shí)間較為吻合，增加餐廳負(fù)荷3.78kW，并考慮附加部分負(fù)荷，綜合辦公樓冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷湊整為30.0kW。

1.2 空調(diào)能耗

計(jì)算空調(diào)能耗，用于校核空氣源熱泵的容量。

根據(jù)各房間的功能特性計(jì)算房間冷負(fù)荷?？照{(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)按照《燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)應(yīng)用手冊(cè)》[4]選取。由于空調(diào)冷負(fù)荷存在空調(diào)面積百分比、逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)及同時(shí)使用系數(shù)的影響，計(jì)算較為復(fù)雜，采用估算的方法。各數(shù)據(jù)取值如下，空調(diào)面積百分比按照80%考慮。同時(shí)使用系數(shù)按0.8考慮。其中，繼電器室為全年冷負(fù)荷，其對(duì)應(yīng)的室外機(jī)為單獨(dú)配置。除繼電器室外，其余房間的夏季典型日逐時(shí)冷負(fù)荷如表3所示。

表3 某風(fēng)電綜合辦公樓夏季典型日逐時(shí)冷負(fù)荷

根據(jù)表3，繪制逐時(shí)冷負(fù)荷圖如圖2所示。

圖2 某風(fēng)電綜合辦公樓夏季典型日逐時(shí)冷負(fù)荷

從表3和圖2可以看出，最大逐時(shí)熱負(fù)荷為中午12:00出現(xiàn)，數(shù)值為26.481kW，再考慮空調(diào)面積百分比0.8及同時(shí)使用系數(shù)0.8，且附加繼電器室的冷負(fù)荷，最終的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為29.388kW，整合為30.0kW。

1.3 生活熱水能耗

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的員工作息情況，生活熱水使用比較集中。根據(jù)GB50015-2003(2009年版)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算生活熱水單位時(shí)間設(shè)計(jì)耗熱量Φ，計(jì)算公式為：

式中，Φ為生活熱水單位時(shí)間設(shè)計(jì)耗熱量，kW；為用水人數(shù)，取5人；為生活熱水用水定額，L/(人·d)，按照標(biāo)準(zhǔn)取60L/(人·d)；c為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取4.186kJ/(kg·℃)；為水的密度，kg/L，取1.0kg/L；φ為生活熱水溫度，取50℃；φ為自來(lái)水溫度，取10℃；為每日生活熱水使用時(shí)間，s/d，按三班倒計(jì)算，用水時(shí)間為3.0h。

按照工程情況進(jìn)行計(jì)算，可得生活熱水單位時(shí)間設(shè)計(jì)耗熱量為4.65kW。

由以上分析可以看出，生活熱水負(fù)荷的小時(shí)耗熱量低于供暖負(fù)荷，在冬季，可以由太陽(yáng)能優(yōu)先保證，溫度不足時(shí)，可以使用電輔熱，或者耦合熱泵提高水溫。

1.4 計(jì)算年度能耗

根據(jù)CJJ34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的3.2.1節(jié)中的公式計(jì)算供暖全年耗熱量。

2 空氣源熱泵設(shè)備選型

2.1 電站余熱利用

利用電氣房間的排風(fēng)作為空氣源熱泵的低溫?zé)嵩?，電氣設(shè)備的可用排風(fēng)主要集中在35kV配電室及SVG室。北京某風(fēng)電項(xiàng)目的工程規(guī)模是50MW，工程共設(shè)置兩套SVG設(shè)備，單臺(tái)SVG設(shè)備的發(fā)熱量是120kW，所需循環(huán)風(fēng)量為48000m3/h。35kV配電室的循環(huán)風(fēng)量為7000m3/h。其中，SVG室由于設(shè)備散熱量大，熱密度高，通風(fēng)量很大，循環(huán)風(fēng)換熱溫差為5℃，與空氣源熱泵的蒸發(fā)側(cè)溫差不匹配，但是，風(fēng)量及散熱量都足夠大，均完全滿足本工程冷、熱負(fù)荷30kW的需求。

2.2 方案設(shè)計(jì)

在SVG室旁邊設(shè)置供暖機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)布置空氣源熱泵機(jī)房，太陽(yáng)能系統(tǒng)，及蓄熱水箱、水泵等輸配系統(tǒng)。將電氣配電裝置室的排風(fēng)通過(guò)排風(fēng)機(jī)送入到空氣源熱泵機(jī)房，空氣源熱泵以此排風(fēng)作為低溫?zé)嵩?，可以制?5～50℃的熱水，部分高溫機(jī)組甚至可以制備55℃以上的熱水，不過(guò)造價(jià)比較高。熱水通過(guò)蓄熱水箱存貯。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置多個(gè)排風(fēng)機(jī)和自動(dòng)排風(fēng)閥，當(dāng)壓差大于15Pa時(shí)，排風(fēng)閥開(kāi)啟，排出多余的空氣。排風(fēng)機(jī)用于調(diào)節(jié)空氣源熱泵的工況并兼做滅火后通風(fēng)換氣用。

太陽(yáng)能系統(tǒng)可以在水溫較低時(shí)調(diào)高水溫，滿足供暖的需求。并在風(fēng)資源不好或光伏電站夜間的時(shí)候，維持系統(tǒng)防凍要求。

3 方案對(duì)比與分析

由上文可以看出，傳統(tǒng)的“電暖氣+熱水器”的方案存在很多弊端，因此，從利用清潔能源并提高能源使用效率、提高用戶熱舒適性出發(fā)，就本文提出“空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱”的方案向廠家詢資和詢價(jià)。

設(shè)計(jì)方案的原則為太陽(yáng)能按50%設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的容量進(jìn)行選型。太陽(yáng)能集熱器的設(shè)定條件如下，集熱器的集熱效率為60%，輸配系統(tǒng)及蓄熱系統(tǒng)的效率為85%。選取最佳安裝傾角，集熱器單位面積太陽(yáng)輻射照度取700W/m2。

根據(jù)詢資結(jié)果，各方案的初投資如表4所示。

表4 兩個(gè)方案的初投資

續(xù)表4 兩個(gè)方案的初投資

根據(jù)表4可以看出，初投資使用清潔能源供熱、供冷的兩個(gè)技術(shù)方案初投資均較大。但是運(yùn)行費(fèi)用低。下面計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用及兩個(gè)方案的投資回收期如表5所示，其中熱水輸配系統(tǒng)耗電量較小，不予統(tǒng)計(jì)。

表5 方案對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)以上的對(duì)比分析，可以看出。由于太陽(yáng)能在冬天對(duì)供熱的作用明顯，而且熱泵設(shè)備的能效比高，使得年運(yùn)行費(fèi)用大大降低，在可預(yù)期的幾年內(nèi)就可以收回初投資的成本?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)受室外空氣的溫度和濕度的影響，在寒冷濕度高的區(qū)域使用受到限制，利用電氣設(shè)備的余熱解決了這個(gè)問(wèn)題。

從適應(yīng)性、系統(tǒng)性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，“空氣源熱泵耦合太陽(yáng)能及余熱”的技術(shù)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，投資回收期短，系統(tǒng)高效，用戶舒適度高，可以推廣。

[1] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2017[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2017.

[2] 王偉,南曉紅,馬俊,李飛等.空氣源熱泵與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)探討[J].制冷與空調(diào),2011,25(5):438-442.

[3] 申振宇,宣永梅.太陽(yáng)能-空氣源熱泵采暖熱水系統(tǒng)能耗分析[J].制冷與空調(diào),2016,30(5):544-548.

[4] 張兵,蔡覺(jué)先,周文和.基于預(yù)熱冷空氣的太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵系統(tǒng)研究[J].建筑節(jié)能,2012,40(251):38-41,52.

[5] 李程萌,李持佳,閆一瑩,等.北京農(nóng)村住宅清潔能源供暖方案經(jīng)濟(jì)性分析[J].煤氣與熱力,2017,37(1):A19-A23.

[6] 李楠,田昕,王皆騰,等.北京某農(nóng)村住宅空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行性能[J].暖通空調(diào),2017,47(4): 136-140.

[7] 黎珍,田琦,董旭.太原地區(qū)太陽(yáng)能耦合空氣源熱泵一體化熱水系統(tǒng)性能分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2017,38(5):670-675.

[8] 徐奇志,李建光.學(xué)生公寓太陽(yáng)能與空氣源熱泵互補(bǔ)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[C].2009年福建省暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2009.

[9] 張井山,徐道金,魏加杰,等.一種與空氣源熱泵結(jié)合的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)性能分析[J].太陽(yáng)能,2017,(6):46-48,54.

[10] 林辯啟,羅會(huì)龍,王浩,等.熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)行模式對(duì)比分析[J].制冷與空調(diào),2015,29(6):706-710.

[11] 林世平.燃?xì)饫錈犭姺植际侥茉醇夹g(shù)應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2016.

Research of Air Source Heat Pump Coupling Solar Energy &Waste Heat System in Substation Heating

Tang Liang Wang Hongwei Jiang Shan Fu Jun

( Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute,Jinan, 250013 )

The substation of Wind Power Plant and Photovoltaic Power Plant usually far away from the heating station, normally use electric radiator and water-heater with very low energy efficiency, this solution cost extra power and reduce project benefit. A new system of “air source heat pump coupling solar energy & waste heat system” can raise the energy efficiency, provide reliable heat resource, and save operation cost. Plenty exhaust air (about 40℃) can be recovered from the substation electric equipment room. Use the 40℃ exhaust air for the heat pump evaporator, solve the problem of low efficiency of heat pump in low temperature, hot water can be produced and solar energy equipment can be used to raise the water temperature to meet the variable heating requirement, and a heat insulating water tank is supplied for maintain steady hot water supply. This system can not only work for heating system, but also for part of hot water system. The advantages and disadvantages of the system and its necessity and feasibility of application in one wind power plant in Beijing are expounded in details as example. The analysis shows that even in the coldest period, the system could still operation stability and economical and saves a lot energy. This work can provide guidance for practical design of air source heat pump system coupling waste heat with thermal energy storage in substation heating in cold areas.

air source heat pump; solar energy; waste heat; substation

TU83

A

1671-6612（2020）02-202-07

唐 亮（1983.09-），男，研究生，高級(jí)工程師，E-mail：tangliang@sdepci.com

2019-07-15