冷熱聯(lián)供能源站機組串并聯(lián)性能研究

洪杰南， 屈 蘭

(1. 國家電力投資集團江西能源銷售有限公司，南昌 330096；2.江西水利職業(yè)學院 公共教學部，南昌 330000)

當前，我國能源利用普遍存在著利用效率低、經(jīng)濟效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大等主要問題[1-2]。區(qū)域集中供能具有能源綜合利用效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，是典型的資源節(jié)約、環(huán)境友好型的能源生產(chǎn)方式和消費模式，受世界各國青睞[3]。在中國南方地區(qū)，具有冬季寒冷、夏季炎熱的氣候特點，用戶不僅有集中供熱的需求，同時也有集中供冷的需求，因此區(qū)域供冷供熱項目一般需要建設區(qū)域能源站，實現(xiàn)冷熱源的供應。

水源熱泵技術是利用地球表面淺層水源(如地下水、河流和湖泊)吸收的太陽能和地熱能而形成低位熱能資源，或利用具有熱能資源的電廠循環(huán)水、廢水、中水等，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉移的一種技術[4]。由于水源熱泵的冷熱源溫度全年較為穩(wěn)定，使得系統(tǒng)制冷、制熱系數(shù)可達3.5～5.0[5-6]。

為進一步挖掘水源熱泵技術的節(jié)能潛力，充分利用低溫余熱資源，筆者以某利用電廠循環(huán)水余熱進行區(qū)域供冷供熱的項目能源站為例，對能源站機組串并聯(lián)方式的節(jié)能性能進行了研究與對比分析。

1 項目概況

1.1 項目技術方案

該項目依托供能區(qū)域附近電廠豐富的循環(huán)水余熱作為區(qū)域能源站的冬季供熱的低溫熱源，能源站制熱制冷機組采用離心式水源熱泵機組(簡稱水源熱泵機組)和離心式冷水機組(簡稱單冷機組)。

冬季利用發(fā)電廠循環(huán)水凝汽器排水余熱作為水源熱泵機組制熱的低溫熱源，冬季供熱回水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后進入水源熱泵機組冷凝器側實現(xiàn)升溫，空調熱水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶。由于電廠循環(huán)水水溫較穩(wěn)定，因此能保證系統(tǒng)制熱的高效率。能源站冬季制熱方案流程見圖1。

夏季在能源站屋面設置機力冷卻塔作為機組冷卻水源，空調冷凍水回水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后進入機組蒸發(fā)器側實現(xiàn)降溫，空調冷水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶滿足空調制冷需求。能源站夏季制冷方案流程見圖2。

該項目規(guī)劃建設一系列區(qū)域供冷供熱能源站，能源站夏季制備空調冷水，冬季制備空調熱水，并同步敷設循環(huán)水管網(wǎng)和空調冷熱水管網(wǎng)為建筑供能。能源站夏季供冷設計供、回水溫度分別為4 ℃、13 ℃，冬季供熱設計供、回水溫度分別為48 ℃、38 ℃。冬季電廠循環(huán)水設計供、回水溫度分別為25 ℃、10 ℃。

1.2 能源站負荷情況

能源站設計日逐時冷熱負荷見表1、表2。該能源站供能面積約為87.6萬m2，主要用戶負荷類型為商業(yè)和住宅，能源站設計冷負荷為39.74 MW，設計熱負荷為23.04 MW。

表1 能源站設計日逐時冷負荷 MW

表2 能源站設計日逐時熱負荷 MW

2 機組串并聯(lián)運行方式

2.1 機組并聯(lián)運行方式

在常規(guī)設計情況下，能源站機組一般并聯(lián)使用，機組并聯(lián)運行時，水源側和用戶側的進出口水溫與單臺機組運行時差別不大，僅整個機組流量增加[7]。以制熱為例，并聯(lián)機組的運行流程見圖3。

并聯(lián)機組的每臺機組都是獨立運行的，當某臺機組故障或總負荷降低至一定程度以下時，可以停運一臺機組，對整個系統(tǒng)的影響較小，運行調整的靈活性較高，控制系統(tǒng)較為簡單。

2.2 機組串聯(lián)運行方式

對于采用串聯(lián)形式的能源站機組，以冬季供熱為例，低溫熱源水首先經(jīng)過上游機組，在蒸發(fā)器釋放完一次熱量后，再進入下游機組的蒸發(fā)器放熱，串聯(lián)機組的運行流程見圖4。

能源站機組按此運行方式，能夠充分利用電廠循環(huán)水的余熱，串聯(lián)機組的總效率比單臺機組運行時高，可有效降低能源站的運行費用[8-9]。但兩臺機組需要搭配使用，在運行靈活性上不如并聯(lián)形式的機組。

3 機組串并聯(lián)性能對比

為研究機組串并聯(lián)形式對能源站機組運行性能的實際影響，根據(jù)能源站設計冷熱負荷、夏季供冷設計供回水溫度、冬季供熱設計供回水溫度以及冬季電廠循環(huán)水供回水溫度等邊界條件，對三個空調主機品牌廠家的產(chǎn)品進行了調研。各廠家按照各自能選出的最高能效比的產(chǎn)品，進行串聯(lián)或并聯(lián)組合后，以進一步提升系統(tǒng)能效比、降低運行費用為原則分別做了機組并聯(lián)和機組串聯(lián)方案的選型，并提供了對應選型機組的測試數(shù)據(jù)。具體機組配備情況見表3。

表3 各廠家機組配備情況匯總表

各廠家均配備了蓄能系統(tǒng)，通過蓄能系統(tǒng)削峰填谷的運行策略，削減了總裝機容量，降低了設備投資。

3.1 單冷機組串并聯(lián)性能比較

對三個廠家單冷機組串并聯(lián)方案的能效比進行對比，結果見表4。最終，三個廠家對于單冷機組均采用了機組串聯(lián)方案。

表4 各廠家單冷機組串并聯(lián)方案性能對比

從表4可以看出：相比并聯(lián)方式，所有廠家單冷機組采用串聯(lián)方式后機組能效比和考慮水泵功耗的系統(tǒng)綜合能效比都有不同程度的提高，但綜合能效比提升沒有機組能效比提升得明顯，主要是因為機組串聯(lián)后會導致阻力增加，影響了機組的綜合能效比。

3.2 水源熱泵機組串并聯(lián)性能比較

該項目采用電廠循環(huán)水余熱作為水源熱泵機組的低溫熱源，冬季電廠循環(huán)水供、回水設計溫度分別為25 ℃、10 ℃，溫差達15 K，具有較強的供熱潛力。水源熱泵機組不同于傳統(tǒng)單制冷機組，通過切換工況，冬天可制熱，夏天可制冷，能夠實現(xiàn)一機兩用，有利于降低項目投資和減少能源站占地面積[10]。

水源熱泵機組串聯(lián)方案由于每個廠家產(chǎn)品的差異性，有的采用的是單側串聯(lián)形式，有的采用的是雙側串聯(lián)形式；有的是機組內部系統(tǒng)串聯(lián)后再用外部水系統(tǒng)串聯(lián)，有的是僅采用了外部水系統(tǒng)串聯(lián)，形式不一。

各廠家水源熱泵機組制冷、制熱工況串并聯(lián)方案性能對比情況見表5、表6。

從表5和表6可以看出：所有廠家水源熱泵機組無論是制冷工況還是制熱工況，相比并聯(lián)方式，采用串聯(lián)方式后機組能效比和考慮水泵功耗系統(tǒng)綜合能效比都有不同程度的提高，最高可提高約8%。廠家C采用的是雙機頭水源熱泵機組，即機組在內部已采用了串聯(lián)的方式。通過能效對比可發(fā)現(xiàn)，該廠家機組能效比和綜合能效比較其他兩家采用單機頭機組的廠家要高出許多，說明對于水源熱泵機組，機組內部系統(tǒng)串聯(lián)方式優(yōu)于機組外部串聯(lián)方式。

表5 各廠家水源熱泵機組制冷工況串并聯(lián)方案性能對比

4 運行方式對機組能效比的影響

4.1 影響機組能效比的主要因素

熱泵的基本原理是基于逆卡諾循環(huán)，在小部分驅動能量的作用下，將熱量從低溫熱源傳遞到高溫熱源，技術原理見圖5。

對于該項目而言，熱泵輸入功率Wnet主要是壓縮機的耗電量。制熱工況下，制熱量是熱泵蒸發(fā)器從低溫熱源的吸熱量Q2；制冷工況下，制冷量是熱泵冷凝器向高溫熱源放出的熱量Q1。

機組的制熱能效比KCOP,zr可以表示為：

(1)

機組的制冷能效比KCOP,zl可以表示為：

(2)

因此，影響機組能效比的主要因素是機組的制冷(熱)量以及壓縮機的耗電量。提升機組能效比的主要途徑是盡量提高機組的制熱(冷)量，并盡量減少壓縮機的功耗。

4.2 機組串并聯(lián)對能效比的影響

為便于機組串并聯(lián)能效比的對比，假定熱泵工質進行的是理想的逆卡諾循環(huán)，不考慮節(jié)流損失和再熱損失等影響因素，則水源熱泵機組的理論制熱能效比可表示為：

(3)

理論制冷能效比可表示為：

(4)

式中：Tk為制冷劑冷凝溫度，K；To為制冷劑蒸發(fā)溫度，K。其中，Tk一般比冷凝器出水溫度高5 K，To一般比蒸發(fā)器出水溫度低3 K[11]。

能源站理論計算邊界條件如下：

(1) 夏季工況：冷源側進、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側進、出水溫度分別為13 ℃、4 ℃。

(2) 冬季工況：熱源側進、出水溫度分別為25 ℃、10 ℃，用戶側進、出水溫度分別為38 ℃、48 ℃。

4.2.1 機組并聯(lián)理論能效比計算

機組并聯(lián)工況下，夏季冷源側進、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側進、出水溫度分別為13 ℃、4 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=274 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。 機組并聯(lián)方案夏季理論制冷能效比KCOP,zl=6.68。

冬季熱源側進、出水溫度分別為25 ℃、10 ℃，用戶側進、出水溫度分別為38 ℃、48 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=280 K，制冷劑冷凝溫度Tk=326 K。機組并聯(lián)方案冬季理論制熱能效比KCOP,zr=7.09。

4.2.2 機組串聯(lián)理論能效比計算

水源熱泵機組夏季串聯(lián)運行流程見圖6。

上游機組冷源側進、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側進、出水溫度分別為13 ℃、8.5 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=278.5 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。上游機組理論制冷能效比KCOP,zl=7.63。

下游機組冷源側進、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側進、出水溫度分別為8.5 ℃、4 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=274 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。下游機組理論制冷能效比KCOP,zl=6.68。

機組串聯(lián)方案夏季理論制冷能效比KCOP,zl=7.16。

水源熱泵機組冬季串聯(lián)運行流程見圖7。

上游機組熱源側進、出水溫度分別為25 ℃、17.5 ℃，用戶側進、出水溫度分別為43 ℃、48 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=287.5 K，制冷劑冷凝溫度Tk=326 K。上游機組理論制熱能效比KCOP,zr=8.47。

下游機組熱源側進、出水溫度分別為17.5 ℃、10 ℃，用戶側進、出水溫度分別為38 ℃、43 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=280 K，制冷劑冷凝溫度Tk=321 K。下游機組理論制熱能效比KCOP,zr=7.83。

機組串聯(lián)方案冬季理論制熱能效比KCOP,zr=8.15。

4.2.3 機組串并聯(lián)理論能效比比較分析

基于上述計算結果，機組串、并聯(lián)工況理論能效比匯總見表7。

表7 機組串并聯(lián)工況理論能效比對比表

由表7可知：當機組采用串聯(lián)方案時，機組理論能效比夏季可提升0.48，提升率為7.19%；冬季可提升1.06，提升率為14.95%。能效比理論計算結果與廠家提供的測試數(shù)據(jù)總體趨勢一致，說明機組采用串聯(lián)形式確實能夠有效提高機組的能效水平。分析原因可能是主機采用串聯(lián)形式后，上游機組和下游機組進出水溫差減小，壓縮機的總體功耗相比于并聯(lián)機組有所降低。

5 結語

筆者以某利用電廠循環(huán)水余熱進行區(qū)域供冷供熱的項目能源站為例，對能源站機組串并聯(lián)方式的節(jié)能性能進行了研究與對比分析，通過對三個空調主機品牌廠家提供的能源站機組搭配方案的性能比較以及串并聯(lián)運行方式機組能效比的理論分析，可以得出以下結論：

(1) 在不考慮節(jié)流損失、再熱損失、電動機效率、機械傳動效率等對機組能效比影響的條件下，機組串聯(lián)后，機組能效比在夏季、冬季均有所提升，說明機組串聯(lián)是有一定優(yōu)勢的。

(2) 對該項目而言，采用單機頭機組時，夏季蒸發(fā)器側建議串聯(lián)；冬季蒸發(fā)器側建議串聯(lián)，冷凝器側可根據(jù)實際情況確定。

(3) 雙機頭機組內部串聯(lián)后機組能效比有提升，單機頭機組外部串聯(lián)后能效比也有提升，但雙機頭機組內部串聯(lián)的能效比更高。同時，由于外部串聯(lián)管路系統(tǒng)及控制系統(tǒng)更復雜，推薦優(yōu)先采用機組內部串聯(lián)機組，機組外部并聯(lián)的方案。但由于雙機頭機組生產(chǎn)廠家并不多，且價格普遍比單機頭機組高，因此區(qū)域供能能源站機組的選型應綜合考慮機組能效比、價格以及采購難度等因素后確定。