熱泵技術(shù)在地?zé)峁┡菁壚梅桨钢械膽?yīng)用研究

文_劉軍 謝迎春 蔣執(zhí)俊 中核坤華能源發(fā)展有限公司

我國目前利用地?zé)峁┡拿娣e已達(dá)到2.5億m2，替代燃煤約1000萬t，并且正處于快速增長過程中。地?zé)峁┡鳛榍鍧嵞茉垂岬囊环N具體方案，為治理霧霾，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)提供了一條切實可行的技術(shù)路線。目前，在地?zé)峁┡椖恐?，為了充分利用地?zé)崴械臒崃?，往往利用熱泵技術(shù)和換熱器相結(jié)合的梯級利用方式。采用此種方式，地?zé)豳Y源的利用率得到了較大提高，但仍存在可以改進(jìn)的空間。

1 熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)主要基于逆卡諾循環(huán)原理。熱泵主機(jī)一般由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等組成。熱泵主機(jī)的主要性能指標(biāo)為制熱能效比和制冷能效比。影響熱泵主機(jī)的主要因素為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，其中蒸發(fā)溫度的影響最大。通常工況下，蒸發(fā)溫度每提高1℃，熱泵主機(jī)的能效比可提高3%～5%；冷凝溫度降低1℃，熱泵主機(jī)的能效比可提高2%～3%。

2 熱泵技術(shù)在地?zé)峁┡菁壚弥械膫鹘y(tǒng)方案

地?zé)崴ㄟ^一級換熱器將采暖回水由35℃加熱到45℃，經(jīng)一級換熱器后，溫度降為40℃的地?zé)崴M(jìn)入二級換熱器，將中介循環(huán)水由10℃提高到20℃后進(jìn)入蒸發(fā)器，經(jīng)過二級換熱器后，地?zé)嵛菜臏囟冉档偷?5℃，再進(jìn)行回灌。而熱泵主機(jī)提取熱量后將采暖回水由35℃加熱到45℃，用于供暖。

由熱泵主機(jī)的性能系數(shù)及其影響因素可知，上述流程尚存在以下問題：①采暖循環(huán)水的溫度直接被熱泵加熱到45℃，溫升較大，且熱泵僅有一個冷凝溫度，沒有充分發(fā)揮采暖循環(huán)回水溫度較低的優(yōu)勢。②熱泵的蒸發(fā)溫度受制于蒸發(fā)器的出水溫度。傳統(tǒng)流程中熱泵僅有一個蒸發(fā)溫度。二級換熱器的入口溫度為40℃，遠(yuǎn)大于熱泵主機(jī)蒸發(fā)器的出水溫度，沒有充分發(fā)揮地?zé)崴疁囟容^高的優(yōu)勢。

3 負(fù)荷側(cè)梯級加熱的方案

采暖循環(huán)水側(cè)梯級加熱方案的流程如圖1所示。此種方式地?zé)崴畟?cè)的流程和傳統(tǒng)流程一樣，區(qū)別在于負(fù)荷側(cè)。熱泵主機(jī)和一級換熱器采用串聯(lián)梯級加熱的方式逐步提高采暖循環(huán)水的溫度。采暖回水首先進(jìn)入熱泵的冷凝器，被加熱后再進(jìn)入到一級換熱器，繼續(xù)被加熱到目標(biāo)溫度后用于供暖。

圖1 負(fù)荷側(cè)梯級加熱流程圖

此種方式有以下特點：①該方式可有效降低熱泵的冷凝溫度，有利于提高熱泵主機(jī)的能效比。②一級換熱器負(fù)荷側(cè)的入口溫度較傳統(tǒng)流程入口溫度高，導(dǎo)致一級換熱器的有效換熱量減少，熱泵的裝機(jī)容量有所增加，系統(tǒng)投資有所提高。③采暖循環(huán)水側(cè)熱泵和一級換熱器串聯(lián)，導(dǎo)致整個負(fù)荷側(cè)的阻力較傳統(tǒng)流程阻力有所增加，運行時采暖循環(huán)泵功耗有所增加。④實際運行過程中，一級換熱器承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，熱泵承擔(dān)尖峰負(fù)荷，熱泵實際運行時間較少。

在相同供熱量的前提下，與傳統(tǒng)流程相比地?zé)豳Y源的利用程度如表1所示。

表1 負(fù)荷側(cè)梯級加熱方案的改造效果

從表1可看出，兩種方式的地?zé)嵛菜疁囟认嘟?，意味著相同供熱量的前提下，兩種方式的地?zé)崮芾贸潭冉咏?/p>

4 源荷側(cè)梯級利用方案

為了充分利用地?zé)釡囟容^高的工況優(yōu)勢，在傳統(tǒng)流程的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。第一種改進(jìn)方法僅對地?zé)崴畟?cè)進(jìn)行改進(jìn)，將地?zé)崴畵Q熱系統(tǒng)設(shè)計為三級換熱。一級換熱器直接加熱采暖循環(huán)水，二級換熱器加熱二級中介循環(huán)水，作為二級熱泵的余熱源。三級換熱器加熱一級中介循環(huán)水，作為一級熱泵主機(jī)的余熱源。

此種改造方式有以下特點：①為熱泵提供了兩種不同的蒸發(fā)溫度，讓二級熱泵的能效比更高，系統(tǒng)的運行更節(jié)能。②將地?zé)崴畟?cè)多級換熱器進(jìn)行串聯(lián)，地?zé)崴畟?cè)的壓力降較大，地?zé)崴畟?cè)的運行泵耗較傳統(tǒng)流程增高；但由于地?zé)崴畟?cè)溫差較大，地?zé)崴牧髁勘容^小，同時地?zé)崴畟?cè)的阻力比較大，增加的阻力占系統(tǒng)阻力的比率較小，所以地?zé)崴畟?cè)的泵耗對系統(tǒng)能耗的影響不大。③與傳統(tǒng)流程相比較為復(fù)雜，設(shè)備較多，維護(hù)維修比較困難。

通過對工藝的研究，當(dāng)熱泵主機(jī)的冷凝器側(cè)為并聯(lián)關(guān)系，兩級熱泵主機(jī)的冷凝溫度一致，所以熱泵冷凝器側(cè)尚存在優(yōu)化空間。在此提出第二種改進(jìn)方法。新的流程圖如圖2所示。

圖2 源荷側(cè)梯級利用工藝流程圖

新的系統(tǒng)流程有以下特點：①不僅為熱泵提供了兩個不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，兩臺熱泵主機(jī)的運行工況均得到了優(yōu)化，系統(tǒng)運行更節(jié)能。②負(fù)荷側(cè)兩臺熱泵的冷凝器以及與之對應(yīng)的地?zé)崴畟?cè)換熱器的連接關(guān)系為串聯(lián)，系統(tǒng)的阻力有所增加，循環(huán)水泵的功耗有所增加。③較傳統(tǒng)流程更為復(fù)雜，設(shè)備較多，維護(hù)維修困難。

表2 新方案的改造效果

表2說明源側(cè)梯級利用方案較傳統(tǒng)方案地?zé)豳Y源利用的更加充分，熱泵主機(jī)的供熱能力占系統(tǒng)供熱能力的比例變小，系統(tǒng)的能效更高。熱泵主機(jī)的效率較傳統(tǒng)方案大概可以提高16%左右。而源荷側(cè)梯級利用方案地?zé)豳Y源利用最充分，系統(tǒng)的能效最高，熱泵主機(jī)的能效較傳統(tǒng)方案大約可提高23%。

5 結(jié)語

源側(cè)梯級利用方案相較于傳統(tǒng)方案具有較明顯的優(yōu)勢，特別是在荷側(cè)也采用梯級利用的方法。其主要特點是利用地?zé)嵛菜疁囟缺容^高的優(yōu)勢提供多個蒸發(fā)溫度，提高熱泵的能效比。同時，在冷凝器側(cè)提供多個冷凝溫度，從而降低熱泵的冷凝溫度，提高了熱泵的能效比。與傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱泵相比，一級熱泵的蒸發(fā)溫度和傳統(tǒng)方案熱泵的蒸發(fā)溫度相同，而冷凝溫度低于傳統(tǒng)系統(tǒng)的熱泵冷凝溫度。二級熱泵的蒸發(fā)溫度高于傳統(tǒng)熱泵的蒸發(fā)溫度，而冷凝溫度相同，一二級熱泵均得到了優(yōu)化。

在地?zé)崴畟?cè)和負(fù)荷側(cè)構(gòu)建多個熱泵系統(tǒng)（大于2），可以提高系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，使得系統(tǒng)的熱力完善度更高。但不可避免地造成整個系統(tǒng)更加復(fù)雜，運行維護(hù)維修的成本有所增加。

因此，通過地?zé)崽菁壛鞒痰膬?yōu)化，可更加有效的利用地?zé)豳Y源，提高地?zé)崂玫慕?jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。