分布式水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的能耗特性研究

杜芳會 尚有海

1 廣東艾科技術(shù)股份有限公司

2 恒大地產(chǎn)集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)院

0 引言

《“十四五”公共機(jī)構(gòu)節(jié)約能源資源規(guī)劃》[1]提出了低碳轉(zhuǎn)型的實(shí)施路徑，將進(jìn)一步加大太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉春蜔岜眉夹g(shù)推廣力度。然而技術(shù)節(jié)能不代表真正的運(yùn)行節(jié)能，熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能成為了現(xiàn)階段較為突出的問題。作者已從熱經(jīng)濟(jì)學(xué)理論角度對水源熱泵的經(jīng)濟(jì)性做了全面的評價[2-3]，魏慶芃[4]等人開展大量的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測研究。機(jī)組的組合方式、區(qū)域管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及運(yùn)行管理水平[5]，是影響熱泵系統(tǒng)的能耗水平的重要因素。

為了研究水源熱泵項(xiàng)目實(shí)際的能耗水平以及影響系統(tǒng)能耗的因素，本文從近幾年的實(shí)際運(yùn)行工況出發(fā)，對多個熱泵系統(tǒng)能耗水平的差異進(jìn)行了定量的分析，對影響熱泵系統(tǒng)能耗的主要因素進(jìn)行了分析。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目的源水側(cè)采用開式的分布式動力輸配系統(tǒng)，即城市污水處理后的中水通過集中的提升泵站加壓，升壓之后通過長輸管線將中水輸送至各個分布式熱泵站，該項(xiàng)目冬季總中水流量約6000 t/h，中水在熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器放熱之后最終排入退水渠。冬季中水溫度約13～20 ℃，水量充足，水質(zhì)穩(wěn)定。目前總供熱面積已達(dá)200 萬m2，已投入使用10 個分布式熱泵站。用熱建筑的性質(zhì)、熱泵機(jī)組的類型、二次網(wǎng)水力情況等相關(guān)條件均有差別，所有熱用戶均位于寒冷地區(qū)，均屬于65%節(jié)能型建筑。表1 為各末端熱用戶建筑的概況表。

表1 各末端熱用戶建筑概況表

分布式水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)原理圖具體如圖1所示：

圖1 分布式水源熱泵供熱系統(tǒng)原理圖

2 輸配系統(tǒng)能耗分析

為降低換熱損失，將中水直接輸送至各個熱泵站的蒸發(fā)器內(nèi)。源水系統(tǒng)屬于開式水系統(tǒng)，中水輸送采用分布式動力系統(tǒng)，即在首站設(shè)中水提升泵，克服中水去程到最不利點(diǎn)的阻力損失，在各用戶處的熱泵站內(nèi)設(shè)一次側(cè)加壓泵，克服中水站內(nèi)及回程的阻力。首站中水提升泵和各個熱泵站內(nèi)的中水提升泵均采用變頻控制，前者是為了適應(yīng)每年系統(tǒng)總負(fù)荷的增加，后者是為了適應(yīng)每個采暖期內(nèi)末端負(fù)荷隨天氣的變化產(chǎn)生的中水量的小幅變化。

項(xiàng)目自運(yùn)行五年以來，隨著負(fù)荷的增加，管網(wǎng)阻力增加以及供熱半徑的變大，都使得輸送能耗增加，目前本項(xiàng)目的一期工程已達(dá)產(chǎn)，輸送能耗隨負(fù)荷變化情況如表2 所示：

表2 首站輸送能耗隨負(fù)荷變化情況表

由表2 可知，該項(xiàng)目源水的輸送能耗占系統(tǒng)總耗電量的比值小于8%，隨著負(fù)荷的加大，輸送的水量增大，輸送能耗占系統(tǒng)總能耗的比例并沒有按比例增加，在經(jīng)濟(jì)比摩阻范圍內(nèi)，阻力增加不明顯。

3 熱泵站運(yùn)行分析

根據(jù)歷年的氣象資料，冬季最冷月為1 月份，2013-2014 年供暖季與2014-2015 供暖季的室外氣溫差別不大，最冷月的最低氣溫平均值為-3.55 ℃與-3.68 ℃，如圖2 所示，該項(xiàng)目地2014 年1 月份與2015年1 月份最低氣溫以及趨勢基本一致，可以挑選該段時間進(jìn)行能耗對比分析：

圖2 1 月份室外最高氣溫與最低氣溫（2014 年，2015年)

供暖期間，各個站運(yùn)行情況良好，大部分熱用戶室溫能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2014-2015 供暖季，用戶A、E 小區(qū)的入住率約為50%，用戶H 小區(qū)入住率約80%，用戶D 是辦公樓，入住率為100%，用戶J 入住率約30%。

3.1 機(jī)組配置方案及運(yùn)行策略

各個分布式熱泵站的機(jī)組配置以常規(guī)的螺桿式水源熱泵機(jī)組為主，主要是考慮供熱項(xiàng)目的負(fù)荷變化特性，即新項(xiàng)目運(yùn)行初期到負(fù)荷穩(wěn)定到70%以上約需要經(jīng)過3 個采暖季，而且每個采暖季根據(jù)室外氣候的變化也分為三個階段，初寒階段、寒冷階段、末期階段。整個采暖季的運(yùn)行策略按照室外天氣情況劃分為3 個階段，初期階段與寒冷階段采用連續(xù)運(yùn)行的質(zhì)調(diào)節(jié)，熱水供水溫度在37～42 ℃，回水溫度在30～34 ℃時，戶內(nèi)溫度較舒適。末期階段采用間歇運(yùn)行控制目標(biāo)為出水水溫，依據(jù)室外氣溫的變化調(diào)整出水水溫[7]。

一個區(qū)基本配置兩臺同型號的熱泵機(jī)組，個別區(qū)熱負(fù)荷大的配置三臺。在供暖期之前的一個月進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行，機(jī)組調(diào)試之前先進(jìn)行二次網(wǎng)的沖洗和水力平衡調(diào)節(jié)，機(jī)組的運(yùn)行方案以室外天氣以及入住率相結(jié)合為依據(jù)來調(diào)整設(shè)備投入量。

3.2 能耗分析

由于各個站內(nèi)都有兩個或三個獨(dú)立的系統(tǒng)，每個熱泵站內(nèi)都有多臺熱泵機(jī)組，本文選取1 月份期間10天的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以熱泵站的供熱工況為分析對象，對六個熱泵站進(jìn)行能耗對比，單位面積的耗電功率如表3 所示：

表3 2015 年1 月15 日-1 月24 日系統(tǒng)能耗

從表3 中可以看出單位耗電量最少的D 機(jī)房，主要原因是由于該機(jī)房所服務(wù)的建筑是辦公樓，辦公時間是早8 點(diǎn)至晚6 點(diǎn)，因此根據(jù)末端的負(fù)荷特點(diǎn)，任然采用連續(xù)運(yùn)行的方式，下班以后的時間內(nèi)，將機(jī)組出水溫度調(diào)低，使室內(nèi)溫度維持在14～16 ℃，這樣做的好處是末端不會集氣，且管道不會有凍壞的風(fēng)險。

對于J 小區(qū)，能耗很高的原因是熱泵機(jī)組配置和末端負(fù)荷的不匹配。該小區(qū)包含一期地塊和二期地塊，兩個地塊的供暖均由J 熱泵站提供，由于房屋投入使用的時間不一致，2014-2015 年實(shí)際參加供暖的只有約5 萬m2，負(fù)荷率約為30%，而該機(jī)房選用的是變頻離心式熱泵機(jī)組，為了避免喘振的發(fā)生，機(jī)組運(yùn)行時的最低負(fù)荷設(shè)定為60%，機(jī)組約1 小時自動卸載，壓縮機(jī)頻繁的啟停，造成了高能耗，而且有損機(jī)組壽命。這也說明了采用熱泵系統(tǒng)為住宅小區(qū)供暖時，在熱泵機(jī)房面積一定的情況下，機(jī)組配置方面應(yīng)盡可能的考慮到部分負(fù)荷的特點(diǎn)。

H 小區(qū)的能耗水平比A 和E 分別少8.2%和16.4%，H 小區(qū)和A 小區(qū)的平均供水溫度和回水溫度相同，戶內(nèi)溫度均在18 ℃～20 ℃，A 小區(qū)的二次網(wǎng)系統(tǒng)水力不平衡率較高，而H 小區(qū)經(jīng)過多次的水力平衡的調(diào)節(jié)后節(jié)能顯著。

H 小區(qū)的二次網(wǎng)系統(tǒng)及中水系統(tǒng)都比較理想，本文選取本站最冷月中的1 月15 日的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，室外氣溫范圍為-4.6 ℃至3 ℃。

表4 是1 月15 日H 小區(qū)熱泵系統(tǒng)在供暖期間的運(yùn)行參數(shù)，機(jī)組負(fù)載側(cè)為定流量運(yùn)行，在不考慮源水側(cè)輸送能耗的情況下，站內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)如下所示：

表4 2015 年1 月15 日H 熱泵站運(yùn)行參數(shù)

1 月15 日H 機(jī)房總的耗電量是46980 kWh，該值包含了機(jī)房內(nèi)的所有用電設(shè)備的耗電量，并且含變壓器及所有電機(jī)的無功損耗。根據(jù)上表可以計(jì)算出H 熱泵系統(tǒng)的能效比：

制熱能效比EER 是用熱泵系統(tǒng)一天24 小時的總制熱量除以這一天該機(jī)房所耗的電量得到的，通過上述分析可知，在不考慮源水輸配能耗的情況下，分布式熱泵系統(tǒng)能效比較高。將水源熱泵機(jī)房供熱與小區(qū)內(nèi)的鍋爐房供熱相比較，則中水源熱泵的一次能源利用效率[7]為：

式中：E—一次能源利用率；Q—水源熱泵站的總制熱量；N—水源熱泵站內(nèi)的總耗電量；β—發(fā)電廠的輸配電效率，這里參考文獻(xiàn)[7]中的數(shù)據(jù)，取0.284。

將用戶H 機(jī)房能效比EER 代入式（2）可以得到H 熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率為1.187，相比于鍋爐房的一次能源利用率0.65，能源利用率提高了82.6%，定量的說明了分布式水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)比鍋爐房供熱系統(tǒng)節(jié)能明顯。

3.3 二次網(wǎng)特性對系統(tǒng)能耗的影響

對于所有的供熱系統(tǒng)來說，最終的目的是將熱量送到各個采暖房間，二次網(wǎng)的水力平衡直接影響了該區(qū)域的供熱效果，也影響了熱力系統(tǒng)的能耗水平，熱泵系統(tǒng)的實(shí)際功率與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度都有關(guān)系，一般的熱泵系統(tǒng)供熱運(yùn)行的控制目標(biāo)是冷凝器出水溫度，為了達(dá)到同樣的供熱效果，沒有進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)的熱系統(tǒng)需要更高的出水溫度，來彌補(bǔ)水量不平衡帶來的熱量不平衡，而冷凝溫度越高機(jī)組的能效則越低。

結(jié)合1 月份項(xiàng)目地區(qū)的氣象資料，同時期的平均最高溫和最低溫度比較接近，如表5：

表5 該地區(qū)1 月份不同時期室外溫度平均值

H 小區(qū)從2013 年11 月15 日開始供暖，由于二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，系統(tǒng)水力失調(diào)嚴(yán)重，在供暖期結(jié)束后對二次網(wǎng)進(jìn)行了改造，主要分支安裝了靜態(tài)平衡閥來改善各個分支的不平衡率。通過兩個采暖季的同期實(shí)際耗電量對比，可以得到以下數(shù)據(jù)（圖3）：

圖3 H 小區(qū)熱泵站1 月同期耗電量對比

從表5 可以得知，1 月的上旬、中旬室外氣溫最近接，2015 年的1 月下旬氣溫比2014 年同期低2～3 ℃，熱負(fù)荷必然相差較大。系統(tǒng)能耗經(jīng)過水力平衡調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)能耗比未進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)的系統(tǒng)能耗低。節(jié)能量分別是21.27%和22.12%，節(jié)能量是非常大的，在熱泵集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行初期首要解決的就是二次網(wǎng)水力平衡問題。

3.4 機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)方案對能耗的影響

熱泵機(jī)組的能耗占整個系統(tǒng)能耗的80%以上，不僅與源水側(cè)中水的溫度及冷凝器出水溫度有關(guān)，還與全天、整個采暖季的調(diào)節(jié)方案有關(guān)，因此對于多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行調(diào)節(jié)方案對節(jié)能與否影響巨大。熱泵機(jī)組的最高效率的負(fù)荷值是額定值的70%～80%。

A 小區(qū)由于二次系統(tǒng)施工質(zhì)量問題，二次管網(wǎng)漏水情況嚴(yán)重，且供暖期間無法調(diào)節(jié)，需要進(jìn)行二次網(wǎng)的改造。為使用戶室內(nèi)供暖效果較好，不得不將機(jī)組出水溫度調(diào)高，在1 月份以后供暖基本平穩(wěn)，二次網(wǎng)不平衡增加約20%的能耗，從表6 中可以看出，A 站比H站增加的能耗約在10%，那么少增加的這部分主要是由于機(jī)組運(yùn)行方式的不同以及機(jī)組本身的性能起主要的作用了。

表6 2015 年1 月份不同時期A 熱泵站與H 熱泵站耗電量比較

4 總結(jié)

本文對分布式水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的能耗實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過對兩個采暖季的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，從系統(tǒng)能耗分析方面得出了系統(tǒng)的能耗水平及主要影響因素。通過分析可以知道，水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的一次能源利用率較高，相比于傳統(tǒng)的鍋爐房供熱方式，整個系統(tǒng)的一次能源利用率提高了82.6%。加入源水輸配能耗后，輸送能耗占總系統(tǒng)的能耗低于10%。

通過對H 站在兩個采暖季中的能耗分析可知，用戶的二次網(wǎng)系統(tǒng)的水力不平衡，至少會增加水源熱泵區(qū)域供熱系統(tǒng)的能耗在20%以上，因此二次系統(tǒng)的平衡問題是首要解決的問題。另外一個影響系統(tǒng)能耗的因素是熱泵機(jī)組的運(yùn)行調(diào)節(jié)方案以及機(jī)組性能，好的運(yùn)行方案至少會節(jié)省10%的能耗。該項(xiàng)目由于能源站內(nèi)的設(shè)備電量分項(xiàng)計(jì)量裝置不夠完善，主要設(shè)備沒有實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)計(jì)量，在控制策略方面，末端的供熱質(zhì)量仍然沒有很精細(xì)的監(jiān)測，后續(xù)需要將末端供熱質(zhì)量與主機(jī)的運(yùn)行調(diào)節(jié)形成聯(lián)動，在系統(tǒng)各個環(huán)境均達(dá)到高效的前提下，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的按需供熱，從而進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力。