吸收式熱泵區域供熱最大供熱范圍與節能判據研究

趙 麒,王 琛, 譚羽飛

(1.長春工程學院能源動力工程學院，吉林長春 130012;2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150090;3.長春工程學院設計研究院，吉林長春 130012)

近些年，吸收式熱泵技術及工質的研究日趨成熟，受到了越來越多的關注，并逐漸在工業生產中加以使用[1-5]。隨著中國經濟的高速持續發展和人們對居住環境要求的提高，建筑供熱帶來的能源消耗與環境污染日益嚴重。國家出臺了多部建筑行業的節能標準，并鼓勵在建筑中使用可再生能源、清潔能源等以減少對煤等不可再生能源的依賴。許多學者建議用吸收式熱泵回收熱電廠循環冷卻水的熱量后用于區域供熱[6-9]，由于熱泵系統熱水供回水溫差比采用鍋爐供熱系統時的溫差小得多，這樣在輸送相同的熱負荷時，熱泵系統所需的熱水流量變得很大，熱水循環泵的能耗也必然隨之增大，而且熱泵系統中低溫熱源側的循環泵也要消耗高品位的電能。雖然中國的電仍以燃煤火力發電為主，且發電效率很低，平均在32.2%左右[10]，但鍋爐房供熱系統的效率在不斷提高，如公共建筑節能設計標準中規定燃煤鍋爐的額定熱效率應不低于78%[11]。所以在實際的工程中，吸收式熱泵供熱系統究竟能否真正做到比傳統的鍋爐房供熱系統更為節能確實需要仔細分析與探討。

筆者將吸收式熱泵與傳統鍋爐房區域供熱系統相比較，在國家建筑節能設計標準中的耗電輸熱比EHR的基礎上，結合一次能耗率引申得到一次能源消耗輸熱比PEHR的能耗比較標準，通過分析與計算，研究和討論吸收式熱泵區域供熱系統的合理作用范圍并試圖找到如何判斷該系統是否節能的依據。

1 能耗比較標準

國家標準為了對消耗在熱水輸配系統上的能耗予以控制，規定了設計條件下的熱水循環泵的耗電輸熱比EHR。EHR法只考慮了運行時水泵的能耗，而忽略了供熱量來源的不同。筆者在EHR法的基礎上提出一次能源消耗輸熱比法PEHR(primary energy heat rate)即單位供熱負荷所消耗的一次能源總量。則鍋爐房區域供熱的能源消耗輸熱比可由下式確定：

(1)

式中：YPEHR1為區域鍋爐房一次能源消耗輸熱比；ε1為循環泵消耗的電量，kJ；ηe為一次能源轉換為用戶電能的效率，根據中國現有能源狀況，燃煤火力發電的效率平均在32.2%左右[10]，若電能輸送效率為90%，則ηe=32.2%×90%≈29%；Q為系統供熱量，kJ；η為鍋爐的熱效率，國家標準[11-12]中對燃煤鍋爐額定效率規定，燃Ⅱ類煙煤的鍋爐效率取78%，燃Ⅲ類煙煤的鍋爐效率取82%。

吸收式熱泵區域供熱的一次能源消耗輸熱比YPEHR2由下式確定：

(2)

式中:ε′為熱泵系統的全部電能消耗。

ε′=ε2(1+a),

(3)

式中:a為低溫熱源側水泵的耗電量占循環泵耗電量的比例;cop為吸收式熱泵裝置的制熱性能系數；ε2為循環泵耗電量。

令溫差比β=Δt1/Δt2，即為鍋爐房供回水溫差與吸收式熱泵供回水溫差的比值，則吸收式熱泵區域供熱系統與鍋爐房區域供熱系統循環水泵的耗電比為

ε2=βε1,

(4)

因為β>1，所以ε2>ε1

2 吸收式熱泵區域供熱系統合理作用范圍的研究

PEHR可以理解為供熱系統消耗的一次能源總量與系統總供熱量的比值，該值越小，說明向用戶輸送同樣的熱量需要的一次能源消耗量越少，所以該值越小越好。

吸收式熱泵系統的最大作用范圍Rmax是指室外管網主干線采用相同長度的供、回水管道及相同長度低溫熱源供、回水管道時，是總管網主干線總長度的1/2。筆者以供回水溫度為95 ℃/70 ℃的鍋爐房區域供熱系統和供回水溫度為60 ℃/50 ℃的吸收式熱泵區域供熱系統為研究對象。

將文獻[11]中數據換算成對應的PEHR，見表1(a=0.10,cop=1.25)。

表1 PEHR1與PEHR2計算值

注：∑L為鍋爐房區域供熱室外管網總長度。

PEHR值隨總管線長度的增加而增大，相同管線總長度條件下，2種區域供熱系統的熱效率越高，PEHR值越小。如果將PEHR值限制在一定的范圍內，則區域供熱系統管道的最大作用范圍就可確定。

由圖1可見，隨著a值的增大，系統的最大作用范圍Rmax減小。當a由0.10增加至0.40時，Rmax由3.225 km減小到2.325 km，(PEHR控制在1.15時)。

另外，當a值一定時，隨著PEHR限值的增大，最大作用范圍Rmax也相應增大，例如，當a=0.20時，若PEHR的限值從1.10增大到1.25，Rmax也由1.3 km增加到6 km。因此，若要將a值一定的吸收式熱泵區域供熱系統的PEHR指標控制在一定范圍內，就必須對供熱系統的規模進行適當的控制。具體來說，當PEHR指標分別取1.10，1.15，1.20，1.25時，吸收式熱泵供熱系統的最大作用范圍在a為0.3時應分別為1.125，2.575，4.025，5.450 km。

圖1 PEHR限值時不同a值的最大作用范圍(η=78%)Fig.1 Maximum range under various values of a when PEHR is limited(η=78%)

圖2 PEHR限值時不同a值的最大作用范圍(η=82%)Fig.2 Maximum range under various values of a when PEHR is limited(η=82%)

由圖2可見，鍋爐燃燒效率不同時的最大作用范圍變化規律與圖1相同。由圖1、圖2可以看出，當吸收式熱泵制熱性能系數和a值一定時，PEHR控制值越大，吸收式熱泵的作用范圍也越大；當PEHR控制值一定時，a值越大，即低溫熱源側水泵的耗電量占循環泵耗電量的比例越大，系統的供熱范圍越小。當a由0.10增大至0.40，在PEHR指標分別控制在1.10，1.15，1.20和1.25時，最大作用范圍(η=82%)分別降低了27.9%，25.9%，24.8%和24.0%。由于吸收式熱泵的驅動能源來源于熱量，當熱效率升高時，在其他條件相同時的最大供熱范圍會相應增大。

3 吸收式熱泵區域供熱節能判斷

在給定系統的供回水溫差、室外管網主干線總長度和鍋爐的熱效率等參數后，就可以確定當吸收式熱泵區域供熱系統比鍋爐房區域供熱系統節能時，對熱泵裝置的制熱性能系數cop的最低要求。

要想吸收式熱泵區域供熱系統比鍋爐房區域供熱系統節能，則要求下式成立：

YPEHR2

(5)

將式(1)～式(4)代入式(5)得吸收式熱泵區域供熱節能判據：

(6)

根據本文建立的能耗比較標準，當a=0.10和0.20時，在衡量指標下cop的低限值見表2。

表2 不同a值條件下cop低限值

注：∑L為吸收式熱泵區域供熱室外循環水與低溫水管網的總長度(吸收式熱泵作用范圍)。

從表2可以看出，在要求吸收式熱泵區域供熱比鍋爐房區域供熱節能的前提下，隨著吸收式熱泵區域供熱系統作用范圍的增加，熱泵裝置的cop低限值也在增加，在熱泵作用范圍相同時，相比較的鍋爐房燃燒效率越高，所需的熱泵裝置的cop低限值越大。表2中a值的變化對結果有很大影響，影響a值的因素有低溫水的流量、密度、溫差、比熱、管網阻力及水泵的機械效率。在不同的工程條件下，影響a值的因素差異較大，這就造成熱性能系數cop的低限值的變化。

圖3 熱泵cop低限值隨作用范圍變化(η=78%)Fig.3 Lower limit of cop with the heating range (η=78%)

由圖3可見，鍋爐的熱效率為78%時隨著a值的增大，吸收式熱泵的cop低限值增大。當a由0.10增大至0.40時，cop低限值由1.113 7增大到1.170 7(作用范圍6 km)。另外，對于同一a值，隨著作用范圍的增大，cop低限值也相應增大。例如：當a=0.20時，若作用范圍從2 km增大到10 km，cop低限值也由1.052 8增加到1.224 2。因此，若要a值一定的吸收式熱泵區域供熱系統比相應鍋爐房區域供熱系統節能，就需要熱泵cop達到一定要求。具體來說，對于a=0.40，當供熱作用范圍分別為2，4，6，8，10 km時，吸收式熱泵cop最低值分別為1.066 8，1.114 6，1.170 7，1.230 6，1.296 9。

圖4 熱泵cop低限值隨作用范圍變化(η=82%)Fig.4 Lower limit of cop with the heating range (η=82%)

由圖4可見，鍋爐的熱效率為82%前提下的吸收式熱泵cop低限值變化規律與前者相同。當a由0.10增大至0.40時，cop低限值由1.120 2增大到1.181(作用范圍6 km)。當a=0.30時，若作用范圍從2 km增大到8 km，cop低限值也由1.063 0增加到1.276 5。對于a=0.40，當供熱作用范圍分別為2，4，6，8 km時，吸收式熱泵cop最低值分別為1.070 5，1.123 1，1.181 0，1.245 3，1.317 0。

4 結 論

吸收式熱泵系統已被作為一種節能環保的系統在中國開始應用，為了提高該系統在規模化應用中的能源利用效率，針對吸收式熱泵區域供熱系統的最大作用范圍和區域供熱節能判據進行了分析與計算并得到以下結論。

1)在借鑒國家建筑節能設計標準中對供熱系統熱水循環泵的耗電輸熱比EHR的計算方法的基礎上，進一步提出了一次能源消耗輸熱比PEHR的概念，計算發現當吸收式熱泵制熱性能系數一定時，PEHR控制值越大，吸收式熱泵的作用范圍越大；a值越大，系統的供熱范圍越小。

2)吸收式熱泵區域供熱的作用范圍越小，對熱泵裝置本身的cop低限值的要求越小，說明作用范圍小的吸收式熱泵區域供熱系統更容易滿足節能要求。

3)在相同作用范圍與燃燒效率條件下，a值越小，即低溫熱源側水泵的耗電量占循環泵耗電量的比例越小，滿足節能要求的熱泵cop的低限值越小，吸收式熱泵區域供熱系統越易實現節能。

本文的方法與結論可為吸收式熱泵區域供熱的廣泛應用提供理論指導。雖然研究主要針對吸收式熱泵區域供熱系統,但該計算可以應用到區域供冷系統中,只是此時循環水泵耗電輸熱比計算式中相應的數據要換成適合區域供冷系統的數據。

參考文獻：

[1] REN J, ZHAO Z C, ZHANG X D. Vapor pressures, excess enthalpies and specific heat capacities of the binary working pairs containing the ionic liquid1-ethyl-3-methylimidazolium dimethyl phosphate [J].Journal of Chemical Thermodynamics,2011,43(4):576-583.

[2] LI Yan, FU Lin, ZHANG Shigang, JIANG Yi, et al. A new type of district heating method with co-generation based on absorption heat exchange (co-ah cycle), Energy Conversion and Management, 2011,52 (2):1 200-1 207.

[3] 胡桂秋,陳 軍,王 剛.中高溫除濕干燥機的不同工質特性分析[J].河北科技大學學報,2010,31(4):364-367.

HU Guiqiu,CHEN Jun,WANG Gang. Analysis of characteristics of different refrigerants for medium-high temperature dehumidification dryer[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology,2010,31 (4): 364-367.

[4] 謝英強,甄 仌,甄秀語.溴化鋰吸收式制冷在熱電廠中的應用[J].節能技術,2007,25(6):541-543.

XIE Yingqiang, ZHEN Bing, ZHEN Xiuyu. Applications of LiBr absorption refrigeration in thermal power plant[J]. Energy Conservation Technology, 2007,25(6):541-543.

[5] 江菊元，殷雅冰，張 克，等.熱力網遠程測控系統設計[J].河北工業大學學報，2012，41(5)：27-31.

JIANG Juyuan, YIN Yabing, ZHANG Ke,et al.The design of thermal nets remote measurement and control system[J].Journal of Hebei University of Technology,2012,41(5):27-31.

[6] HERENA T, DIETRICH S. Development of system concepts for improving the performance of a waste heat district heating network with exergy analysis[J]. Energy and Buildings,2010,42(10):1 601-1 609.

[7] SONG H C, SANG H K, SUNG-GEUN Y, et al. Optimization of a waste heat utilization network in an eco-industrial park[J]. Applied Energy,2010, 87(6):1 978-1 988.

[8] 賀益英,趙懿珺.電廠循環冷卻水余熱高效利用的關鍵問題[J].能源與環境,2007(6):27-29.

HE Yiying, ZHAO Yijun. The key problems of the efficient use of the waste heat of the cooling water in power plant[J]. Energy and Environment, 2007(6):27-29.

[9] 董 明,謝 禹.一項利用余熱資源的新技術[J].技術創新,2010(1):60-64.

DONG Ming, XIE Yu. A new technology for the use of waste heat resources[J].Technological Innovation,2010(1):60-64.

[10] 中節藍天投資咨詢管理有限公司.中國電力行業能效現狀及節能潛力分析[J].電力設備,2005(6):109-111.

China Energy Conservation Blue Sky Investment Consulting & Management Company Limited. The status quo of energy efficiency and energy-saving potential analysis of China power industry[J].Power Equipment, 2005(6):109-111.

[11] GB 50189—2005.公共建筑節能設計標準[S].

GB 50189—2005,Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings[S].

[12] JGJ 26—95.民用建筑節能設計標準[S].

JGJ 26—95, Design Standard for Energy Efficiency of Public Buildings of Civilian Buildings[S].