熱泵冷熱水聯產在某工廠的應用

歐陽生春

升寶節能技術（上海）有限公司

熱泵冷熱水聯產在某工廠的應用

歐陽生春

升寶節能技術（上海）有限公司

以某熱泵冷熱水聯產空調系統一改造工程為例，介紹了改造工程概況、改造所選用的設備和儀器儀表，并給出了改造后的節能效果和環境效益分析。

高溫熱泵；冷熱水聯產；熱回收；節能效果

Abstract: Based on some heat pump cooling heating water co-generation system renovation,the author introduces sketch of renovation project and facilities and instruments and apparatuses for renovation. Finally the author puts forward energy saving effect and environment benefit analysis after renovation.

Key words: High Temperature Heat Pump, Cooling Heating Water Co-Generation, Heat Recovery,Energy Saving Effect

近年來，隨著我國經濟的迅猛發展，空調系統扮演著十分重要的角色。空調系統在公共建筑及工業建筑中越來越普及，由此所產生的巨大的廢熱排放對大氣環境構成了嚴重的污染，加劇了城市的“熱島效應”。冷水機組在制冷工況下向大氣環境排放的冷凝熱，其值可達制冷量的1.15 ～ 1.3 倍[1]。

冷水機組經冷凝器放出的熱量通常由冷卻塔帶走，排向周圍環境中，而同時需要用熱的場所（如酒店、工廠、醫院等）所需的熱源卻要再通過鍋爐設備制取。對于上述同時有用冷、用熱需求的場合，上述做法導致能源的巨大浪費，同時，也給周邊環境帶來了環境熱污染。而高溫熱泵機組的制熱效率遠遠超過各種鍋爐，是優秀的鍋爐替代品，適用于同時需要冷量和熱量，且有足夠冷負荷的系統中[2]。高溫熱泵機組采用冷熱聯產，不但實現了廢熱利用，減少了對環境的熱污染，又可減少冷卻塔的運行費用和噪聲，達到節能減排的目的。

1 工程概況

某工廠空調系統的熱水在夏季主要用于空調箱處理空氣的再熱，冬季主要用于空調箱熱水盤管的加熱。這些熱源來自于天然氣蒸汽鍋爐，蒸汽鍋爐產生的高溫蒸汽通過板式換熱器換熱后，將熱水加熱并供應給空調末端設備。工廠一年均需要供應熱水和冷凍水，且冷量遠遠大于熱量。

該工廠共設有5臺蒸汽板換，每臺板換對應一個蒸汽閥。一般使用兩臺蒸汽板換。蒸汽閥在不同開度下對應的蒸氣流量表1所示。

對板換蒸汽閥在不同開度下的流量進行回歸，得到如下計算式。該項目改造前沒有能量計和流量計，僅有溫度傳感器。參照本項目BA數據庫提供的板換蒸汽閥的開度數據，計算在不同開度下逐月的蒸汽使用量，進而推算逐月的天然氣使用量。其中，140℃飽和蒸汽的熱值取273 4 kJ/kg，天然氣的熱值取8 500 kcal/m3，天然氣鍋爐的效率取90%。表2為天然氣月用量。

2013年1月～2013年1月熱水供回水溫度分別如圖1所示。

從圖1可知，該廠空調用熱水供回水溫度呈現出明顯的季節性變化特點，夏季的供回水溫度略低于冬季，全年熱水供水溫度在61℃～67℃之間，回水溫度在42℃～45℃之間。圖2為逐月熱水熱負荷以及相應的熱水流量。

表1 蒸汽閥流量與開度對應關系

表2 天然氣逐月用量

2 改造方案

本項目擬選用3臺特靈高溫熱泵機組與原有冷凍水回水進行串聯，這樣可讓熱泵機組優先滿載，最大程度回收熱水，具體設備配置表如圖3所示。熱泵機組冷凍側的進出水溫度為12/7℃，熱水側的進出水溫度為45/60℃。熱泵機組冷凍側與原有冷凍水系統回水管進行串聯，熱水側與原有熱水系統回水管進行串聯（如圖4所示）。實際運行時，不僅可向冷凍水系統提供一定冷量的冷凍水，而且熱泵機組也可提供末端空調設備所需的熱水。當熱泵機組提供的熱量不能滿足末端空調設備所需的熱量時，由原有蒸汽鍋爐進行補充。

表3為選用設備參數表。

熱泵機組冷凍側與現有冷凍水系統串聯連接，讓熱泵機組運行在制熱優先模式，熱泵根據末端熱水負荷需要自動調節，可使熱泵機組所有熱量全部用于熱水，無多余熱量排放，運行最經濟。

圖1 熱水供回水溫度

圖2 逐月熱負荷及流量

高溫熱泵機組所有熱量用于加熱熱水，在系統獲得同樣冷量的條件下減少了冷卻塔熱負荷，這樣可在冷卻塔全開的條件下降低冷卻水出塔水溫，從而提高各冷水機組能效。

表3 設備參數表

表4 熱泵機組提供熱量及熱水所需熱量

3 控制邏輯

（1）新增熱泵機組的熱水泵在滿足熱泵機組最小流量的基礎上，根據流量進行變頻。

（2）新增熱泵機組的冷凍水泵在滿足熱泵機組最小流量的基礎上，根據溫差進行變頻。

（3）原有熱水泵仍按照熱水供回水壓差進行變頻運行，通過新增熱水泵與原有熱水泵的運行，調節旁通管旁通流量。

（4）一般情況下，原熱水回水管路上的蝶閥關閉，熱泵機組根據系統負荷情況進行開啟。

（5）當熱泵機組需要檢修時，關閉熱泵機組兩側的手動閥，開啟原熱水回水管路上的蝶閥，由原有的蒸汽鍋爐供應全部熱水。

4 改造后節能效果

本項目原熱源為天然氣蒸汽鍋爐，蒸汽鍋爐大部分熱量用于熱水，另外在過渡季節和冬季部分用于加濕。蒸汽鍋爐產生高溫高熱蒸汽并通過板式換熱器換熱后，向空調末端供應60℃左右的熱水。計算時，天然氣的熱值取8 500 kcal/m3，鍋爐的效率取90%，換熱器的效率取98%。

系統安裝完成并實際運行時，系統將首先開啟熱泵機組，并根據熱負荷側對熱泵機組進行控制，熱泵提供熱量與熱負荷如表4所示。

系統增加熱泵機組后，在現有鍋爐效率0.9與板式換熱器效率0.98的條件下，可以計算得到一個天然氣的用量。由于本項目鍋爐帶有煙氣熱回收，且煙氣熱回收的熱量約占天然氣用量的5%。本項目實際節省的天然氣用量如表5所示。

圖3 新增熱泵機組冷凍側連接方式

圖4 新增熱泵機組冷卻側連接方法

按上所述，可節省的鍋爐用天然氣費用為7 646 226元/a。

原冷水機房全年的整體效率在0.85 kW/RT進行計算，增加熱泵機組后，考慮到新增熱泵機組、冷凍水泵、熱水泵的功率，其整套配置下的效率約為1.58 kW/RT，增加熱泵機組后增加的系統耗電量計算如表6所示。

冷熱水聯產改造完成后，可節省天然氣運行費用7 646 226元/a，同時熱泵機組多耗電2 581 064 kWh/a，電費單價按0.75元/kWh計算，新增冷熱電聯產系統多耗電1 935 798元/a，兩者綜合作用產生的節能費用共計5 710 428元。

5 環境效益分析

根據高溫熱泵每年的產冷量，對應原有系統的冷機效率為0.63 kW/RT，則全年減少散熱5.3×1 010 kJ。每年節省天然氣耗量1 950 568 m3，相當于節省標煤2 368 t標煤，每年增加耗電量2 581 064 kWh，相當于增加標煤1 043 t標煤，全年節省標煤1 325 t標煤。

表5 每年節省天然氣費用計算

表6 高溫熱泵系統增加耗電量

6 總結

將高溫熱泵用于具有冷負荷和熱負荷需求的場所是可行的，不僅減少了散熱量，而且回收了熱量，同時又提供了冷量，降低了運行費用，該技術在同時具有冷熱負荷需求的場所具有廣闊的應用前景。

[1] 吳照，趙新紅等. 上海某工廠空調系統熱回收綜合節能改造.建筑節能[J] 2014.42（4）:91-94

[2] 李敬一，郭懿遠等. 冷水機組熱回收評價系統的應用分析.制冷與空調[J] 2013.27（5）:455-457

Application of Heat Pump Cooling Heating Water Co-Generation at Some Factory

Ouyang Shengchun
R&B Energy Conservation Technology (Shanghai) Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.014