張家川多源互補熱泵供暖系統運行分析

張 雨，李世誠，魏 安

(1.蘭州高新技術新能源有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

近年來，能源與污染問題成為政府及各界人士關注的焦點。我國北方大部分地區，僅一個供暖季消耗的能源占整個建筑能耗的70%～80%，且供暖季污染物排放量明顯高于非供暖季。面對日益嚴峻的“霧霾”現象，傳統燃煤鍋爐供暖存在高能耗、低效率、高排放、高污染成為當前亟需解決的問題。

隨著科學技術的不斷發展，熱泵供暖系統在我國北方地區應用日益廣泛，但是，單一熱泵系統的使用存在以下問題：①在黃河以北寒冷地區，空氣源熱泵受室外溫度影響，造成供熱量不足、壓縮機壓縮比過高、能效比下降等問題；②地下水回灌所帶來的地質災害問題，亦成為制約水源熱泵應用的一個瓶頸；③由于土壤的導熱系數較小，土壤源熱泵地埋管的換熱性能受土壤的熱物性參數影響較大[1，2]。鑒于上述單一熱泵系統運行過程的缺陷，本文采用空氣源熱泵耦合水源熱泵系統作為供暖熱源，搭配相變蓄熱鹽罐(利用鹽溶液相變蓄熱特性，降低供暖運行能耗)，對張家川縣張棉鄉中學進行集中供暖。

2 項目背景及熱源系統介紹

2.1 項目背景

本供暖項目位于天水市張家川縣，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.5 ℃，無霜期163 d左右，全年日照時數2044 h，年平均降水量600 mm。原采用燃煤鍋爐對張家川縣張棉鄉中學5560 m2建筑進行供暖，由于燃煤鍋爐效率低，污染大，故對鍋爐房進行熱源改造，在原有散熱器供暖末端基礎上利用多熱源互補熱泵作用供暖熱源，供暖建筑平面簡圖如圖1所示。

其中，北宿舍樓與西教學樓為地上三層磚混結構，外墻厚300 mm，無保溫材料，室內為水泥地面，開放式走廊。南教學樓、南宿舍樓及餐廳為地上三層框架結構，外墻厚350 mm，擠塑聚苯板保溫，厚度50 mm，室內為水泥地面，封閉式走廊。所有建筑物屋頂保溫均為爐渣加水泥層，外貼SBS防水材料，平均厚度30 cm。

圖1 建筑平面

2.2 熱源系統

本項目采用多源耦合熱泵系統替代燃煤鍋爐，利用空氣源熱泵作為水源熱泵的低溫熱源，從空氣側提取熱量，避免了水源熱泵系統存在的打井困難、地下水超采等問題；同時，水源熱泵將空氣源熱泵出水進行二次升溫向室內供熱，當水源熱泵供暖側水溫達到55 ℃時，熱泵停止加熱，當供暖側水溫低于50 ℃時，熱泵再次開機工作。此外，兩熱泵之間接有相變儲熱鹽罐(單罐蓄熱量100 kW，相變溫度21 ℃)，為降低系統運行能耗，蓄熱鹽罐可儲存由空氣源熱泵出水側提供的熱量，從而降低空氣源熱泵能耗。熱源系統如圖2所示。

該熱源系統的熱能流程依次為：室外空氣→空氣源熱泵→相變儲熱罐→水源熱泵→室內用戶。

3 供暖方案設計及測試

3.1 供暖設計方案

根據現場實地測量，本項目總供暖面積為5114 m2，其中，西教學樓618 m2、北宿舍樓727 m2，均未采取外墻保溫；南教學樓1341 m2、南宿舍樓1366 m2、餐廳1062 m2，均采取保溫措施，如表1所示[3]。

圖2 熱源系統

表1 采暖熱指標推薦值(W/m2)

利用表1所得采暖熱指標，分別帶入(1)式計算供暖熱負荷：西教學樓43.26 kW、北宿舍樓43.62 kW、南教學樓80.46 kW、南宿舍樓57.37 kW、食堂116.82 kW，總熱負荷為341.53 kW，故選取制熱量358 kW的水源熱泵系統向戶內供暖。

Qh=qhAc×10-3

(1)

式(1)中Qh為采暖設計熱負荷，kW；qh采暖熱指標，W/m2；Ac為建筑物采暖面積，m2。

西北地區地下水溫為10～20 ℃[4],本項目由空氣源熱泵代替地下水冷源。為提高水源熱泵制熱性能，保證空氣源熱泵出水溫度在18 ℃以上，同時考慮當地供暖季室外平均溫度為1 ℃[5]，故選取總制熱量為238kW的兩臺空氣源熱泵機組。各設備參數如表2所示。

表2 系統配置參數

3.2 系統測試

3.2.1 測試內容

課題組利用自動化檢測設備，對多源耦合熱泵系統的運行情況進行測試，測試時間為2019年1月12日0:00-23:00，測試內容包括：室外環境溫度、空氣源熱泵進出口水溫、空氣源熱泵制熱功率、空氣源熱泵循環水流量、水源熱泵供暖側供回水水溫、水源熱泵制熱功率、水源熱泵循環水流量、供暖戶內溫度。

3.2.2 數據整理

本項目通過對空氣源與水源熱泵的供回水水溫、循環水流量監測，計算出各機組制熱量；同時通過采集各機組的制熱功率得出COP，主要依據以下公式[6]。

(1)制熱量：

Q1=ρVcp(tout-tin)

(2)

式(2)中Q1為熱泵機組制熱量，kW；ρ為水的密度,kg/m3；V為熱泵機組循環水水流量，m3/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg· ℃)；tin，tout為熱泵機組進、出口水溫， ℃。

(2)熱泵機組性能系數：

(3)

式(3)中COP為熱泵機組的性能系數；P1為機組的制熱輸入功率，kW；Q1為機組制熱量，kW。

3.3 熱泵機組COP分析

圖3所示為該熱源系統熱泵COP隨室外環境溫度變化折線圖。其中，全天室外最高溫度為0.6 ℃，最低溫度為-8.7 ℃，平均溫度為-5.0 ℃；空氣源熱泵COP最大值為3.91，最小值為1.02(部分時段由于室外溫度過低，空氣源熱泵進行逆向除霜)，平均值為2.56；水源熱泵COP最大值5.16，最小值為3.58，平均值為3.92。

3.4 室內溫度分析

課題組分別選取北宿舍樓(無外墻保溫)與南宿舍樓宿舍各一間，采集室內溫度數據，如圖4所示。其中，南宿舍樓全天最高溫度為22.5 ℃，最低溫度為19.0 ℃，平均溫度為20.4 ℃，滿足18～22 ℃的供暖室內標準[7]；北宿舍樓全天最高溫度為18.9 ℃，最低溫度為15.1 ℃，平均溫度為16.2 ℃，由于為采取外墻保溫措施，且建筑使用年限較久，故室內溫度偏低。

圖3 熱泵COP與室外溫度

圖4 室內外溫度

3.5 能耗效益分析

本熱源系統主要采用電力驅動，系統運行功率如圖5所示。

圖5 系統運行功率

根據測試數據可知，系統總運行功率由空氣源熱泵制熱功率、水源熱泵制熱功率、循環泵功率組成，全天平均運行功率為108.93 kW,即系統1 h平均耗電量為108.93 kW·h，全天耗電量為2614.32 kW·h。按照國家統計局標準，1 kW·h折算0.404 kg標準煤，即全天標準煤耗量1.06 t，較之前燃煤鍋爐耗煤量1.13 t(供暖季總耗煤量120 t，供暖時長106 d)有所減少。此外，由于燃煤鍋爐燃燒效率低，不僅耗煤量高，戶內供暖溫度也難滿足需求，經過熱源系統的改造，大大提高了能源利用率，同時也保證了供暖室內溫度指標。

3.6 經濟效益分析

本項目采取峰谷電價政策，8:00～22:00，電價為0.54元/kW·h，22:00至次日8:00為0.32元/kW·h，根據前述系統日平均電耗2614.32 kW·h，計算得系統日運行費用為1124.2元，低于燃煤鍋爐日運行費用1175.2元(測試當日室外環境溫度燃煤鍋爐日運行消耗煤約1.469 t，當地煤價800元/t)，但考慮到燃煤鍋爐污染物排放量大，同時需要專人值班看守，需要聘請專業司爐工人，司爐工人工資也是運行成本一項支出；供暖溫度也未能長久滿足學校需求，綜合考慮各項因素，多源互補熱泵系統熱源改造方案適宜。

3.7 環保效益分析

根據表3提供的數據，1t標準煤燃燒產生的污染物量如下。

表3 消耗1t標準煤的污染物排放量

張棉鄉中學原供暖熱源為燃煤鍋爐，供暖季日耗煤量1.13 t，日排放NOx為8.362 kg、SO2為9.605 kg、CO2為2960.6 kg。熱源系統改造后，現場基本無污染物排放，以燃煤鍋爐供暖季總耗煤量120 t計算，改造后供暖季減少NOx排放量888 kg；SO2排放量1020 kg；CO2排放量314400 kg，解決了供暖所帶來的環境污染問題，也為該地區環境治理問題做出了貢獻。

4 結論

本文通過對張家川縣張棉鄉中學多源互補熱泵供暖系統的運行數據分析，得出以下結論。

(1)多源互補熱泵供暖系統能夠滿足當地供暖需要，較原燃煤鍋爐系統，不僅提高了供暖效率，同時大大減少了污染物排放量，屬于清潔環保高效的供暖方案。

(2)在冬季低溫環境下，考慮到空氣源熱泵制熱的不利因素，將兩種熱泵系統相結合，既避免了水源熱泵打井與回灌等問題，又解決了空氣源熱泵低溫環境下制熱能力不足的問題(空氣源熱泵向水源熱泵供水溫度為20 ℃)。

(3)多源互補熱泵供暖系統采用全自動控制，無需專人看護，可利用控制屏隨時調控供回水水溫與運行工況。

(4)雖然該系統運行費用略高于燃煤鍋爐，但是考慮供暖室內溫度、污染物排放、系統穩定性、安全性等多方面因素，多源互補熱泵供暖系統都具有明顯的優勢。