空氣能熱泵在成品油管道站場的試應用分析

劉國豪 侯磊 李清平 潘騰 王乾坤 王海東

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院；2.中國石油管道公司）

管道企業一直在尋找新型、節能加熱產品替代鍋爐，在保證站場需要的熱水和熱量的基礎上，盡可能減少運行和維護工作量、減少大氣污染物排放，降低企業運行成本[1-4]。本次選擇在成品油管道站場首次安裝空氣能熱泵機組進行試應用，考察其運行效果和能效水平，分析其經濟效益，并查找運行中存在的問題，為下一步推廣使用提供改進建議。

1 原理

空氣能熱泵是按照“逆卡諾循環”原理工作的[5]。吸收空氣中熱量制造熱水。工作原理為通過壓縮機系統運轉工作，吸收空氣或自然環境中的低品位熱能，轉化為高品位熱能，實現低溫熱能向高溫熱能的轉移；再將高品位熱能釋放到水中制取成熱水，通過輸送熱水為站內辦公區及宿舍供暖。站場只需輸入1 kW 的電能，根據熱平衡的原理，熱泵將最少產生2.8 kW 的熱量，加上輸入的1 kW 電能，實際產生的熱量在3～4 kW，可以看出其主要節能效果體現在用少量的電能，產生出3～4倍的熱能。

2 試驗情況

某成品油管道沿線途徑天津、河北、山東等北方地區，沿途冬季室外溫度較低（-10～-15 ℃左右，大部分北方地區冬季溫度），站內冬季使用各屋均配備普通空調供暖，能耗較高且室內平均溫度達不到要求，為解決房間溫度偏低的問題，選取2座典型站場A、B 各安裝2 種不同功率的空氣能熱泵機組進行在管道站場的應用。

2.1 設備情況

A 輸油站配備1 臺空氣能熱泵機組，額定制熱量53 kW，循環水流量6.2 m3/h，被加熱水量1 000 L，最高出水溫度60 ℃，額定電流16.9 A，最大電能輸入功率13.2 kW；B 輸油站配備1 臺空氣能熱泵機組，額定制熱量36 kW，循環水流量9.2 m3/h，被加熱水量1 000 L，最高出水溫度60 ℃，額定電流26 A，最大電能輸入功率19 kW。兩套設備已連續運行40 天，運行穩定。

2.2 監測參數及測點布置

參照GB/T 21362—2008 《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》[6]、GB 29541—2013 《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》[7]，分時段測試總體制熱量和耗電量，評估其能效等級等關鍵參數。各主要參數及測點布置如下：

1）機組耗電量：在電動機控制柜處安裝3169電參數綜合測試儀測試電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率，每隔15 min 讀取一次瞬時數據，并累計耗電量。

2）供水溫度、回水溫度：讀取現場數據。

3）室內溫度：分別將3 根水銀溫度計放置于各房屋、走廊，每隔30 min讀取一次數據。

4）熱水流量：在供回水管路中的直管段上安裝超聲波流量計進行測試，每隔15 min 讀取一次數據。

3 測試結果與分析

3.1 測試結果

A、B 輸油站經過連續測試，測試結果匯總見表1。

表1 測試結果匯總表

設計文件要求供暖熱媒為45～55 ℃的熱泵機組，使站內辦公室及會議室冬季室溫不低于20 ℃，使門廳及走廊內溫度不低于16 ℃。本次測試結果表明，兩個站供水溫度均為50 ℃，在熱泵機組沒有滿負荷運行的情況下，辦公室、會議室、門廳及走廊的實測平均溫度均已達到且超過房間溫度的設計要求。另外，兩個站的熱泵設備運行階段，噪音經檢測均不超過55 dB，對辦公區和宿舍影響可以忽略。

根據國家標準GB 29541—2013規定，A輸油站空氣能熱泵機組制熱性能系數值（COP）為3.19，滿足5 級能效等級要求；B 輸油站空氣能熱泵機組制熱性能系數值為3.31，滿足4 級能效等級要求。兩站空氣能熱泵機組的能效等級均超過3級，為合格且優秀。

3.2 經濟效益分析

在13～19 kW 的熱泵機組在沒有滿負荷運行的情況下，已能滿足站內供暖需要，相比普通站場安裝60～150 kW的鍋爐，設備功率大幅下降。

近年站場燃油或燃氣鍋爐實際熱效率為80%～86%[8-9]，但本次測試的熱泵實際熱效率能達到300%以上，其制熱性能系數值超過3，能效比高。參考SY/T 6422—2016《石油企業用節能產品節能效果測定》[10]，該站場供暖鍋爐年運行時間110 天左右，使用60 kW 燃油熱水鍋爐（燃料為站內管道中的汽油或柴油）時，鍋爐實際熱效率在80%～86%，按平均值83%分析，消耗燃料油8.5 kg/h，年耗油約22 t，按價格較低的汽油計算，每噸8 000 元，燃料費約為17.6萬/a；使用功率大的B站19 kW 熱泵機組時，耗電為15 kW/h，年耗電約40 000 kWh，按工業電價每千瓦時1.0 元計算，電費年消耗約4萬元。電費約為燃油熱水鍋爐燃料費的四分之一，節能效果明顯，對站場供暖部分的運行成本下降有較大幫助。

4 存在的問題及改進建議

1）空氣能熱泵機組無頂棚及遮擋，建議增加頂棚，減少雨雪天氣下散熱導致的能耗浪費；同時防止低溫天氣下空氣側換熱片結冰阻礙空氣流通，影響換熱效果。

2）空氣能熱泵機組除霜后水沿基座在附近流淌，影響美觀且造成不安全隱患。建議熱泵基座的水泥地基設置導流槽，以免除霜融化的水腐蝕設備。

3）空氣能熱泵機組控制面板顯示界面僅有設定溫度，未設置顯示回水溫度；僅在供水管端設置壓力表，未在回水端設置壓力表，無法準確獲取回水溫度及壓力，無法計算供暖換熱總耗能。建議安裝回水溫度測量裝置并上傳至面板，在回水端增設壓力表。

4）控制面板參數設置有密碼，廠家未提供給站內，導致輔熱啟動溫差等參數無法及時進行重新設置。建議站內人員與廠家加強溝通后掌握溫度設定、輔熱調節等操作，隨時保持機組優化運行。

5）兩個站場供水和回水溫度接近，但B 站供暖面積較小，室內溫度較高，對熱能使用是一種過度浪費，建議安裝能根據室內溫度自動調節設定循環水溫的產品，可在滿足室溫情況下進一步降低機組負荷，減少耗電。

6）空氣能熱泵機組雖然有外設圍欄，但圍欄較高且緊貼換熱器和水箱，查看數據和巡視均不方便。建議降低圍欄高度或合理設置圍欄開口，便于站內人員進入檢修和維護。

5 結論

在熱泵機組在沒有滿負荷運行的情況下，已能滿足站內供暖溫度設計需要，相比普通站場安裝60～150 kW 的鍋爐，設備功率大幅下降。電費約為燃油熱水鍋爐燃料費的四分之一，節能效果明顯，對站場供暖部分的運行成本下降有較大幫助。從環保角度分析，由于熱泵只耗電，不用燃氣，因此不會產生任何廢氣；并且熱泵機組屬于常用工業設備，避免了特種設備的相關強制要求，降低了企業維護成本。