磁懸浮式熱泵機組用于集中供熱的經濟性分析

閻蕭煒

(濟南熱力集團有限公司，山東 濟南 250000)

1 磁懸浮式熱泵機組

磁懸浮式壓縮機(結構見圖1)屬于離心式壓縮機，主要由進口導葉、永磁同步直流電機、磁懸浮軸承、電機與軸承控制器等部件組成，是磁懸浮式熱泵機組的核心。磁懸浮軸承利用磁場使轉子懸浮起來，在旋轉時不會產生摩擦，不再需要機械軸承以及配套潤滑系統。由于減少了機械摩擦造成的損耗，磁懸浮式熱泵機組能效比明顯高于配置傳統離心式壓縮機以及往復式、螺桿式壓縮機的熱泵機組[1-2]。

圖1 磁懸浮式壓縮機結構

2 工程概況

為解決濟南市歷東社區集中供暖問題，濟南熱力集團下屬山東睿冠電能有限公司于2018年對該社區實施了集中供暖改造，配套建設歷東社區熱力站(總供暖面積為2.8×104m2，于2018年12月27日投入運行)。熱力站工藝流程見圖2。一級管網設計供、回水溫度分別為95、70 ℃。可實現磁懸浮式熱泵機組供熱模式、傳統供熱模式。熱力站一二級管網進出口管均安裝溫度、壓力傳感器以及流量計。磁懸浮式熱泵機組蒸發器、冷凝器進出口管均安裝溫度傳感器、流量計，并單獨安裝電能表計量機組耗電量。自來水經軟水裝置軟化處理后，經補水泵為二級管網補水。

圖2 熱力站工藝流程1～8.閥門 9.管道泵

① 磁懸浮式熱泵機組供熱模式

閥門1、2、4、5、6開啟，調小閥門3、7、8開度，管道泵開啟。一級管網供水經板式換熱器放熱后部分經閥3回到一級管網，另一部分經閥5、管道泵、閥4進入磁懸浮式熱泵蒸發器放熱，最后經閥2回到一級管網。二級管網回水部分經閥8與一級管網供水在板式換熱器中進行換熱升溫，另一部分經閥1在磁懸浮式熱泵機組冷凝器中升溫。經過加熱的兩部分二級管網回水分別經閥7、閥6混合后向用戶提供熱水，在用戶端放熱后回到熱力站繼續升溫。為控制磁懸浮式熱泵機組蒸發器的進水溫度，通過一級管網電動調節閥對經過板式換熱器的一級管網流量進行調控。

② 傳統供熱模式

作為磁懸浮式熱泵機組故障工況下的應急供熱模式，傳統供熱模式閥門3、7、8開啟，其他閥門關閉，管道泵關閉。一級管網供水經板式換熱器一級側放熱降溫后回到一級管網。二級管網回水經板式換熱器二級側吸熱升溫后向用戶提供熱水，在用戶端放熱后回到熱力站繼續升溫。

3 技術經濟性分析

對熱力站2018年12月27日—2019年3月15日的監測數據進行分析。2018年12月27日—2019年3月15日一級管網日平均供回水溫度見圖3。由圖3可知，與僅采用板式換熱器換熱的傳統供熱模式相比，采取磁懸浮式熱泵機組供熱模式可有效降低一級管網回水溫度。2018年12月27日—2019年3月15日一級管網日平均回水溫度的平均值為24.9 ℃。2018年12月27日—2019年3月15日磁懸浮式熱泵機組日平均制熱性能系數見圖4。由圖4可知，2018年12月27日—2019年3月15日磁懸浮式熱泵機組的日平均制熱性能系數比較高，且制熱季節能效比達到了8.93。

圖3 2018年12月27日—2019年3月15日一級管網日平均供回水溫度

圖4 2018年12月27日—2019年3月15日磁懸浮式熱泵機組日平均制熱性能系數

根據磁懸浮式熱泵機組冷凝器的進出水溫度、質量流量，可計算得到日平均制熱功率，進而計算得到2018年12月27日—2019年3月15日磁懸浮式熱泵機組制熱量為4 957.33 GJ。螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組制熱季節能效比分別取5.10、8.93，可計算得到2018年12月27日—2019年3月15日兩種熱泵機組的耗電量分別為27.00×104、15.42×104kW·h。

為計算供暖期(2018年11月15日—2019年3月15日)熱泵機組耗電量，將2018年11月15日—12月26日室外溫度與2019年2月2日—3月15日視為對稱，由此可計算得到螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組供暖期耗電量分別為39.36×104、22.48×104kW·h。電價按0.9元/(kW·h)計算，磁懸浮式熱泵機組供暖期可節省電費15.19×104元。

螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組的購置費分別為65×104、120×104元，磁懸浮式熱泵機組多出的55×104元購置費可在3.62 a收回。

4 結論

介紹磁懸浮式熱泵機組關鍵設備——磁懸浮式壓縮機結構。結合工程實例，對采用磁懸浮式熱泵機組(將板式換熱器一級側出口的一級管網回水作為低溫熱源)熱力站的一級管網供回水溫度、磁懸浮式熱泵機組制熱性能系數進行實測分析。比較螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組的經濟性。

① 與僅采用板式換熱器換熱的傳統供熱模式相比，采取磁懸浮式熱泵機組供熱模式可有效降低一級管網回水溫度。

② 磁懸浮式熱泵機組的日平均制熱性能系數比較高，制熱季節能效比可達到8.93。

③ 螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組供暖期耗電量分別為39.36×104、22.48×104kW·h。電價按0.9 元/(kW·h)計算，磁懸浮式熱泵機組供暖期可節省電費15.19×104元。螺桿式熱泵機組、磁懸浮式熱泵機組的購置費分別為65×104、120×104元，磁懸浮式熱泵機組多出的55×104元的購置費可在3.62 a收回。