河北保定高速某服務區蓄聯熱泵清潔供暖技術改造研究

崔楚陽,任福松,劉志輝,吳翠姑,馬坤茹

摘要：為了提升空氣源熱泵低溫環境中的熱效率，解決熱泵冬季易結霜、故障率高等問題，提出一種利用相變蓄能裝置將空氣源熱泵和水源熱泵組合的蓄聯熱泵技術。以河北保定高速某服務區蓄聯熱泵的改造工程為例，設計了蓄聯熱泵系統改造方案，并將蓄聯熱泵聯合供暖系統的實際運行數據與位于同一地區、相似建筑中使用單一熱源供暖的空氣源熱泵系統運行數據進行對比，考察供水溫度、室內溫度、單位供暖面積的耗電量和COP值等因素的變化情況。研究結果表明，在相同室外氣溫、相同單位面積供暖熱負荷的條件下，蓄聯熱泵供暖效果更穩定，室內溫度更高，蓄聯熱泵每平方米耗能相比空氣源熱泵低15.5%，綜合COP提高了20.68%，靜態投資回收期為11.89年。蓄聯熱泵清潔供暖技術具有一定的可靠性和經濟性，適用于低溫持續時間較長的偏遠山區等寒冷地區，研究結果對蓄聯熱泵的推廣具有重要的借鑒意義與應用價值。

關鍵詞：供熱工程;空氣源熱泵;水源熱泵;蓄能互聯熱泵;可靠性;經濟性

中圖分類號：TU832文獻標識碼：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06010

Research on clean heating technology transformation of ESIHP

in a service area of Baoding expressway in Hebei Province

CUI Chuyang 1，2，REN Fusong3，LIU Zhihui4，WU Cuigu5，MA Kunru1，2

（1.School of Architectural Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Technology Innovation Center of Phase Change Thermal Management of Internet Data Center，Cangzhou，Hebei 061001，China;3.Hebei Hongtong Weiye Technology Development Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050051，China;4.Baoding Green Building Development Center，Baoding，Hebei 071051，China;5.Hebei Phoenix Valley Zero Carbon Development Research Institute，Baoding，Hebei 071051，China）

Abstract：In order to improve the thermal efficiency of air source heat pump in low temperature and solve the problems of easy frosting and high failure rate of heat pump in winter，an energy storage interconnection heat pump （ESIHP） technology which combined air-source heat pump （ASHP） and water-source heat pump （WSHP） by phase change energy storage device was proposed.Taking the reconstruction project of the ESIHP in a service area of Baoding expressway in Hebei Province as an example，the retrofit scheme of the ESIHP system was designed，the operating data of the single source ASHP heating and the ESIHP heating were compared in the same area and similar buildings and the changes of water supply temperature，indoor temperature，power consumption per unit heating area and COP value were investigated.The results show that the heating effect of the ESIHP is more stable and the indoor temperature is higher with the same outdoor temperature and the same heating load per unit area.The energy consumption per square meter of the ESIHP is 15.5% lower than that of the ASHP，the comprehensive COP is increased by 20.68%，and the static investment payback period is 11.89 years.The clean heating technology of the ESIHP has certain reliability and economy，and is suitable for cold areas such as remote mountainous areas with long low temperature duration.The research results provide important reference significance and application value for the promotion of ESIHP.

Keywords：heating engineering;air source heat pump;water source heat pump;energy storage interconnected heat pump;reliability;economy

隨著供暖技術的不斷成熟，電代煤、氣代煤、清潔煤、空氣源熱泵等多種供暖方式逐漸替代了傳統燃煤供暖。其中，空氣源熱泵是一種較受歡迎的供暖方式，具有結構簡單、運行維護方便、費用低、供暖效果穩定等優點，但其本身也存在亟需解決的問題，如低溫環境下室外側換熱器極易結霜導致其能效降低、故障率升高，而除霜時又會使室內溫度降低，影響供暖效果[1-4]。

為了彌補空氣源熱泵的缺陷，打破單一熱泵系統的技術限制，提出了蓄聯熱泵系統。蓄聯熱泵系統又稱為“蓄能互聯熱泵系統”，其利用相變蓄能裝置將空氣源熱泵和水源熱泵組合，是蓄能技術與熱泵技術的綜合應用[5]。蓄聯熱泵是在空氣源熱泵蓄能技術的基礎上發展而來，蓄熱技術現已成為開發新能源、提高能源利用率、協調能量供求在強度和時間上不匹配的關鍵技術[6-8]，蓄熱技術主要有顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學反應蓄熱3種方式[9]，可將空氣源及其他低溫熱泵方式相結合，提高熱泵穩定性[10]。目前國內外對蓄聯熱泵的理論研究主要還是聚焦在針對空氣源熱泵的蓄熱技術上[11-13]，而中國已經進行了一些蓄聯熱泵技術的實際改造應用。周玨等[14]介紹了國網蘭州建西變電站家屬樓的蓄聯熱泵供暖改造項目，將空氣源熱泵、水源熱泵的優勢通過相變蓄能模塊有效組合。操樂成等[15]設計了一套應用于太原地區一家民宿酒店的多能源互補蓄聯水環熱泵清潔供暖系統，由太陽能集熱器和空氣源熱泵提供低溫熱源，經相變儲能裝置恒溫調節。

蓄聯熱泵技術的提出極大地改善了空氣源熱泵自身的缺陷，充分發揮了空氣源熱泵與水源熱泵各自的優勢，在保證供暖效果的同時，降低了能耗，減少了運行費用，機組的故障率也大大降低，同時維護簡單，運行也更為可靠。雖然蓄聯熱泵清潔供暖技術的應用已逐步發展成熟，但目前對其改造后的實際運行COP及經濟分析并不多。本文介紹了河北保定高速某服務區蓄聯熱泵改造項目的應用實例，通過系統方案設計和實際運行數據分析，研究了蓄聯熱泵在高速服務區的應用效果和經濟性，為推廣蓄聯熱泵供暖改造提供了理論和實例基礎。

1項目概況

北方城區的供暖方式大多為熱力站管網集中供暖，而遠離集中供熱管網的城市周邊老舊小區、高速公路服務區等較為偏僻的大面積供暖區域依然采用燃煤鍋爐房集中熱源，由制備熱水輸送到室內暖氣片供暖。河北高速管理單位為響應國家大氣污染防治與藍天保衛戰的總體要求[16]，對高速服務區的燃煤鍋爐進行了全面改造[17-18]。保定高速某服務區最先使用了空氣源熱泵作為清潔能源供暖設備，但因空氣源熱泵本身的技術限制，使其在低溫環境下供水溫度較低，無法滿足供暖需求。

服務區位于五臺山山脈附近，分為南北兩院，建筑面積約3 000 m2，其中南院供暖面積約2 100 m2，北院供暖面積約920 m2。服務區的供暖時間為每年的11月1日—次年3月21日，共141天，其地處山區，冬季平均氣溫1 ℃，日平均最高氣溫6.1 ℃，日平均最低氣溫-5.2 ℃，近10年極端最低氣溫-20 ℃。建筑為一層平房，墻體為三七墻，窗戶為雙層玻璃中空保溫，建筑較舊，保溫效果一般，且超市人流量較大，熱損失也較大，供暖末端裝置為老式鑄鐵暖氣片。

服務區室外氣溫較低，以2017年服務區當地平均氣溫最低的1月份作為溫度參考，1月份的最高溫度與最低溫度檢測數據如圖1所示。從圖中可知，2017年1月份前2天氣溫相對較高，而后氣溫開始下降，在1月6日—10日最低氣溫發生了波動，同樣的，1月18日—23日氣溫也發生了較大波動，最低氣溫達到了-20 ℃。由數據可知，服務區冬季氣溫較低，且波動較大。改造前的2017年—2018年供暖季室內溫度僅有14～16 ℃，記錄供暖耗電達33.4萬kW·h，能耗較大且供暖效果不理想。 空氣源熱泵在低環境溫度下能效比低、故障率高，供暖效果差[16]，供水溫度無法帶動原有暖氣片。為了改善供暖效果，對南院進行多熱源蓄聯熱泵清潔供暖改造，并于2018年—2019年供暖季投入使用。因2017年—2018年供暖季的供暖效果并不理想，所以下文重點分析了改造完成后2018年—2019年供暖季的運行數據。

2蓄聯熱泵系統改造方案設計

2.1蓄聯熱泵系統原理

蓄聯熱泵系統原理如圖2所示。蓄聯熱泵系統由兩級熱泵組成，其充分考慮到空氣源熱泵優越的提升能量特性，第一級選用空氣源熱泵，第二級選用水源熱泵。在寒冷地區，通過一次側空氣源熱泵模塊制備15～20 ℃的溫水，并利用相變蓄熱模塊儲存溫水的熱量，為二次側水源熱泵提供穩定熱源。隨后水源熱泵通過水環路提取出蓄能裝置的潛熱，制備出55～65 ℃的熱水，再由熱水管輸送到供暖系統的暖氣片對室內各房間進行供暖。因為一次側空氣源熱泵裝置只需將水加熱到15～20 ℃，不用直接制備高溫熱水，顯著降低了制冷劑的冷凝溫度與壓縮機的壓縮比，提高了空氣源熱泵在低溫環境下的效率。二次側水源熱泵則利用相變蓄熱裝置的相變潛熱，提高制冷劑的蒸發溫度，同樣降低了壓縮機的壓縮比，工作效率顯著提高，也有效減少了電能消耗。該系統除了可以最大限度地利用自然能源（晝夜溫差現象）之外，還可以在電力高峰期間減少設備耗電量，將部分用電需求調整至低谷期，不僅平衡電網運行，還可利用峰谷電價，節省運行費用。

2.2蓄聯熱泵系統項目改造

2.2.1建筑熱負荷

為了得知熱泵供暖系統需向房間供給多少熱量，根據式（1）分別對南院和北院進行了熱負荷計算。

Q=q×F，（1）

式中：Q為總建筑供暖熱負荷，kW;q為建筑單位面積供暖熱負荷，W/m2;F為建筑供暖面積，m2。

由DesT軟件模擬出服務區南北院單位面積供暖熱負荷65 W/m2，則總建筑供暖熱負荷如表1所示。

2.2.2改造方案

由于服務區分為南北兩院，蓄聯熱泵改造僅針對南院，北院仍使用空氣源熱泵供暖。南院的蓄聯熱泵系統設計如圖3所示。空氣源熱泵制備20 ℃左右溫水，通過蓄能罐儲存熱量，水源熱泵通過提取蓄能罐內潛熱制備55～65 ℃熱水，經熱水管輸送至供暖末端裝置。

2.2.3主要設備選型及性能

此次改造所用蓄聯熱泵系統主要由兩級熱泵組成，第一級熱泵選用的是一臺FM040BH空氣源熱泵，制熱量為140 kW，第二級熱泵選用的是一臺水源熱泵，制熱量為145 kW，功率為38 kW。蓄熱裝置選用的是2 m3的相變蓄熱裝置。末端散熱裝置沒變動，為暖氣片。

2.2.4智能控制

蓄聯熱泵系統中的空氣源側選用低環溫空氣源熱泵，可在環境溫度較低時保持一定時間內供暖溫度的穩定。整個蓄聯熱泵采用先進的智能控制系統，能夠實現變工況自適應調節、自動切換直供/聯供模式，觸摸屏需具有人機交互界面，設有“開機/關機”“手動/自動”“運行狀態”“參數設置”“報警信息”“能效分析”等界面，便于系統的數據采集、分析和控制管理優化，達到無人值守、自動控制、節能運行的目的。在低溫環境的情況下，空氣源熱泵制熱量衰減或化霜時，空氣源熱泵停止運行，相變蓄能模塊充分發揮相變蓄能、冷熱均流和調節蓄放等功能。智能控制圖見圖4。

3運行效果分析

3.1供暖狀況

選取自2018年11月1日—2019年3月21日共141天的供暖時間作為數據參考。此時間段內室外平均氣溫2.4 ℃，日平均最高氣溫8.1 ℃，日平均最低氣溫-4.3 ℃，整個供暖時間內的最低氣溫在12月30日，為-15.6 ℃。本研究對監測時間內的室外溫度、室內溫度、設備耗電量、供水溫度進行了記錄。

3.1.1室外溫度

2018年11月1日—2019年3月21日的室外溫度分布如圖5所示。

由圖5可知，2018年12月1日—2019年3月1日，室外溫度相對較低，最低溫度基本都保持在0 ℃以下。期間日平均最低氣溫約-3.53 ℃，日平均最高氣溫約為8.52 ℃，最低溫度出現在1月1日，為-14 ℃。低溫環境持續久，導致普通空氣源熱泵無法持續滿足供暖需求，而蓄聯熱泵則可以在此環境下高效運行。

3.1.2室內溫度

對2018年11月1日—2019年3月21日南院與北院的室內溫度進行監測，取早、中、晚各3組室內溫度的平均值作為南院與北院室內平均溫度。南院與北院室內平均溫度分布如圖6所示。

由圖6可知，南院因使用了蓄聯熱泵，在氣溫相對較低的2018年12月1日—2019年3月1日，供暖溫度較為穩定且都保持在18 ℃以上;而北院使用空氣源熱泵，因為其在低溫環境下工作不穩定以及因室外側換熱器在低溫環境極易結霜，需頻繁進行除霜工作等原因，導致空氣源熱泵對室內供暖效果不穩定，且供暖溫度低于18 ℃，供暖效果沒有蓄聯熱泵好。

3.1.3設備耗電量

為了對比分析蓄聯熱泵與空氣源熱泵的耗能情況，并對蓄聯熱泵進行經濟性分析，統計了2018年—2019年供暖季服務區南院與北院的設備總耗電量。耗電量情況統計數據如表2所示。

3.1.4供水溫度

服務區南院蓄聯熱泵及北院空氣源熱泵的供水溫度均設定為50 ℃，經數據監測，南院蓄聯熱泵供水溫度在低溫環境下也可以達到溫度設定值，而北院空氣源熱泵在低溫環境下供水溫度卻不穩定，且無法達到設定的溫度，最高溫度值僅有47 ℃。供暖期間，對南北院暖氣片溫度進行了監測，南院蓄聯熱泵與北院空氣源熱泵暖氣片溫度變化對比如圖7所示。

由圖7中可以看出，南院使用蓄聯熱泵供暖，供水溫度可以達到設定值，所以室內暖氣片溫度就較為穩定，在47～48 ℃左右;而北院空氣源熱泵因為低溫環境結霜等因素，達不到設定值，室內暖氣片溫度僅有37～38 ℃左右，且氣溫較低的時間段內，暖氣片溫度更不穩定。在系統供水溫度均設定為50 ℃的情況下，蓄聯熱泵制備熱水溫度高于空氣源熱泵10 ℃以上，室內供暖溫度較高且更為穩定。故蓄聯熱泵的供暖效果優于空氣源熱泵。

3.2蓄聯熱泵與空氣源熱泵運行對比分析

3.2.1耗能

根據蓄聯熱泵系統運行情況的監測數據可知，整個供暖季使用蓄聯熱泵供暖的服務區南院總耗電量為171 010 kW·h，供暖季共141 d，平均每天耗電量為1 212.84 kW·h;南院供暖面積為2 100 m2，耗能為0.58（kW·h）/（m2·d），供暖季耗能為81.43（kW·h）/m2。北院總耗電量為87 156 kW·h，供暖季同樣為141 d，平均每天耗電量為618.13 kW·h;北院供暖面積按920 m2計算，耗能0.67（kW·h）/（m2·d），供暖季耗能為94.73（kW·h）/m2。在相同室外氣溫、相同單位面積供暖熱負荷的條件下，蓄聯熱泵每平方米耗能相比空氣源熱泵每平方米耗能約低15.5%。

3.2.2系統平均COP

為得知蓄聯熱泵在冬季供暖的性能，根據式（2），分別對南院蓄聯熱泵與北院空氣源熱泵的制熱系數COP進行了計算。

COP=QW，（2）

式中：COP為供暖系統的制熱系數;Q為供暖系統輸出總熱量，kW;W為供暖系統輸入總電功率，kW。

自2018年11月1日—2019年3月21日，共141天內，南院總耗電量171 010 kW·h，北院總耗電量87 156 kW·h（詳細信息見下文），服務區南北院建筑供暖量、輸入電功率與平均制熱系數（COP）如表3所示，在不同室外溫度下空氣源熱泵與蓄聯熱泵COP的詳細對比如表4所示。

由表3的數據可看出，整個采暖季中，使用蓄聯熱泵系統供暖的南院COP比使用空氣源系統供暖的北院COP提升了0.38，提高了約16%，說明蓄聯熱泵系統更為高效節能，且根據圖6數據，室內溫度也有明顯提升。根據表4中數據可知，在低溫環境下空氣源熱泵COP較低，且變化較大，環境溫度為-20 ℃時，空氣源熱泵制備45 ℃熱水時COP僅為1.78。而蓄聯熱泵在不同低溫環境下的COP高于空氣源熱泵，且更為穩定。

3.2.3改造的靜態投資回收期

2017年—2018年供暖季使用空氣源熱泵供暖時，服務區總能耗約為33.4萬kW·h，其中南院能耗約為20.5萬kW·h，在經蓄聯熱泵系統改造后，忽略2017年—2018年供暖季與2018年—2019年供暖季的室外氣溫的差異，2018年—2019年供暖季服務區總能耗降到25.82萬kW·h，南院能耗降到了17.10萬kW·h，降幅明顯，僅為改造前能耗的83.41%，節省了約16.59%，考慮到蓄聯熱泵利用峰谷電價調整運行策略，除能耗效益外，還帶來了更大的經濟效益。

改造部分靜態投資回收期計算過程如下。

改造費用360 000元，電費按0.89元/度，系統每年凈收益相當于每年節約的電費。系統每年節約電費可按式（3）計算。

A=（Qy-Qg）×Cq，（3）

式中：Qy為改造前南院總能耗，萬kW·h;Qg為改造后南院總能耗，萬kW·h;Cq為電費，（kW·h）/元。

經計算，系統每年可節約約30 260元電費，即系統每年凈收益為30 260元。

系統的靜態投資回收期可按式（4）計算。

Pt=KA，（4）

式中：Pt為靜態投資回收期，年;K為總投資，元;A為每年的凈收益，元。

經計算，使用蓄聯熱泵系統改造后的靜態回收期約為11.89年，回收年限較短，經濟效益較為顯著。

4結語

蓄聯熱泵系統尤其適用于持續較久低溫的偏遠山區，系統降低了空氣源熱泵壓縮機的壓縮比，具有運行費用低、運行可靠性高、壓縮機壽命長、維護費用低等優點，是一種適用性廣的清潔能源供暖方式。蓄聯熱泵改善了空氣源熱泵自身的缺陷，可以充分發揮空氣源熱泵與水源熱泵各自的優勢。研究主要結論如下。

1）在持續的低溫環境下，蓄聯熱泵可以保持穩定高效的供暖，室內溫度可維持在18 ℃以上，熱泵系統供水溫度可以穩定在設定值50 ℃以上，末端裝置的供水溫度穩定在47～48 ℃，相對空氣源熱泵的供水溫度高出10 ℃以上;

2）改造后系統供暖季耗電量為17.1萬kW·h，對比改造前空氣源熱泵的20.5萬kW·h，節省了約16.59%;

3）在相同室外氣溫、相同單位面積供暖熱負荷的條件下，蓄聯熱泵每平方米耗能相比空氣源熱泵每平方米耗能約低15.5%，COP僅提高了20.68%，靜態投資回收期為11.89年，經濟效益較為顯著;

4）當制備45 ℃熱水時，室外溫度越低，系統COP值對比空氣源熱泵越高，說明蓄聯熱泵的供熱效果更為穩定高效。

本文分析了蓄聯熱泵系統在保定高速某服務區的改造效果，其在保定某偏遠山區的高速服務區的成功應用可對其他服務區等服務型建筑的改造提供參考。目前蓄聯熱泵系統的實際應用項目不多，在未來的工作中需要對該系統在不同地區、不同工況下的不同類型建筑進行模擬和實際運行分析，以進一步驗證其可靠性。另外，由于中國許多高速服務區建成較早，管道與末端散熱裝置已老化，在進行清潔能源供暖改造的過程中，也需針對實際情況對管道與末端供暖裝置進行選擇性改造，這樣更有利于能源的節約。

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