水源熱泵聯(lián)合市政集中供熱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及供熱模式分析

王志杰 ，王光瑞

(1.濟(jì)南能源集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南城市照明工程有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)推動，能源變革與綠色發(fā)展方針的驅(qū)使下，推動實(shí)現(xiàn)能源清潔低碳高效利用及全面提升清潔供熱系統(tǒng)技術(shù)成為重點(diǎn)關(guān)注問題。民生供暖工作需要科學(xué)合理、循序漸進(jìn)，應(yīng)因地制宜利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉矗藲鈩t氣、宜電則電，一切從實(shí)際出發(fā)，確保群眾安全溫暖過冬。水源熱泵技術(shù)是中國當(dāng)前各類熱泵技術(shù)中發(fā)展較好且應(yīng)用前景較廣的一類技術(shù)，可以利用水中的低品位熱能，通過熱泵原理轉(zhuǎn)換為高品位熱能[1]，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，助力低碳環(huán)保供暖。水源熱泵與市政集中供熱聯(lián)合供熱，或聯(lián)合多種熱源相互配合，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、集成優(yōu)化，合理利用熱能。雖然這種利用方式起兼具經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，但如何利用及采用何種運(yùn)行模式是關(guān)鍵問題。基于此，本文針對濟(jì)南市某住宅小區(qū)集中供熱負(fù)荷不足的情況，提出一種水源熱泵聯(lián)合集中供熱的設(shè)計(jì)方案，并對采用此方案的供熱系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)介紹

本文以濟(jì)南市某住宅小區(qū)供熱項(xiàng)目為例，該小區(qū)位置處于某大型熱源廠供熱末端，該熱源廠目前已接近滿負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷余量相對不足。若采用市政集中供熱方式，高寒期無法滿足供熱需求。考慮到供熱事關(guān)千家萬戶、關(guān)系百姓冷暖,既是民生工程，更是民心工程，采暖季尤其是高寒期更要保證安全穩(wěn)定供暖，保障居民溫暖過冬，降低用戶不滿意率，項(xiàng)目可采用市政集中供熱和其他能源聯(lián)合供熱的方式為小區(qū)提供熱源。經(jīng)過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，距離小區(qū)約2 km有一座水質(zhì)凈化廠，每天污水處理量約5萬t，因此為了保證用戶供熱穩(wěn)定性，最終項(xiàng)目采用水源熱泵聯(lián)合市政集中供熱方式為小區(qū)提供熱源。在小區(qū)內(nèi)新建一座供熱能源站，能源站主要設(shè)備包括3臺水源熱泵，1臺市政熱網(wǎng)板式換熱器和1臺中介水板式換熱器，可通過站內(nèi)閥門的切換實(shí)現(xiàn)水源熱泵單獨(dú)供熱、市政集中熱網(wǎng)單獨(dú)供熱、水源熱泵和市政集中熱網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行多種運(yùn)行模式。

1.1 熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)建筑圖紙得知小區(qū)供熱面積為122668 m2，設(shè)計(jì)采暖綜合熱指標(biāo)取35 W/m2，負(fù)荷計(jì)算如下：濟(jì)南市采暖季室外計(jì)算溫度為-5.3 ℃，采暖季室外平均溫度為2.1 ℃，采暖季室內(nèi)計(jì)算溫度為18 ℃，1個采暖季為120天。因此平均負(fù)荷系數(shù)為[2]：(18-2.1)/[18-(-5.3)]=0.6824，最小負(fù)荷系數(shù)為：(18-5)/[18-(-5.3)]=0.558。因此計(jì)算得出采暖季最大、平均、最小熱負(fù)荷分別為4293.38、2929.80 、2395.71 kW。

1.2 能源站設(shè)備及系統(tǒng)介紹

供熱用戶為住宅小區(qū)，用戶供、回水設(shè)計(jì)溫度分別為60、45 ℃[3]，設(shè)計(jì)壓力為PN1.6 MPa(PN指代公稱壓力)。能源站內(nèi)并聯(lián)安裝水源熱泵及市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，兩者相互獨(dú)立，可單獨(dú)運(yùn)行，亦可并聯(lián)互補(bǔ)運(yùn)行[4]。市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)安裝，即市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)板式換熱器二次側(cè)和水源熱泵冷凝器側(cè)并聯(lián)安裝，兩者同時運(yùn)行時，板式換熱器二次側(cè)和冷凝器側(cè)供水混合后通過能源站二次網(wǎng)循環(huán)泵將熱量供給用戶。

水源熱泵系統(tǒng)中水來自水質(zhì)凈化廠，為了滿足進(jìn)入熱泵的水源的清潔度，在水質(zhì)凈化廠設(shè)置1臺中水循環(huán)泵，將廠內(nèi)中水送至小區(qū)能源站前先通過1臺中介水板式換熱器(5400 kW)將中水的熱量傳遞給中介水，再由中介水循環(huán)泵將中介水送入熱泵蒸發(fā)器釋熱，水源熱泵從中介水提取熱量，滿足用戶的用熱需求，中水的設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為15、9 ℃，中介水供、回水設(shè)計(jì)溫度13、7 ℃。通過中水和中介水的換熱過程保障了進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器側(cè)的水源清潔度，防止因?yàn)槲鬯氯斐傻膿Q熱不足，大大降低熱泵的維修率，保證居民連續(xù)供熱，減少技改檢修費(fèi)用。能源站供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 能源站供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of heating system of energy station

1.2.1 水源熱泵系統(tǒng)

水源熱泵是通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)，節(jié)能減排效果顯著[5]。項(xiàng)目規(guī)劃有二期建設(shè)，考慮到擴(kuò)建后的熱負(fù)荷需求，選用3臺額定制熱功率為1800 kW的水源熱泵機(jī)組作為熱源。

1.2.2 集中供熱系統(tǒng)

能源站同時接入市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，一次網(wǎng)熱水通過板式換熱器將熱量傳遞給二次側(cè)，二次側(cè)同水源熱泵供熱系統(tǒng)并聯(lián)給用戶供熱，主要設(shè)備為1臺5400 kW板式換熱器。

此外，能源站設(shè)計(jì)的主要循環(huán)設(shè)備還包括二次網(wǎng)的3臺循環(huán)水泵(流量為330 t/h、揚(yáng)程為30 m、功率為37 kW)；兩臺補(bǔ)水泵(流量為10 t/h、揚(yáng)程為66 m、功率為3 kW)；1臺中介水循環(huán)泵(流量為1200 t/h、揚(yáng)程為36 m、功率為160 kW)；1臺中水循環(huán)泵(流量為160 t/h、揚(yáng)程為26 m、功率為18.5 kW)，設(shè)備明細(xì)表如表1所示。

表1 供熱系統(tǒng)主要設(shè)備明細(xì)表Table 1 Heating system main equipment list

2 經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方案分析

能源站使用市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)，需要從熱源廠購買熱量，水源熱泵、水泵等設(shè)備消耗電能，有相應(yīng)的峰谷平電價(jià)。根據(jù)能源站具體情況，運(yùn)行方案經(jīng)過分析可分為兩種，第1種從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，第2種綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及供熱穩(wěn)定性。

2.1 分析依據(jù)及基本數(shù)據(jù)

市政集中熱網(wǎng)供熱熱價(jià)為52.18元/GJ。能源站水源熱泵、中介水循環(huán)泵、水質(zhì)凈化廠中水循環(huán)泵運(yùn)行時的峰谷平電價(jià)不同，峰時段電價(jià)為0.8998元/kWh；平時段電價(jià)為0.6089元/kWh；谷時段電價(jià)為0.318元/kWh。根據(jù)設(shè)計(jì)的用戶供、回水溫度60、45 ℃，設(shè)計(jì)中介水供、回水溫度13、7 ℃，水源熱泵能效比(COP)取值3.629，水泵效率取0.7[6]，采暖季全天 24 h供熱，采暖季供熱天數(shù) 120天，住宅采暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為26.7元/m2。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

目前項(xiàng)目一期建設(shè)完成，二期未建設(shè)，水源熱泵系統(tǒng)或市政集中熱網(wǎng)供熱系統(tǒng)均可單獨(dú)承擔(dān)本采暖季供熱負(fù)荷。經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方案對比即水源熱泵供熱與市政集中熱網(wǎng)供熱的經(jīng)濟(jì)性對比，集中供熱熱價(jià)為52.18元/GJ，水源熱泵供熱對比集中供熱，額外的能耗為水源熱泵電耗、中介水循環(huán)泵電耗、中水循環(huán)泵電耗，兩種供熱方式以1GJ產(chǎn)熱成本進(jìn)行對比。

2.2.1 水源熱泵制熱成本E1計(jì)算

式中：Pc為水源熱泵能效比；e為電價(jià)，元/kWh。

根據(jù)式(1)可得水源熱泵供熱峰、平谷時段成本分別為68.67、46.61、24.34元/GJ。

2.2.2 循環(huán)水泵輸熱成本E2計(jì)算

系統(tǒng)中的中水來自水質(zhì)凈化廠，通過一臺板式換熱器換熱后將中水的熱量傳遞給中介水，中介水進(jìn)入水源熱泵蒸發(fā)器釋熱，中介水及中水的設(shè)計(jì)溫差均為6 ℃。

式中：G為水泵流量，m3/h；H為水泵揚(yáng)程，m。

式中：W為循環(huán)水泵耗電量，kWh；Q為水源熱泵供熱量，GJ；Δt為水溫差，℃。

通過計(jì)算得出中水循環(huán)泵、中介水循環(huán)泵峰、平谷時段的輸熱成本分別為3.62、2.45、1.28元/GJ。

2.3 兩種供熱模式的供熱成本對比

兩種供熱模式的供熱成本對比如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，平電電價(jià)時，水源熱泵供熱成本與市政集中熱網(wǎng)供熱成本基本持平，因此，從經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行分析，建議平電、谷電時段采用熱泵供熱，峰電時段(8:30～11:30；16:00～21:00)采用市政集中熱網(wǎng)供熱。

表2 供熱成本匯總表Table 2 Heating cost summary table

3 統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性運(yùn)行方案分析

以上分析得出了最經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行方案，但上述方案需要定時開啟、關(guān)閉熱泵及板式換熱器進(jìn)出口閥門，相對耗時耗力。此外還需考慮供熱穩(wěn)定性、熱源互為備用、響應(yīng)快速等方面的因素[7]，建議采用市政集中熱網(wǎng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷+水源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷的供熱運(yùn)行模式。

3.1 分析依據(jù)及基本數(shù)據(jù)

因小區(qū)第一年供熱時居民入住率較低，戶間傳熱熱損失較大，根據(jù)濟(jì)南市歷年新小區(qū)運(yùn)行實(shí)際情況，單位面積熱指標(biāo)按照40 W/m2計(jì)算，中介水流量校核溫差按6 ℃計(jì)算，市政集中熱網(wǎng)水流量校核溫差按30 ℃計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)供、回水溫度60、45℃，設(shè)計(jì)中介水溫度13/7 ℃，水源熱泵設(shè)備COP取3.629。另外，供熱方案需考慮熱泵運(yùn)行最低流量，蒸發(fā)器冷凝器側(cè)均不小于最低流量限值，冷凝器最低流量為105.48 m3/h、蒸發(fā)器最低流量64.80 m3/h。

3.2 運(yùn)行方案

計(jì)算本采暖季按照本方案運(yùn)行時系統(tǒng)各部分運(yùn)行流量，為運(yùn)行時調(diào)節(jié)流量提供參考依據(jù)，各部分運(yùn)行流量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各部分運(yùn)行流量數(shù)據(jù)Table 3 Running flow data of each part

4 實(shí)際運(yùn)行情況分析

2021—2022年采暖季是本能源站運(yùn)行的第1個采暖季，居民入住率為35.94%，實(shí)際供熱面積為4.41萬m2，根據(jù)運(yùn)行情況分析，為保證第1個采暖季運(yùn)行穩(wěn)定，采取市政集中熱網(wǎng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷+水源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷的供熱運(yùn)行模式，采暖季共計(jì)運(yùn)行120天，經(jīng)統(tǒng)計(jì)整個系統(tǒng)耗熱量、耗電量等數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表Table 4 Running data analysis table

2021—2022年采暖季項(xiàng)目運(yùn)行平穩(wěn)，第1個采暖季通過早注水、早排污、早調(diào)節(jié)等方式保障用戶用熱平衡，維持較低投訴率。由表4可見，采取此運(yùn)行模式整個采暖季運(yùn)行效果良好，用戶單位面積耗熱量為0.39 GJ/m2，折合單位面積熱指標(biāo)為38 W/m2，水源熱泵運(yùn)行COP為3.73，運(yùn)行效率較高，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排降耗的目的。

5 結(jié)論

本文分析了水源熱泵聯(lián)合市政集中供熱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行模式，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方案下，建議平電、谷電時段采用熱泵供熱，峰電時段采用市政集中供熱系統(tǒng)供熱模式；統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)定性運(yùn)行方案下，建議采用市政集中供熱系統(tǒng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷+水源熱泵系統(tǒng)負(fù)擔(dān)50%熱負(fù)荷的供熱模式，該供熱模式下單位面積熱指標(biāo)為38 W/m2，水源熱泵能效比為3.73，運(yùn)行效率較高。