磁懸浮熱泵技術在公共建筑中的節能應用

許次東 廖代華 文興 遠大能源利用管理有限公司

1 項目概況

某公共建筑建筑面積約3.68 萬m2，其中辦公建筑面積約1.82 萬m2、住宅建筑面積約1.86 萬m2。中央空調系統供冷采用1 臺1122kW 螺桿式冷水機組與1 臺1920kW 螺桿式冷水機組，中央空調系統采暖與衛生熱水系統采用2 臺1750kW 燃氣鍋爐。

2 存在問題

本項目燃氣鍋爐效率衰減較大，現場實測2 臺鍋爐總制熱量約2630kW（額定制熱量為3500kW，供回水溫度60/50℃，已衰減約25%）。冬季氣溫較低時，無法同時保障中央空調采暖與衛生熱水的需求。且現場燃氣鍋爐同時運行衛熱和采暖模式時，無法供應不同水溫，鍋爐熱效率較低。

3 改造措施

本項目增加1 臺遠大單熱型直燃機（制熱量為2791kW）替換現場1 臺燃氣鍋爐滿足采暖季衛生熱水，其額定制熱COP為0.94，增加煙氣板交回收煙氣余熱。同時配置1臺遠大磁懸浮熱泵主機（制冷量：341kW、制熱量450kW）進行冷凝熱回收，制冷的同時供應衛生熱水。設備參數見表1。

表1

3.1 技術原理

磁懸浮熱泵是一種采用磁懸浮壓縮機技術的低溫廢熱回收設備，與傳統的供熱形式（如燃氣）相比具有制熱效率高、運行費用低的優點，主要應用于水源熱泵和地源熱泵系統及其它低溫廢熱回收系統中。中央空調制冷時，磁懸浮壓縮機運行，低溫低壓制冷劑氣體被壓縮為高溫高壓氣體進入冷凝器，使冷凝器換熱管內的低溫水升溫；冷凝后的制冷劑液體經過膨脹閥節流降壓為低溫低壓液體進入低壓蒸發器，驟然蒸發，吸收換熱管內空調冷水的熱量，使冷水從12℃降溫至7℃，向中央空調用戶輸送冷水，制冷劑液體氣化為氣體，再次被壓縮機吸入。

當中央空調系統制冷運行時，本項目采用磁懸浮熱泵通過蒸發器吸收中央空調用戶側的熱量，再通過冷凝器將熱泵主機吸收的熱量排放至衛生熱水，使衛生熱水升溫至目標溫度。在此過程中，給中央空調供冷的同時實現了“免費”供應衛生熱水熱量。當中央空調系統供暖運行時，通過將蒸發器與單熱型直燃機煙氣板交連通，回收煙氣余熱制取衛生熱水，既提升了制熱效率，又消除了“白煙”。

3.2 工藝流程

磁懸浮熱泵的蒸發器連接中央空調系統冷凍水管道、用于供冷，冷凝器連接衛生熱水管道、用于供應衛生熱水。考慮衛生熱水供水穩定性和舒適性，設置一個熱水箱用于供水（水箱要求：水箱有效容積宜大于最大小時熱水用量，以避免主機頻繁啟停，增大水箱容積可提升熱泵的利用率）。磁懸浮熱泵機組啟動時，蒸發器側用于中央空調系統供冷，冷凝器側與熱水箱間進行循環，通過磁懸浮熱泵主機將回收的中央空調用戶側的冷凝熱轉移至衛生熱水。運行原理如圖1。

圖1 熱泵運行原理圖（制冷季工況）

同時為提高磁懸浮熱泵的利用率，將蒸發器側的管道同時接通至單熱型直燃機煙囪上的煙氣板交，冬季采暖時關閉閥門V1V2、開啟閥門V3V4，熱泵主機蒸發器側通過回收煙氣余熱熱量，蒸發器側供回水溫度為20℃/25℃，由冷凝器將衛生熱水加熱至50℃。運行原理如圖2。

圖2 熱泵運行原理圖（采暖季工況）

磁懸浮熱泵主機通過追蹤水箱內衛生熱水溫度控制主機的啟停，當感應水箱內衛生熱水溫度低于45℃時，磁懸浮熱泵主機啟用，開始加熱衛生熱水；當感應水箱內衛生熱水溫度升至50℃時，磁懸浮熱泵主機停機。運行過程中，由主機自身的控制系統通過跟蹤衛生熱水負荷、空調冷負荷（或煙氣余熱回收量）綜合評估以實現負荷加載、減載。

3.3 運行情況分析

3.3.1 制冷季（5～10 月）運行情況分析

根據整理本項目的運行記錄，分析制冷季（5～10月）主機低溫水、中溫水及COP運行規律如圖3～5。

根據對運行記錄數據的分析，制冷季磁懸浮熱泵主機的低溫水入口溫度維持在10～20℃、低溫水出口溫度維持在7～15℃，中溫水入口溫度維持在40～45℃、中溫水出口溫度維持在45～55℃。主機制冷COP維持在2～3、制熱COP維持在2～4、綜合COP維持在4～6。分析原因主要有：

①制冷季主機低溫水側為中央空調系統供應冷源，因不同時間室外氣溫不同、制冷負荷需求不同，中央空調制冷系統的冷凍供水、回水溫度會有差異，導致主機低溫水入口溫度、出口溫度會根據中央空調制冷系統的溫度變化而變化。

②主機中溫水側用于供應衛生熱水，水箱恒定溫度設置為45℃，故中溫水側溫度基本保持穩定。因低溫水側與中溫水側能量守恒，主機的運行及制冷/制熱量同時受中央空調制冷量與衛生熱水需求的影響，故中溫水入口溫度會有小范圍的波動。另現場為閉式儲水箱、容積僅15m3（偏小），故熱水需求較大時，會有少部分時段水箱內溫度低于40℃。因制冷季氣溫較高，衛生熱水溫度要求可適當降低，故制冷季依靠熱泵主機可滿足本項目全部熱水需求。

③根據熱力學第一定律—能量守恒定律，主機低溫水側與中溫水側能量需保持恒定，中溫水側能量=低溫水側能量+輸入電能，故主機制熱COP大于制冷COP。因制冷季同時具備冷熱需求，主機低溫水側與中溫水側均為有效做功，故主機綜合COP為制冷COP與制熱COP之和。

④根據低溫水、中溫水與COP波動曲線可以發現，中溫水入口溫度升高，主機制冷COP降低，反之COP升高；低溫水入口溫度升高，主機制熱COP升高，反之COP降低。

3.3.2 采暖季（1～4 月、11～12 月）運行情況分析（圖6～8）

根據對運行記錄數據的分析，采暖季磁懸浮熱泵主機的低溫水入口溫度維持在10～50℃、低溫水出口溫度維持在5～40℃，中溫水入口溫度維持在40～45℃、中溫水出口溫度維持在45～55℃。主機制熱COP維持在3～5。分析原因主要有：

①采暖季主機低溫側熱源來源于單熱型直燃機煙氣熱量，煙氣排放溫度為120℃，回收煙氣余熱后水溫可升至50℃。因煙氣排放量取決于單熱型直燃機燃燒量，故低溫水側溫度波動區間較大。熱泵主機設置防凍保護溫度為5℃，故低溫水側出口溫度最低為5℃。

②因用戶側熱水舒適度要求，中溫水側溫度基本保持恒定。因冬季熱水需求量大、水溫要求相對制冷季高，采暖季優先開啟熱泵主機制取熱水，當水箱溫度接近40℃或熱水需求高峰時段，需開啟單熱型直燃機進行補充。

③采暖季僅有制熱需求，低溫水側制冷僅能回收煙氣余熱，僅中溫水側為有效做功，故主機有效COP即為制熱COP。但因低溫水側水溫高于制冷季時的溫度，采暖季熱泵主機制熱COP高于制冷季時制熱COP。根據低溫水與COP波動曲線可以發現，低溫水入口溫度升高，主機制熱COP升高，反之COP降低。

④主機低溫側通過回收煙氣余熱，可有效降低煙氣排放溫度，使煙氣中的飽和濕煙氣提前冷凝，從而降低或消除“白煙”量。

3.4 經濟與環境效益分析

本項目原中央空調系統與衛生熱水能耗為：年用電量70 萬kWh、年燃氣用量45.8 萬m3，總能源成本約為199.7萬元（電價0.71 元/kWh、氣價3.275 元/m3）。本項目采用磁懸浮熱泵進行改造后，中央空調系統與衛生熱水能耗為：年用電量70.2 萬kWh、年燃氣用量32.2 萬m3，總能源成本約為155.3萬元。減少燃氣耗量13.6 萬m3、增加耗電量0.2 萬kWh，全年節約能耗費用約44.4萬元，節約能耗折合標煤量約164.9tce。

4 結語

磁懸浮熱泵以電力為驅動能源，在中央空調供冷的同時免費供應“衛生熱水”，提升了系統運行的經濟性。

采用磁懸浮熱泵技術回收煙氣余熱，可將排煙溫度降至50℃以下，較普通煙氣余熱回收裝置回收余熱量更加充分，同時極大地減少了煙氣中水蒸汽含量，有助于緩解供暖季霧霾的產生。

采用磁懸浮熱泵，制冷、制熱效率更高。同時磁懸浮熱泵壓縮機無需使用潤滑油，主機冷量無衰減，有效降低了維護成本。

通過對衛生熱水系統與中央空調制冷系統、煙氣余熱回收量進行負荷分析，對磁懸浮熱泵進行匹配選型，結合衛生熱水系統與主機的自控系統，實現對磁懸浮熱泵的高效利用。

系統原理相對簡單，熱泵技術成熟可靠。技術實施條件要求低，適用于在具備中央空調冷熱需求及穩定衛生熱水需求的項目中廣泛推廣。