柴小峰（華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海200002）

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離心式熱泵在三聯(lián)供系統(tǒng)中的應(yīng)用

柴小峰
（華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海200002）

摘要：該文總結(jié)了離心式熱泵的一些基本技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍。在三聯(lián)供系統(tǒng)中應(yīng)用離心式熱泵機(jī)組，應(yīng)考慮項(xiàng)目的熱源情況、系統(tǒng)需求、運(yùn)行模式（冷熱兼用還是僅供熱）等，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后作出最優(yōu)化的選擇。結(jié)合上海某商務(wù)區(qū)能源中心的設(shè)計(jì)案例分析后發(fā)現(xiàn)，與采用市電和燃?xì)忮仩t的常規(guī)能源系統(tǒng)相比，全年用電量可減少19.7%，用氣量減少41.1%，碳排放量減少達(dá)26.5%。

關(guān)鍵詞：離心式熱泵；三聯(lián)供；節(jié)能環(huán)保

0　引言

三聯(lián)供系統(tǒng)作為建筑領(lǐng)域新興的綠色能源應(yīng)用技術(shù)正日益得到重視和推廣。但是對(duì)于區(qū)域供能型三聯(lián)供系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電能的自發(fā)自用對(duì)于夏季時(shí)段尚可實(shí)現(xiàn)，如系統(tǒng)發(fā)出的電力可用于驅(qū)動(dòng)電制冷機(jī)組供冷。在目前電力上網(wǎng)受到制約，若冬季發(fā)出的電力無(wú)處可用，必然會(huì)大幅縮減系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。另外大多數(shù)工程僅利用高溫余熱進(jìn)行供冷供熱，并未對(duì)低溫余熱進(jìn)行充分回收利用，這也將影響能源綜合利用率的提高，同時(shí)減弱了三聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能減排環(huán)保作用的效果。

三聯(lián)供系統(tǒng)中應(yīng)用離心式熱泵機(jī)組，既可以充分利用三聯(lián)供系統(tǒng)冬季發(fā)出的電力，又可以對(duì)系統(tǒng)排出的低溫余熱加以提升利用。保障三聯(lián)供系統(tǒng)能夠連續(xù)運(yùn)行的最佳經(jīng)濟(jì)性時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，也提高了能源的綜合利用效率，特別適合應(yīng)用于大型三聯(lián)供區(qū)域供能系統(tǒng)中，必將在今后的工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

1　離心式熱泵分類

按熱泵供水溫度范圍來(lái)分，通?？煞譃榈蜏?zé)岜茫ā?6℃）、中溫?zé)岜茫?6～55℃）和高溫?zé)岜茫?5～85℃）；按照用途分為僅供熱熱泵、冷熱兼用熱泵和熱回收熱泵等類型。除了按照熱泵通用的方法進(jìn)行分類外，離心式熱泵還可以按照壓縮機(jī)的壓縮級(jí)數(shù)分為單級(jí)、雙級(jí)和多級(jí)。

（1）單級(jí)壓縮式熱泵。單級(jí)壓縮能提供的溫度提升（冷凝器熱水出水溫度和蒸發(fā)器熱源水出水溫度的差值）通常不大于39℃[1]。

（2）雙級(jí)壓縮式熱泵。雙級(jí)壓縮可以在壓縮機(jī)內(nèi)通過(guò)兩級(jí)葉輪實(shí)現(xiàn)，也可以利用兩個(gè)單級(jí)葉輪壓縮機(jī)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。與單級(jí)壓縮相比，雙級(jí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，功耗減小，且大大拓展了壓縮比和適應(yīng)的工況范圍。

（3）三級(jí)及多級(jí)壓縮離心式熱泵。與雙級(jí)壓縮類似，需要增加壓縮的次數(shù)。多級(jí)壓縮機(jī)組較多應(yīng)用于生產(chǎn)工藝中，由于其制造成本高，目前在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要局限在三級(jí)壓縮。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)幾家主要空調(diào)熱泵廠商的現(xiàn)有成熟產(chǎn)品調(diào)研發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)渭?jí)離心式熱泵較適合應(yīng)用在熱泵溫度提升為30℃左右的工況，可提供的最高熱水溫度為45℃左右；雙級(jí)壓縮熱泵可提供的熱水出水溫度范圍在45～60℃，僅用于熱泵工況時(shí)，最大溫度提升可達(dá)50℃，熱水最高出水溫度為65℃左右；三級(jí)壓縮可提供的熱水出水溫度范圍在55～85℃。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，也有采用兩臺(tái)或多臺(tái)單級(jí)離心式熱泵機(jī)組進(jìn)行水系統(tǒng)交叉串聯(lián)，即將低壓機(jī)組冷凝器側(cè)出水與高壓機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水相連，高壓機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)出水與低壓機(jī)組冷凝器側(cè)進(jìn)水相連，實(shí)現(xiàn)雙級(jí)（或多級(jí)）壓縮機(jī)組，可達(dá)到較高出水溫度，如圖1所示。當(dāng)然，低壓側(cè)的機(jī)組也可采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組。

出水溫度、壓縮級(jí)數(shù)分類及一般使用功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系可簡(jiǎn)單歸納見(jiàn)表1[2]。

表1　離心熱泵壓縮級(jí)數(shù)與出水溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2　離心熱泵應(yīng)用要點(diǎn)

空氣源熱泵是以環(huán)境大氣為冷熱源，運(yùn)行工況的變化范圍大，要求機(jī)組應(yīng)對(duì)惡劣工況的能力要強(qiáng)。而離心式熱泵機(jī)組一般能提供的制冷（熱）量比較大，但允許的運(yùn)行工況范圍相對(duì)要窄，因此一般無(wú)法采用空氣源方式，考慮采用運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定的水源形式，即水-水熱泵方式。相對(duì)于空氣源的方便易得，熱源水一般需花費(fèi)成本進(jìn)行構(gòu)建。隨著三聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸增多，其低溫余熱可作為離心式熱泵適宜的熱源，為離心式熱泵提供了良好的應(yīng)用條件。

離心式熱泵機(jī)組自身及在系統(tǒng)中的綜合能效是工程應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。《蒸氣壓縮式循環(huán)水源高溫?zé)岜脵C(jī)組》GB/T 25861-2010將熱泵機(jī)組按熱水出水溫度分為H1～H4四類：在規(guī)定試驗(yàn)工況下，機(jī)組實(shí)測(cè)制熱COP分別不應(yīng)小于3.8，3.8，3.4，3[3]。從某種程度上來(lái)說(shuō)，機(jī)組出水溫度的選擇是至關(guān)重要的因素，它直接影響著系統(tǒng)流程、設(shè)備選擇和系統(tǒng)的綜合性能。

影響系統(tǒng)綜合能效的另外一個(gè)重要參數(shù)是系統(tǒng)溫差，溫差越大則輸送能耗越低。系統(tǒng)溫差除了受出水溫度的制約之外，還受到機(jī)組冷凝器換熱性能和工作模式的影響。目前市場(chǎng)上空調(diào)用離心式熱泵機(jī)組的冷凝器一般采用單殼程多管程的殼管式換熱器：?jiǎn)喂艹汤淠龘Q熱器可提供3～5℃左右溫差；雙管程可提供5～10℃；三管程提供10～15℃，最大不會(huì)超過(guò)20℃。理論上管程數(shù)量越多，換熱越充分，溫差會(huì)越大，但是通過(guò)殼管的水壓降也會(huì)隨之增加。實(shí)際工程應(yīng)用中，四管路以上的冷凝換熱器很少采用。工作模式方面，如果熱泵機(jī)組僅用于供熱工況，溫差采用可以盡可能大些，如果是冷熱兼用，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，就需兼顧冷凝器供冷工況的流量情況而不能把溫差做得很大。

總之，熱泵機(jī)組的出水溫度、進(jìn)出水溫差和能耗系數(shù)等技術(shù)參數(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)流程、設(shè)備配置和綜合性能等方面有著至關(guān)重要的影響，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后進(jìn)行最優(yōu)化選擇。

3　三聯(lián)供系統(tǒng)余熱形式和用途

三聯(lián)供系統(tǒng)中能源利用的一個(gè)重要原則就是按照能源品質(zhì)的高低而進(jìn)行梯級(jí)利用，盡可能提高能源的利用效率。此外，三聯(lián)供系統(tǒng)還應(yīng)盡量做到系統(tǒng)內(nèi)能量的自產(chǎn)自用平衡。一般來(lái)說(shuō)，能源梯級(jí)利用方式如圖2所示[4]。

三聯(lián)供系統(tǒng)采用的原動(dòng)機(jī)不同，余熱形式也不盡相同。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱形式主要為400～550℃的高溫?zé)煔狻?0～110℃的缸套冷卻水、50～80℃的中冷器冷卻水和潤(rùn)滑油冷卻水；燃?xì)廨啓C(jī)的余熱形式主要為450～600℃的高溫?zé)煔猓晃⑷紮C(jī)的余熱形式主要為200～300℃的高溫?zé)煔?。根?jù)能源的梯級(jí)利用原則：一般來(lái)說(shuō)，溫度高于150℃的余熱，可驅(qū)動(dòng)雙效吸收式空調(diào)機(jī)組制冷，或者通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽；溫度介于80～150℃間的余熱，可驅(qū)動(dòng)單效吸收式空調(diào)機(jī)組制冷；溫度介于60～80℃間的余熱，可直接用于供熱（采暖和生活熱水）；溫度低于60℃的余熱，可與熱泵技術(shù)相結(jié)合，利用熱泵技術(shù)回收提升后用于供熱。需注意的是，高溫余熱利用后的尾熱和中冷水都是很好的低溫余熱資源，可以被再次利用。吸收式熱泵雖然也可以達(dá)到回收低溫余熱的目的，但其屬于熱驅(qū)動(dòng)機(jī)組，不能利用三聯(lián)供系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的電能。如果三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)出的電力沒(méi)有使用對(duì)象，勢(shì)必會(huì)縮減三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而影響其經(jīng)濟(jì)性。故而在冬季時(shí)，可考慮采用電驅(qū)動(dòng)的熱泵機(jī)組來(lái)回收余熱制取熱水，是解決該問(wèn)題的良好途徑。

冬季使用熱泵供熱時(shí)，低溫?zé)嵩吹倪x擇很重要，一般常有的低溫?zé)嵩从锌稍偕茉矗ǖ叵滤?，土壤，空氣等）和余熱等。從能源利用的先后順序上?lái)說(shuō)，往往優(yōu)先考慮余熱的利用，其次再考慮可再生能源（地下水，土壤，空氣等）的利用。三聯(lián)供系統(tǒng)有大量的低溫余熱資源可以利用，并可以為熱泵機(jī)組提供電能，因此可以考慮把三聯(lián)供系統(tǒng)和離心式熱泵機(jī)組結(jié)合起來(lái)用于冬季供熱。主要應(yīng)用形式有：

（1）離心式熱泵回收低溫?zé)煔庥酂幔?/p>

（2）離心式熱泵回收低溫中冷水余熱；

（3）離心式熱泵回收冷卻塔冷凝熱；

（4）離心式熱泵結(jié)合空氣源熱泵。

4　工程應(yīng)用案例

上海某商務(wù)區(qū)3號(hào)能源站采用4臺(tái)單機(jī)發(fā)電容量4.5MW的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)組作為區(qū)域能源站的主要供能系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)采用并網(wǎng)不上網(wǎng)方式，主要設(shè)備及參數(shù)見(jiàn)表2。能源站的峰值小時(shí)冷/熱負(fù)荷為108457kW/30462kW，典型日冷/熱負(fù)荷為1086042kWh/338960kWh，全年累計(jì)冷/熱負(fù)荷為11987 萬(wàn)kWh/4293萬(wàn)kWh。

該項(xiàng)目供熱系統(tǒng)包括：

1）煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組供熱系統(tǒng)。

2）低溫?zé)煔鈸Q熱器+離心式水/水熱泵機(jī)組串級(jí)供熱系統(tǒng)。

3）風(fēng)冷熱泵+離心式水/水熱泵機(jī)組串級(jí)供熱系統(tǒng)。

4）備用燃?xì)鉄崴仩t+板式換熱器供熱系統(tǒng)。

表2　主要設(shè)備及參數(shù)

該項(xiàng)目制冷系統(tǒng)包括：

1）煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組供冷系統(tǒng)。

2）離心式冷水機(jī)組供冷系統(tǒng)。

3）風(fēng)冷熱泵供冷系統(tǒng)。

4）冰蓄冷+水蓄能復(fù)合蓄能系統(tǒng)。

該項(xiàng)目采用煙氣換熱器+離心式熱泵兩級(jí)串聯(lián)、風(fēng)冷熱泵+離心式熱泵兩級(jí)熱泵串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)供熱，主要是考慮到過(guò)低的熱水供水溫度會(huì)給供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型帶來(lái)一定困難。

低溫?zé)煔鈸Q熱器+離心式水/水熱泵機(jī)組兩級(jí)串聯(lián)供熱系統(tǒng)

首先由低溫?zé)煔鈸Q熱器制取40℃的熱水，然后再由離心式水/水熱泵機(jī)組以該熱水為低溫?zé)嵩粗迫?2℃的供暖熱水，各節(jié)點(diǎn)溫度工況和流程如圖3所示。

風(fēng)冷熱泵機(jī)組+離心式水/水熱泵機(jī)組兩級(jí)串聯(lián)供熱系統(tǒng)首先由風(fēng)冷熱泵機(jī)組制取35℃的熱水，然后再由離心式水/水熱泵機(jī)組以該熱水為低溫?zé)嵩粗迫?2℃的供暖熱水，各節(jié)點(diǎn)溫度工況和流程如圖4所示。

與采用市電和燃?xì)忮仩t的常規(guī)能源系統(tǒng)相比，一年耗電量下降19.7%，達(dá)696萬(wàn)kWh，耗氣量下降41.1%，達(dá)252萬(wàn)m3，合計(jì)碳排放量減少26.5%，達(dá)到11218t，取得了良好的節(jié)能減排效果，見(jiàn)表3。

表3　常規(guī)系統(tǒng)與三聯(lián)供系統(tǒng)的年耗電、耗氣以及碳排放量對(duì)比

5　結(jié)語(yǔ)

離心式熱泵機(jī)組近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速，相關(guān)廠家已經(jīng)有了多種類型的離心熱泵產(chǎn)品，并且價(jià)格適中，已經(jīng)具備大量推廣使用的條件。與三聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)合，可以很好地解決系統(tǒng)低溫余熱利用和發(fā)電上網(wǎng)難的問(wèn)題。既充分利用了系統(tǒng)冬季發(fā)出的電力，又可以對(duì)系統(tǒng)的低溫?zé)煔夂椭欣渌鹊蜏赜酂峒右蕴嵘?，?shí)踐證明可以取得很好地節(jié)能減排效果。

參考文獻(xiàn)：

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[2]于紅霞，杜國(guó)良.離心式熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].發(fā)電與空調(diào)，2012，（3）：59～64.

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[4]張春鑫.冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

修回日期：2016-01-26

Application of Centrifugal Heat Pump in CCHP

CHAI Xiao-feng
（East China Architecture Design Institution，Shanghai 200002，China）

Abstract：The article concludes several centrifugal heat pump’s basic technical points and its correspondent applicable condition. During the design period of centrifugal heat pump in CCHP project，the best plan should be made case by case based on the evaluation of owner requirements，available heat sources，and operation modes（heating only or heating/cooling both）. Through the analysis of an actual engineering project in Shanghai，the total usage of electricity，gas and co2 emission within a year could reduce 19.7%，41.1% and 26.5% respectively.

Key words：centrifugal heat pump；CCHP；energy conservation and environment protection

收稿日期：2016-01-11

作者簡(jiǎn)介：柴小峰（1984-），男，湖北荊州人，碩士，工程師，主要從事建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TU831.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）01-0073-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.017