張 雨，李世誠，魏 安

(1.蘭州高新技術(shù)新能源有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

近年來，能源與污染問題成為政府及各界人士關(guān)注的焦點(diǎn)。我國北方大部分地區(qū)，僅一個供暖季消耗的能源占整個建筑能耗的70%～80%，且供暖季污染物排放量明顯高于非供暖季。面對日益嚴(yán)峻的“霧霾”現(xiàn)象，傳統(tǒng)燃煤鍋爐供暖存在高能耗、低效率、高排放、高污染成為當(dāng)前亟需解決的問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱泵供暖系統(tǒng)在我國北方地區(qū)應(yīng)用日益廣泛，但是，單一熱泵系統(tǒng)的使用存在以下問題：①在黃河以北寒冷地區(qū)，空氣源熱泵受室外溫度影響，造成供熱量不足、壓縮機(jī)壓縮比過高、能效比下降等問題；②地下水回灌所帶來的地質(zhì)災(zāi)害問題，亦成為制約水源熱泵應(yīng)用的一個瓶頸；③由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，土壤源熱泵地埋管的換熱性能受土壤的熱物性參數(shù)影響較大[1，2]。鑒于上述單一熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程的缺陷，本文采用空氣源熱泵耦合水源熱泵系統(tǒng)作為供暖熱源，搭配相變蓄熱鹽罐(利用鹽溶液相變蓄熱特性，降低供暖運(yùn)行能耗)，對張家川縣張棉鄉(xiāng)中學(xué)進(jìn)行集中供暖。

2 項(xiàng)目背景及熱源系統(tǒng)介紹

2.1 項(xiàng)目背景

本供暖項(xiàng)目位于天水市張家川縣，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.5 ℃，無霜期163 d左右，全年日照時數(shù)2044 h，年平均降水量600 mm。原采用燃煤鍋爐對張家川縣張棉鄉(xiāng)中學(xué)5560 m2建筑進(jìn)行供暖，由于燃煤鍋爐效率低，污染大，故對鍋爐房進(jìn)行熱源改造，在原有散熱器供暖末端基礎(chǔ)上利用多熱源互補(bǔ)熱泵作用供暖熱源，供暖建筑平面簡圖如圖1所示。

其中，北宿舍樓與西教學(xué)樓為地上三層磚混結(jié)構(gòu)，外墻厚300 mm，無保溫材料，室內(nèi)為水泥地面，開放式走廊。南教學(xué)樓、南宿舍樓及餐廳為地上三層框架結(jié)構(gòu)，外墻厚350 mm，擠塑聚苯板保溫，厚度50 mm，室內(nèi)為水泥地面，封閉式走廊。所有建筑物屋頂保溫均為爐渣加水泥層，外貼SBS防水材料，平均厚度30 cm。

圖1 建筑平面

2.2 熱源系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用多源耦合熱泵系統(tǒng)替代燃煤鍋爐，利用空氣源熱泵作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，從空氣?cè)提取熱量，避免了水源熱泵系統(tǒng)存在的打井困難、地下水超采等問題；同時，水源熱泵將空氣源熱泵出水進(jìn)行二次升溫向室內(nèi)供熱，當(dāng)水源熱泵供暖側(cè)水溫達(dá)到55 ℃時，熱泵停止加熱，當(dāng)供暖側(cè)水溫低于50 ℃時，熱泵再次開機(jī)工作。此外，兩熱泵之間接有相變儲熱鹽罐(單罐蓄熱量100 kW，相變溫度21 ℃)，為降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，蓄熱鹽罐可儲存由空氣源熱泵出水側(cè)提供的熱量，從而降低空氣源熱泵能耗。熱源系統(tǒng)如圖2所示。

該熱源系統(tǒng)的熱能流程依次為：室外空氣→空氣源熱泵→相變儲熱罐→水源熱泵→室內(nèi)用戶。

3 供暖方案設(shè)計及測試

3.1 供暖設(shè)計方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地測量，本項(xiàng)目總供暖面積為5114 m2，其中，西教學(xué)樓618 m2、北宿舍樓727 m2，均未采取外墻保溫；南教學(xué)樓1341 m2、南宿舍樓1366 m2、餐廳1062 m2，均采取保溫措施，如表1所示[3]。

圖2 熱源系統(tǒng)

表1 采暖熱指標(biāo)推薦值(W/m2)

利用表1所得采暖熱指標(biāo)，分別帶入(1)式計算供暖熱負(fù)荷：西教學(xué)樓43.26 kW、北宿舍樓43.62 kW、南教學(xué)樓80.46 kW、南宿舍樓57.37 kW、食堂116.82 kW，總熱負(fù)荷為341.53 kW，故選取制熱量358 kW的水源熱泵系統(tǒng)向戶內(nèi)供暖。

Qh=qhAc×10-3

(1)

式(1)中Qh為采暖設(shè)計熱負(fù)荷，kW；qh采暖熱指標(biāo)，W/m2；Ac為建筑物采暖面積，m2。

西北地區(qū)地下水溫為10～20 ℃[4],本項(xiàng)目由空氣源熱泵代替地下水冷源。為提高水源熱泵制熱性能，保證空氣源熱泵出水溫度在18 ℃以上，同時考慮當(dāng)?shù)毓┡臼彝馄骄鶞囟葹? ℃[5]，故選取總制熱量為238kW的兩臺空氣源熱泵機(jī)組。各設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置參數(shù)

3.2 系統(tǒng)測試

3.2.1 測試內(nèi)容

課題組利用自動化檢測設(shè)備，對多源耦合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行測試，測試時間為2019年1月12日0:00-23:00，測試內(nèi)容包括：室外環(huán)境溫度、空氣源熱泵進(jìn)出口水溫、空氣源熱泵制熱功率、空氣源熱泵循環(huán)水流量、水源熱泵供暖側(cè)供回水水溫、水源熱泵制熱功率、水源熱泵循環(huán)水流量、供暖戶內(nèi)溫度。

3.2.2 數(shù)據(jù)整理

本項(xiàng)目通過對空氣源與水源熱泵的供回水水溫、循環(huán)水流量監(jiān)測，計算出各機(jī)組制熱量；同時通過采集各機(jī)組的制熱功率得出COP，主要依據(jù)以下公式[6]。

(1)制熱量：

Q1=ρVcp(tout-tin)

(2)

式(2)中Q1為熱泵機(jī)組制熱量，kW；ρ為水的密度,kg/m3；V為熱泵機(jī)組循環(huán)水水流量，m3/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg· ℃)；tin，tout為熱泵機(jī)組進(jìn)、出口水溫， ℃。

(2)熱泵機(jī)組性能系數(shù)：

(3)

式(3)中COP為熱泵機(jī)組的性能系數(shù)；P1為機(jī)組的制熱輸入功率，kW；Q1為機(jī)組制熱量，kW。

3.3 熱泵機(jī)組COP分析

圖3所示為該熱源系統(tǒng)熱泵COP隨室外環(huán)境溫度變化折線圖。其中，全天室外最高溫度為0.6 ℃，最低溫度為-8.7 ℃，平均溫度為-5.0 ℃；空氣源熱泵COP最大值為3.91，最小值為1.02(部分時段由于室外溫度過低，空氣源熱泵進(jìn)行逆向除霜)，平均值為2.56；水源熱泵COP最大值5.16，最小值為3.58，平均值為3.92。

3.4 室內(nèi)溫度分析

課題組分別選取北宿舍樓(無外墻保溫)與南宿舍樓宿舍各一間，采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示。其中，南宿舍樓全天最高溫度為22.5 ℃，最低溫度為19.0 ℃，平均溫度為20.4 ℃，滿足18～22 ℃的供暖室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)[7]；北宿舍樓全天最高溫度為18.9 ℃，最低溫度為15.1 ℃，平均溫度為16.2 ℃，由于為采取外墻保溫措施，且建筑使用年限較久，故室內(nèi)溫度偏低。

圖3 熱泵COP與室外溫度

圖4 室內(nèi)外溫度

3.5 能耗效益分析

本熱源系統(tǒng)主要采用電力驅(qū)動，系統(tǒng)運(yùn)行功率如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行功率

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)總運(yùn)行功率由空氣源熱泵制熱功率、水源熱泵制熱功率、循環(huán)泵功率組成，全天平均運(yùn)行功率為108.93 kW,即系統(tǒng)1 h平均耗電量為108.93 kW·h，全天耗電量為2614.32 kW·h。按照國家統(tǒng)計局標(biāo)準(zhǔn)，1 kW·h折算0.404 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，即全天標(biāo)準(zhǔn)煤耗量1.06 t，較之前燃煤鍋爐耗煤量1.13 t(供暖季總耗煤量120 t，供暖時長106 d)有所減少。此外，由于燃煤鍋爐燃燒效率低，不僅耗煤量高，戶內(nèi)供暖溫度也難滿足需求，經(jīng)過熱源系統(tǒng)的改造，大大提高了能源利用率，同時也保證了供暖室內(nèi)溫度指標(biāo)。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

本項(xiàng)目采取峰谷電價政策，8:00～22:00，電價為0.54元/kW·h，22:00至次日8:00為0.32元/kW·h，根據(jù)前述系統(tǒng)日平均電耗2614.32 kW·h，計算得系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用為1124.2元，低于燃煤鍋爐日運(yùn)行費(fèi)用1175.2元(測試當(dāng)日室外環(huán)境溫度燃煤鍋爐日運(yùn)行消耗煤約1.469 t，當(dāng)?shù)孛簝r800元/t)，但考慮到燃煤鍋爐污染物排放量大，同時需要專人值班看守，需要聘請專業(yè)司爐工人，司爐工人工資也是運(yùn)行成本一項(xiàng)支出；供暖溫度也未能長久滿足學(xué)校需求，綜合考慮各項(xiàng)因素，多源互補(bǔ)熱泵系統(tǒng)熱源改造方案適宜。

3.7 環(huán)保效益分析

根據(jù)表3提供的數(shù)據(jù)，1t標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的污染物量如下。

表3 消耗1t標(biāo)準(zhǔn)煤的污染物排放量

張棉鄉(xiāng)中學(xué)原供暖熱源為燃煤鍋爐，供暖季日耗煤量1.13 t，日排放NOx為8.362 kg、SO2為9.605 kg、CO2為2960.6 kg。熱源系統(tǒng)改造后，現(xiàn)場基本無污染物排放，以燃煤鍋爐供暖季總耗煤量120 t計算，改造后供暖季減少NOx排放量888 kg；SO2排放量1020 kg；CO2排放量314400 kg，解決了供暖所帶來的環(huán)境污染問題，也為該地區(qū)環(huán)境治理問題做出了貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過對張家川縣張棉鄉(xiāng)中學(xué)多源互補(bǔ)熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

(1)多源互補(bǔ)熱泵供暖系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)?shù)毓┡枰?，較原燃煤鍋爐系統(tǒng)，不僅提高了供暖效率，同時大大減少了污染物排放量，屬于清潔環(huán)保高效的供暖方案。

(2)在冬季低溫環(huán)境下，考慮到空氣源熱泵制熱的不利因素，將兩種熱泵系統(tǒng)相結(jié)合，既避免了水源熱泵打井與回灌等問題，又解決了空氣源熱泵低溫環(huán)境下制熱能力不足的問題(空氣源熱泵向水源熱泵供水溫度為20 ℃)。

(3)多源互補(bǔ)熱泵供暖系統(tǒng)采用全自動控制，無需專人看護(hù)，可利用控制屏隨時調(diào)控供回水水溫與運(yùn)行工況。

(4)雖然該系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用略高于燃煤鍋爐，但是考慮供暖室內(nèi)溫度、污染物排放、系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等多方面因素，多源互補(bǔ)熱泵供暖系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)勢。