劉國(guó)豪 侯磊 李清平 潘騰 王乾坤 王海東

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；2.中國(guó)石油管道公司）

管道企業(yè)一直在尋找新型、節(jié)能加熱產(chǎn)品替代鍋爐，在保證站場(chǎng)需要的熱水和熱量的基礎(chǔ)上，盡可能減少運(yùn)行和維護(hù)工作量、減少大氣污染物排放，降低企業(yè)運(yùn)行成本[1-4]。本次選擇在成品油管道站場(chǎng)首次安裝空氣能熱泵機(jī)組進(jìn)行試應(yīng)用，考察其運(yùn)行效果和能效水平，分析其經(jīng)濟(jì)效益，并查找運(yùn)行中存在的問題，為下一步推廣使用提供改進(jìn)建議。

1 原理

空氣能熱泵是按照“逆卡諾循環(huán)”原理工作的[5]。吸收空氣中熱量制造熱水。工作原理為通過壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)工作，吸收空氣或自然環(huán)境中的低品位熱能，轉(zhuǎn)化為高品位熱能，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崮芟蚋邷責(zé)崮艿霓D(zhuǎn)移；再將高品位熱能釋放到水中制取成熱水，通過輸送熱水為站內(nèi)辦公區(qū)及宿舍供暖。站場(chǎng)只需輸入1 kW 的電能，根據(jù)熱平衡的原理，熱泵將最少產(chǎn)生2.8 kW 的熱量，加上輸入的1 kW 電能，實(shí)際產(chǎn)生的熱量在3～4 kW，可以看出其主要節(jié)能效果體現(xiàn)在用少量的電能，產(chǎn)生出3～4倍的熱能。

2 試驗(yàn)情況

某成品油管道沿線途徑天津、河北、山東等北方地區(qū)，沿途冬季室外溫度較低（-10～-15 ℃左右，大部分北方地區(qū)冬季溫度），站內(nèi)冬季使用各屋均配備普通空調(diào)供暖，能耗較高且室內(nèi)平均溫度達(dá)不到要求，為解決房間溫度偏低的問題，選取2座典型站場(chǎng)A、B 各安裝2 種不同功率的空氣能熱泵機(jī)組進(jìn)行在管道站場(chǎng)的應(yīng)用。

2.1 設(shè)備情況

A 輸油站配備1 臺(tái)空氣能熱泵機(jī)組，額定制熱量53 kW，循環(huán)水流量6.2 m3/h，被加熱水量1 000 L，最高出水溫度60 ℃，額定電流16.9 A，最大電能輸入功率13.2 kW；B 輸油站配備1 臺(tái)空氣能熱泵機(jī)組，額定制熱量36 kW，循環(huán)水流量9.2 m3/h，被加熱水量1 000 L，最高出水溫度60 ℃，額定電流26 A，最大電能輸入功率19 kW。兩套設(shè)備已連續(xù)運(yùn)行40 天，運(yùn)行穩(wěn)定。

2.2 監(jiān)測(cè)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

參照GB/T 21362—2008 《商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)》[6]、GB 29541—2013 《熱泵熱水機(jī)（器）能效限定值及能效等級(jí)》[7]，分時(shí)段測(cè)試總體制熱量和耗電量，評(píng)估其能效等級(jí)等關(guān)鍵參數(shù)。各主要參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置如下：

1）機(jī)組耗電量：在電動(dòng)機(jī)控制柜處安裝3169電參數(shù)綜合測(cè)試儀測(cè)試電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率，每隔15 min 讀取一次瞬時(shí)數(shù)據(jù)，并累計(jì)耗電量。

2）供水溫度、回水溫度：讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3）室內(nèi)溫度：分別將3 根水銀溫度計(jì)放置于各房屋、走廊，每隔30 min讀取一次數(shù)據(jù)。

4）熱水流量：在供回水管路中的直管段上安裝超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，每隔15 min 讀取一次數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

A、B 輸油站經(jīng)過連續(xù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果匯總見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果匯總表

設(shè)計(jì)文件要求供暖熱媒為45～55 ℃的熱泵機(jī)組，使站內(nèi)辦公室及會(huì)議室冬季室溫不低于20 ℃，使門廳及走廊內(nèi)溫度不低于16 ℃。本次測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)站供水溫度均為50 ℃，在熱泵機(jī)組沒有滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，辦公室、會(huì)議室、門廳及走廊的實(shí)測(cè)平均溫度均已達(dá)到且超過房間溫度的設(shè)計(jì)要求。另外，兩個(gè)站的熱泵設(shè)備運(yùn)行階段，噪音經(jīng)檢測(cè)均不超過55 dB，對(duì)辦公區(qū)和宿舍影響可以忽略。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 29541—2013規(guī)定，A輸油站空氣能熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)值（COP）為3.19，滿足5 級(jí)能效等級(jí)要求；B 輸油站空氣能熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)值為3.31，滿足4 級(jí)能效等級(jí)要求。兩站空氣能熱泵機(jī)組的能效等級(jí)均超過3級(jí)，為合格且優(yōu)秀。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

在13～19 kW 的熱泵機(jī)組在沒有滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，已能滿足站內(nèi)供暖需要，相比普通站場(chǎng)安裝60～150 kW的鍋爐，設(shè)備功率大幅下降。

近年站場(chǎng)燃油或燃?xì)忮仩t實(shí)際熱效率為80%～86%[8-9]，但本次測(cè)試的熱泵實(shí)際熱效率能達(dá)到300%以上，其制熱性能系數(shù)值超過3，能效比高。參考SY/T 6422—2016《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》[10]，該站場(chǎng)供暖鍋爐年運(yùn)行時(shí)間110 天左右，使用60 kW 燃油熱水鍋爐（燃料為站內(nèi)管道中的汽油或柴油）時(shí)，鍋爐實(shí)際熱效率在80%～86%，按平均值83%分析，消耗燃料油8.5 kg/h，年耗油約22 t，按價(jià)格較低的汽油計(jì)算，每噸8 000 元，燃料費(fèi)約為17.6萬/a；使用功率大的B站19 kW 熱泵機(jī)組時(shí)，耗電為15 kW/h，年耗電約40 000 kWh，按工業(yè)電價(jià)每千瓦時(shí)1.0 元計(jì)算，電費(fèi)年消耗約4萬元。電費(fèi)約為燃油熱水鍋爐燃料費(fèi)的四分之一，節(jié)能效果明顯，對(duì)站場(chǎng)供暖部分的運(yùn)行成本下降有較大幫助。

4 存在的問題及改進(jìn)建議

1）空氣能熱泵機(jī)組無頂棚及遮擋，建議增加頂棚，減少雨雪天氣下散熱導(dǎo)致的能耗浪費(fèi)；同時(shí)防止低溫天氣下空氣側(cè)換熱片結(jié)冰阻礙空氣流通，影響換熱效果。

2）空氣能熱泵機(jī)組除霜后水沿基座在附近流淌，影響美觀且造成不安全隱患。建議熱泵基座的水泥地基設(shè)置導(dǎo)流槽，以免除霜融化的水腐蝕設(shè)備。

3）空氣能熱泵機(jī)組控制面板顯示界面僅有設(shè)定溫度，未設(shè)置顯示回水溫度；僅在供水管端設(shè)置壓力表，未在回水端設(shè)置壓力表，無法準(zhǔn)確獲取回水溫度及壓力，無法計(jì)算供暖換熱總耗能。建議安裝回水溫度測(cè)量裝置并上傳至面板，在回水端增設(shè)壓力表。

4）控制面板參數(shù)設(shè)置有密碼，廠家未提供給站內(nèi)，導(dǎo)致輔熱啟動(dòng)溫差等參數(shù)無法及時(shí)進(jìn)行重新設(shè)置。建議站內(nèi)人員與廠家加強(qiáng)溝通后掌握溫度設(shè)定、輔熱調(diào)節(jié)等操作，隨時(shí)保持機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行。

5）兩個(gè)站場(chǎng)供水和回水溫度接近，但B 站供暖面積較小，室內(nèi)溫度較高，對(duì)熱能使用是一種過度浪費(fèi)，建議安裝能根據(jù)室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定循環(huán)水溫的產(chǎn)品，可在滿足室溫情況下進(jìn)一步降低機(jī)組負(fù)荷，減少耗電。

6）空氣能熱泵機(jī)組雖然有外設(shè)圍欄，但圍欄較高且緊貼換熱器和水箱，查看數(shù)據(jù)和巡視均不方便。建議降低圍欄高度或合理設(shè)置圍欄開口，便于站內(nèi)人員進(jìn)入檢修和維護(hù)。

5 結(jié)論

在熱泵機(jī)組在沒有滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，已能滿足站內(nèi)供暖溫度設(shè)計(jì)需要，相比普通站場(chǎng)安裝60～150 kW 的鍋爐，設(shè)備功率大幅下降。電費(fèi)約為燃油熱水鍋爐燃料費(fèi)的四分之一，節(jié)能效果明顯，對(duì)站場(chǎng)供暖部分的運(yùn)行成本下降有較大幫助。從環(huán)保角度分析，由于熱泵只耗電，不用燃?xì)?，因此不?huì)產(chǎn)生任何廢氣；并且熱泵機(jī)組屬于常用工業(yè)設(shè)備，避免了特種設(shè)備的相關(guān)強(qiáng)制要求，降低了企業(yè)維護(hù)成本。