苗 青 李敏霞 馬一太 黨超鑌 王啟帆 張世鋼

(1 天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072;2 福井大學(xué) 福井 910-8507;3 北京清建能源技術(shù)有限公司 北京 100084)

清華建筑節(jié)能研究中心公布的白皮書指出:2017年中國建筑運(yùn)行的化石能源消耗相關(guān)的碳排放為21.3 億t CO2。其中由于電力消耗帶來的碳排放為9億t,占建筑運(yùn)行相關(guān)碳排放總量的43%。其次,由于北方集中供暖的熱力消耗帶來的碳排放占22%,直接燃煤導(dǎo)致的碳排放占20%[1]。由此可知,建筑能源的大多數(shù)碳排放是由燃煤和發(fā)電帶來的。隨著雙碳目標(biāo)的提出[2],我國面臨嚴(yán)峻的減碳?jí)毫?江億院士等認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),供熱行業(yè)的目標(biāo)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)零碳供熱[3]。

本文認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)零碳供熱核心要點(diǎn)是要充分利用供熱需求的特點(diǎn),即能源品位要求低,全天時(shí)間范圍內(nèi)負(fù)荷變化周期與電網(wǎng)趨勢相反。盡可能的利用低品位的余熱資源,以其為供熱主體;以綠色電力為輔助能源;結(jié)合蓄放熱儲(chǔ)能技術(shù)的“零碳”供熱模式,將是未來供熱行業(yè)的主要技術(shù)路線。

付林等[4]提出的大溫差長輸供熱技術(shù),是供熱行業(yè)的一次革命。該技術(shù)充分利用了廉價(jià)的零碳余熱資源,達(dá)到了長距離調(diào)配余熱的目的。不但節(jié)能環(huán)保還具有很好的經(jīng)濟(jì)性,現(xiàn)在正在全國范圍內(nèi)大力推廣[5-6]。在該技術(shù)的逐步實(shí)施過程中,一些局限性不斷反饋,如換熱站改造難度或推進(jìn)力度不一造成改造完成度低于預(yù)期,項(xiàng)目收益性打了折扣[7]。

針對上述問題,2020年付林教授在第一代大溫差基礎(chǔ)上,提出了清潔供熱2025的供熱模式。該模式引進(jìn)了蓄熱和熱電協(xié)同的思想,充分利用熱網(wǎng)為電網(wǎng)調(diào)峰,吸納綠色電力上網(wǎng),幫助電力系統(tǒng)減碳。在該模式中電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組的作用重大[8],其作為熱電協(xié)同和長輸供熱的紐帶,是關(guān)鍵設(shè)備。

傳統(tǒng)的電動(dòng)壓縮式空調(diào)、熱泵最開始普遍應(yīng)用于制冷領(lǐng)域,但隨著節(jié)能環(huán)保要求的增高,逐漸有學(xué)者開始研究利用低溫余熱的熱泵技術(shù)[9],如空氣源熱泵[10]、地源熱泵[11]、污水源熱泵[12]、干燥用熱泵[13-14]及太陽能聯(lián)合使用的水源熱泵[15]等。利用水源熱泵直接把低品位工業(yè)余熱應(yīng)用于供熱領(lǐng)域的研究也較多[16]。

但將電動(dòng)壓縮式熱泵與大溫差長輸供熱的研究工作方興未艾[17-18]。該應(yīng)用的難點(diǎn)在于如何將電動(dòng)壓縮式熱泵的特性與長輸大溫差的應(yīng)用相匹配,并開發(fā)出適用于該場景的電動(dòng)壓縮式大溫差專用機(jī)組。該機(jī)組應(yīng)用的特點(diǎn)是取熱溫差大、對COP性能要求高、工況波動(dòng)大不穩(wěn)定等。針對上述特點(diǎn),本文提出一種電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組的概念,并將其與大溫差長輸供熱技術(shù)相合從而實(shí)現(xiàn)“零碳供熱”的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以“綠色電力”為主的供電模式和以零碳的工業(yè)余熱為主的供熱模式,系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 利用余熱與綠色電力實(shí)現(xiàn)零碳供熱系統(tǒng)

該模式的基本思路是將電動(dòng)壓縮式熱泵與大溫差長輸供熱相結(jié)合。以工業(yè)余熱為基礎(chǔ)熱源,以綠色電力為調(diào)峰驅(qū)動(dòng)力提升工業(yè)余熱品位后用于供熱。

系統(tǒng)流程如下:首先,利用熱源首站的大溫差熱泵技術(shù),將低品位工業(yè)廢熱提升為高溫?zé)嵩?然后,將其遠(yuǎn)距離運(yùn)輸至末端換熱站;最后,利用綠色電力驅(qū)動(dòng)的電壓縮大溫差熱泵機(jī)組(electric large temperature difference unit,ELTD),充分利用末端換熱站的一次網(wǎng)回水中的熱源,將其深度降溫后送回?zé)嵩词渍?使其能直接通過換熱即可回收低品位的工業(yè)余熱。即通過ELTD增加供回水和回?zé)嵩粗g的溫差。

ELTD與吸收式大溫差機(jī)組功能相同,通過利用長輸網(wǎng)供水的做功能力在一定程度上降低了長輸網(wǎng)回水溫度。僅從經(jīng)濟(jì)性上考慮這種零能耗的設(shè)計(jì)無疑是優(yōu)先考慮技術(shù)路線。但從碳排放的角度重新評(píng)估,ELTD仍具有技術(shù)優(yōu)勢:

1)回水溫度可以降得很低,理論上可達(dá)到10 ℃以內(nèi)。這就可以在相同直徑的供熱管道內(nèi)傳輸更多的熱量。大幅降低了長距離輸電網(wǎng)的供熱成本,與吸收式大溫差機(jī)組聯(lián)合使用效果更佳。

2)更低的回水溫度有利于低品位余熱源(工業(yè)余熱通常在20～30 ℃)的直接利用,通過簡單的直接換熱即可收集分散的工業(yè)余熱資源,有利于增加零碳能源供熱的比例。

3)在電力低谷期時(shí)期,開動(dòng)ELTD供熱,大量消納綠色電力,保證電網(wǎng)負(fù)荷穩(wěn)定,避免棄風(fēng)棄水造成的浪費(fèi),將其變廢為寶有助于電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減碳的目標(biāo)。同時(shí)也是一種零成本的電力調(diào)峰工具,充分低廉的綠色電力也提升了“零碳供熱”模式的經(jīng)濟(jì)性。

由此可知,ELTD作為連接電網(wǎng)和熱網(wǎng)的橋梁,是“熱電協(xié)同”的紐帶,有望成為未來零碳供熱的核心設(shè)備。

本文將從ELTD的理論可行性,其應(yīng)用場景與普通熱泵的異同點(diǎn),以及由此產(chǎn)生的機(jī)組設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行論證,并據(jù)此設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試及驗(yàn)證。

1 機(jī)組介紹

1.1 電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組原理

本文提出的ELTD與吸收式大溫差機(jī)組類似[4],均由熱泵和換熱器結(jié)合組成,系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組系統(tǒng)流程圖

與傳統(tǒng)水源熱泵不同的是該機(jī)組單側(cè)的溫升溫降一般較大,蒸發(fā)溫度高,且工況不穩(wěn)定,需要實(shí)時(shí)調(diào)整。普通的熱泵無法適應(yīng)如此大幅的工況波動(dòng),性能和可靠性無法滿足需求。

ELTD采用多級(jí)串聯(lián)順流的系統(tǒng)流程設(shè)計(jì),可以兼顧任何使用場景下的工況。以兼顧全年各種使用場景下的工況,如適應(yīng)環(huán)境溫度波動(dòng)引起的劇烈的工況差異,響應(yīng)實(shí)時(shí)的變負(fù)荷、變流量需求等。

1.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

目前的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱模式是公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)性最佳的方案,為了說明“零碳供熱”模式的經(jīng)濟(jì)性,本文將其與抽氣熱電聯(lián)產(chǎn)供熱模式(圖3)為參照,采用增量法計(jì)算其靜態(tài)投資回收期,作為系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。

圖3 抽氣供熱熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)

在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,供出的熱量犧牲了發(fā)電能力為代價(jià)。假定抽氣參數(shù)為272 ℃/0.4 MPa,焓值為3 005 kJ/kg,一網(wǎng)供水、回水溫度分別為120、50 ℃。

根據(jù)靜態(tài)投資回收期的定義,其數(shù)值為新增的投資與年收益的比值,則:

(1)

式中:Pt為靜態(tài)投資回收期,a;Ip為電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組投資,元;CH為采用熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)消耗的等效電,元;Ce為電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組耗電,元。

Ce=WτPe2

(2)

CH=WehτPe1

(3)

式中:Pe1、Pe2分別為電廠上網(wǎng)電價(jià)和用戶側(cè)消費(fèi)電價(jià),元/(kW·h);W、Weh分別為ELTD功耗及相應(yīng)熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的等效電功耗,kW;τ為年運(yùn)行時(shí)長,h。

假定機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)長τ=120×24×0.7 h,投資費(fèi)通常與機(jī)組制冷量成正比。

Ip=QPp

(4)

(5)

假設(shè)由Q引起的一次管網(wǎng)回水的下降溫度為dT,一次管網(wǎng)質(zhì)量流量為m(kg/s),則:

Q=cpmdT

(6)

式中:cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·℃);m為循環(huán)水的流量,kg/s;dT為一次網(wǎng)供回水溫差,℃。

熱電聯(lián)產(chǎn)提供同等于電動(dòng)壓縮式熱泵的制熱量時(shí),由于抽氣供熱而損失的發(fā)電量稱為其等效電功率,計(jì)算式為:

Weh=fh(Q)=kQ

(7)

式中:k為等效電與供熱量的比值。

假定汽輪機(jī)發(fā)電為等熵過程,則汽輪機(jī)發(fā)電乏汽焓值則為損失的發(fā)電焓差:

Δhe=hex-hout=3 000-2 400=600 kJ/kg

(8)

(9)

式中:Δhe為汽輪機(jī)損失發(fā)電焓差,kJ/kg;hex為汽輪機(jī)抽氣焓值,kJ/kg;hout為汽輪機(jī)出口焓值,kJ/kg;h0為冷凝水焓值,kJ/kg。

將式(9)代入式(10):

(10)

若假定Pe1、Pe2同為Pe,則:

(11)

對于同一個(gè)項(xiàng)目,Pp、τ、Pe、k均為常數(shù),且一般變化較小,因此決定項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的唯一變量即熱泵的全年平均供熱COP。

2 示范工程及樣機(jī)設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確評(píng)估機(jī)組的可行性,需要針對供熱工程專門設(shè)計(jì)制造一個(gè)機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和工程驗(yàn)證。

2.1 現(xiàn)場概況

工程驗(yàn)證的地點(diǎn)選擇山西省某市,該市位于山西省西部,采暖季從11月15日開始,截至次年3月15日,共計(jì)120 d。由于該市供熱面積增長迅速,在嚴(yán)寒期(全年環(huán)境溫度最低時(shí)期)內(nèi)供熱能力不足,無法滿足用戶的熱需求。在嚴(yán)寒期一次網(wǎng)供熱參數(shù)為96 ℃/64 ℃,二次網(wǎng)供熱參數(shù)為55 ℃/45 ℃,根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》可以得到該市采暖季室外計(jì)算溫度為-4.5 ℃[19],設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為45 W/m2。

2.2 原有系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)崃咎峁┑臄?shù)據(jù),將該測試熱力站的一、二次網(wǎng)的溫度、流量等重要參數(shù)整理后,匯總于表1中,由于該熱力站內(nèi)在二次網(wǎng)側(cè)無流量監(jiān)測數(shù)據(jù),因此根據(jù)極寒期內(nèi)一次網(wǎng)側(cè)的流量、溫度和熱平衡的原理,計(jì)算得到了極寒期內(nèi)二次網(wǎng)的流量。站內(nèi)原有極寒期的基本情況及各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 該市某換熱站極寒期站內(nèi)參數(shù)

在熱力站內(nèi)加入ELTD,利用電能將低品位一次網(wǎng)回水中的熱量提取至二次網(wǎng)中進(jìn)行供熱。新增設(shè)的ELTD管網(wǎng)連接方式如下:一次網(wǎng)與其他各區(qū)供熱系統(tǒng)并聯(lián),二次網(wǎng)與某小區(qū)的二次網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)。該設(shè)計(jì)的目的是在不增加一次網(wǎng)流量的前提下驗(yàn)證某小區(qū)的供熱能力提升情況。通過實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn),機(jī)組并入某小區(qū)后供熱能力可以提升約30%。

需要說明的是,由于機(jī)組在增加供熱能力的同時(shí)兼顧了實(shí)驗(yàn)工程驗(yàn)證的需求。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面做出了適當(dāng)?shù)淖尣健Ｒ淮尉W(wǎng)回水和二次網(wǎng)供水存在一定的混水損失。若采用兩級(jí)多機(jī)并聯(lián)效果會(huì)更佳。

供熱系統(tǒng)管路流程圖如圖4所示。

圖4 該市某換熱站站內(nèi)系統(tǒng)流程圖

2.3 電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

2.3.1 機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)工況:一次側(cè)供回水溫度為70 ℃/15 ℃,一網(wǎng)水流量為6.4 t/h,二次側(cè)供回水溫度為52 ℃/45 ℃,二網(wǎng)水流量為29.0 t/h。

2.3.2 機(jī)組流程設(shè)計(jì)

機(jī)組采用五級(jí)串聯(lián)的布置方式,各級(jí)熱泵均經(jīng)過專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中的電動(dòng)壓縮式熱泵結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ELTD結(jié)構(gòu)

2.3.3 機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試結(jié)果

制作的樣機(jī)首先要經(jīng)過性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)證。

測試方法:保持一、二次網(wǎng)水流量不變,一次網(wǎng)進(jìn)入熱泵的溫度是經(jīng)過板式換熱器換熱后被動(dòng)形成的,一般可以假定換熱器端差固定不變,即一次網(wǎng)入水溫度可以由二次網(wǎng)回水溫度加上固定端差dT得到。對于熱泵,只有兩個(gè)自由變量,即二次網(wǎng)回水進(jìn)入熱泵的溫度和一次網(wǎng)熱泵出水溫度。

通過合肥通用機(jī)械研究院認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測試結(jié)果如圖6所示。

圖7 各級(jí)熱泵一次網(wǎng)水溫降運(yùn)行曲線

圖中橫坐標(biāo)為一次網(wǎng)熱泵出水溫度,縱坐標(biāo)為二次網(wǎng)回水進(jìn)入熱泵的溫度。由圖6可知,熱泵COPh呈現(xiàn)從左上至右下逐漸升高的趨勢,所示區(qū)域內(nèi)幾乎全部COPh均大于7,若該熱泵應(yīng)用于這些工況領(lǐng)域,其經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于抽氣供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)直接供熱的經(jīng)濟(jì)性。

3 工程驗(yàn)證結(jié)果

機(jī)組于2021年2月施工完成并進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試工作,經(jīng)過兩個(gè)供熱季的試運(yùn)行,機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠,功能正常,性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo),具體測試方法和結(jié)果如下。

3.1 測量方法

在一二次網(wǎng)水路板式換熱器和各級(jí)水路上均布置了溫度傳感器,用于測量各設(shè)備的進(jìn)出水溫度,傳感器類型為Pt100,精度為(0.15+0.002|T|) ℃。熱泵一二次網(wǎng)水路安裝有熱表,用于測量水流量及計(jì)算熱量值,精度為±0.25%。板式換熱器二次網(wǎng)側(cè)單獨(dú)安裝流量計(jì),用于測量板式換熱器二次側(cè)流量,精度為±0.25%。同時(shí),各接口處還安裝了壓力表用于測量各水路上壓降,測量精度為±0.01 MPa。

3.2 機(jī)組一次網(wǎng)降溫能力

一網(wǎng)水在機(jī)組經(jīng)過板式換熱器降溫取熱后進(jìn)入熱泵。通常換熱量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí)板式換熱器下端差變化較大,因此一次網(wǎng)水經(jīng)過板式換熱器后的溫度由二次網(wǎng)回水溫度決定。

因此部分溫降主要受供熱負(fù)荷的影響,其中一次網(wǎng)供水溫度波動(dòng)范圍較大,是影響該溫降的主要因素。取嚴(yán)寒期時(shí)的設(shè)計(jì)溫降為板式換熱器的降溫能力,經(jīng)過測定該溫降下的負(fù)荷為319 kW。

進(jìn)入熱泵的一次網(wǎng)水進(jìn)一步降溫至一次回水溫度,將其定義為熱泵的降溫能力。

取嚴(yán)寒期時(shí)的設(shè)計(jì)溫降為板式換熱器的降溫能力,經(jīng)過測定為33 K。該降溫幅度遠(yuǎn)大于常規(guī)熱泵的降溫能力。

圖8所示為機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)機(jī)組的供熱功率變化曲線,可以看出機(jī)組供熱能力受熱網(wǎng)工況變化因素的影響較小。

3.3 設(shè)計(jì)工況性能

常規(guī)水源熱泵的供熱COP指供熱量與耗電量的比值。本文沿用了該定義,將多級(jí)熱泵看作一個(gè)整體,熱泵總供熱量為各級(jí)熱泵供熱量之和,熱泵總功耗為各級(jí)熱泵功耗之和,熱泵總供熱COP為上述兩值之比。

(12)

式中:Qhi為各級(jí)熱泵供熱量,kW;Wi為各級(jí)熱泵耗功,kW。

若將熱泵和板式換熱器組成的機(jī)組作為一個(gè)整體,則機(jī)組總COPtot:

(13)

式中:Qb為板式換熱器供熱量,kW。

熱泵部分的性能指標(biāo)COPp影響因素較多,計(jì)算方法復(fù)雜,本文將其作為主要研究內(nèi)容,以下性能指標(biāo)未經(jīng)說明均為熱泵COP。雖然COPtot才是代表機(jī)組的性能指標(biāo),但由于板式換熱器供熱量容易計(jì)算評(píng)估,可以簡便的通過計(jì)算得到,本文不做進(jìn)一步研究。

整個(gè)供熱季氣溫最低時(shí),為2021年12月26日,取該日代表嚴(yán)寒期工況。一次網(wǎng)水流量為6.5 T/h,二次網(wǎng)流量為16.6 T/h,一次網(wǎng)進(jìn)水、出水溫度分別為45.6、16.6 ℃。性能測量結(jié)果如表2所示。

表2 嚴(yán)寒期機(jī)組實(shí)測性能數(shù)據(jù)

由于機(jī)組采用了一二次網(wǎng)水順序依次流過各級(jí)的設(shè)計(jì)。因此越靠前的級(jí),蒸發(fā)溫度越高,冷凝溫度越低,前面的級(jí)卡諾效率高于后面的級(jí)。順流設(shè)計(jì)在可靠性、性能及成本上均具有較為顯著的優(yōu)勢,且理論上和逆流效率相同。但隨著分級(jí)數(shù)的增加經(jīng)濟(jì)性反而會(huì)下降,因此理論上存在最佳的分級(jí)數(shù)。

3.4 變工況特性

(14)

由圖9可知,二次網(wǎng)回水溫度的變化對于機(jī)組的供熱能力和COP會(huì)產(chǎn)生影響,供水溫度增大時(shí),機(jī)組取熱能力增加,原因是二次網(wǎng)回水溫度升高后,引起各級(jí)熱泵蒸發(fā)溫度上升,而熱泵制冷劑性質(zhì)是溫度越高密度越大,壓縮機(jī)的體積流量保持不變,制冷劑質(zhì)量流量增大,制冷量相應(yīng)增加。

但由于二次網(wǎng)回水溫度增大后,冷凝溫度也相應(yīng)提高,機(jī)組功耗增大,機(jī)組COP整體仍呈略下降趨勢。

3.5 變負(fù)荷特性

區(qū)別于實(shí)驗(yàn)測試方法,實(shí)際供熱場景下,機(jī)組需要根據(jù)供熱需求不停調(diào)整負(fù)荷,這要求機(jī)組滿足部分負(fù)荷條件下運(yùn)行。由于熱泵部分采用了多級(jí)串聯(lián)順流的連接方式,后續(xù)熱泵的開停對于前序熱泵無任何影響,因此本文可以通過簡單的數(shù)據(jù)處理得到前n級(jí)運(yùn)行時(shí)的性能。例如,若要知道前3級(jí)的COPp,只需將前3級(jí)的供熱量求和,除以前3級(jí)的功耗求和即可,而無需真正把第4、5級(jí)機(jī)組關(guān)停。

設(shè)計(jì)時(shí)每級(jí)的制冷量相當(dāng),因此,通過開停機(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱泵從0～100%的間斷式變負(fù)荷能力,即20%、40%、60%、80%、100%。

仍然取2021年12月26—29日的數(shù)據(jù)作為嚴(yán)寒期代表工況,則不同負(fù)荷情況下的性能如圖10所示。

圖10 變負(fù)荷性能曲線

由圖10可知,機(jī)組負(fù)荷越大機(jī)組整體性能越低。這是由于負(fù)荷增大時(shí)一次網(wǎng)回水溫度下降,蒸發(fā)冷凝側(cè)的溫差增大,根據(jù)卡諾定理機(jī)組的COP變小。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)性能與制冷量的關(guān)系近似成對數(shù)函數(shù)關(guān)系:

COPp=-5.52lnQ+36.15

(15)

出現(xiàn)制冷量越大COP越低的原因是,對同一臺(tái)機(jī)組而言蒸發(fā)和冷凝側(cè)的水流量通常保持不變。制冷量越大意味著一次網(wǎng)出水溫度越低,機(jī)組的蒸發(fā)冷凝溫差越大,由卡諾定理可知機(jī)組理論效率會(huì)下降。因此,在工程應(yīng)用中需要首先確定項(xiàng)目可以接受的最低回水溫度,因?yàn)椴煌捻?xiàng)目由于邊界條件千差萬別,適應(yīng)的回水溫度也差異較大,然后根據(jù)此回水溫度確定分級(jí)數(shù)和每級(jí)熱泵的制冷量。需要指出的是每個(gè)項(xiàng)目均存在最佳的分級(jí)數(shù)和每級(jí)熱泵的制冷量,該最佳分級(jí)數(shù)的討論有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

3.6 變流量特性

雖然為了穩(wěn)定一次網(wǎng)水流量,本機(jī)組增設(shè)了一次網(wǎng)變頻水泵,但實(shí)際運(yùn)行中由于一次管網(wǎng)的供回水壓差隨著供熱負(fù)荷變化非常大。初末寒期供熱需求減小時(shí),各換熱站紛紛減小供熱流量,會(huì)造成管網(wǎng)供回水壓差增大,引起機(jī)組供水流量的被動(dòng)增加。

2022年2月17—22日的晝夜氣溫變化劇烈,通過分析該時(shí)段COPp與流量的關(guān)系,得到圖11。

圖11 一次流量變化對熱泵供熱COP的影響

由圖11可知,一次網(wǎng)流量的波動(dòng)對于機(jī)組整體性能影響較大。這是因?yàn)橐淮尉W(wǎng)流量增加后,各級(jí)熱泵蒸發(fā)溫度上升,制冷劑吸氣比容減小,制冷量流量略增加,同時(shí)蒸發(fā)冷凝溫差下降,根據(jù)卡諾定理功耗減小。因此,各級(jí)制冷COP均會(huì)增加,熱泵整體性能隨一次網(wǎng)流量呈上升趨勢。

3.7 全年工況特性

考慮到上述兩個(gè)因素,本文采用另一種方式,即全年滿負(fù)荷運(yùn)行,獲得整個(gè)供熱季的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在計(jì)算全年綜合COP時(shí),僅需將不需要運(yùn)行的熱泵數(shù)據(jù)刪除,因?yàn)楹罄m(xù)熱泵的運(yùn)行不影響前序熱泵的結(jié)果,與實(shí)際關(guān)閉熱泵的效果相同,因此可以達(dá)到虛擬關(guān)閉的效果。統(tǒng)計(jì)需要運(yùn)行的熱泵數(shù)據(jù)即可計(jì)算得到該項(xiàng)目全年的綜合COP。

查詢當(dāng)?shù)靥鞖庥涗?根據(jù)氣溫進(jìn)行排序,氣溫最低時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),隨著氣溫升高所需運(yùn)行負(fù)荷減小,根據(jù)該負(fù)荷需求可以計(jì)算得到需要運(yùn)行的機(jī)組,全年運(yùn)行負(fù)荷如圖12所示。

圖12 按照項(xiàng)目實(shí)際需求全年運(yùn)行負(fù)荷

由圖12可知,熱泵實(shí)際需要運(yùn)行46 d,熱泵供熱量在50～255 kW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。熱泵供熱COP最小為6.5,最大為13.1,供熱季平均COP為8.3。由此可知,該場景下電動(dòng)壓縮式熱泵起到調(diào)峰熱源的作用,實(shí)際運(yùn)行時(shí)長較小,COP較高,因此耗電量有限。

3.8 運(yùn)行穩(wěn)定性

供熱工況實(shí)時(shí)變化,尤其晝夜負(fù)荷變化大,在如此不穩(wěn)定的工況下運(yùn)行,對熱泵的控制調(diào)節(jié)能力、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及保護(hù)措施要求很高。為了驗(yàn)證機(jī)組的頻繁加減載能力,本文增加了實(shí)驗(yàn)難度,人為干預(yù)的頻繁加減載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn),機(jī)組在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)頻繁的調(diào)整負(fù)荷,但機(jī)組應(yīng)對自如,各熱泵之間無沖擊和干涉情況發(fā)生,各級(jí)壓縮機(jī)無明顯的輸入功率波動(dòng),甚至性能和內(nèi)效率均維持在較高水平。

圖13 機(jī)組加減載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 按照換熱站現(xiàn)況條件計(jì)算

通常項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的常用指標(biāo)之一是靜態(tài)投資回收期,本文采用該指標(biāo)對產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估。靜態(tài)投資回收期的計(jì)算式如下:

(16)

式中:I為機(jī)組投資,元;B為項(xiàng)目年收益,元/a;Cg為比對供熱方式年運(yùn)行費(fèi),元/a;Ce為年耗電費(fèi),元/a;Ch為熱泵取熱費(fèi),元/a;Ig為燃?xì)忮仩t投資費(fèi),元;Ie為電動(dòng)壓縮式熱泵投資費(fèi),元。

投資費(fèi)用計(jì)算方法采用去除板式換熱器換熱部分后電動(dòng)壓縮式熱泵承擔(dān)的負(fù)荷230 kW,分別采用燃?xì)忮仩t和空氣源熱泵作為比對供熱方式。

計(jì)算邊界條件:電價(jià)0.64元/(kW·h),熱泵取熱價(jià)24.5元/GJ,燃?xì)鈨r(jià)2.5元/Nm3,燃?xì)忮仩t投資費(fèi)8.2萬元,空氣源熱泵投資費(fèi)23萬元,電動(dòng)壓縮式熱泵部分15萬元。

(17)

經(jīng)計(jì)算可知,電動(dòng)熱泵耗電費(fèi)為11 358元/a,從熱網(wǎng)取熱費(fèi)為11 400元/a。若該部分供熱采用燃?xì)忮仩t,則年運(yùn)行費(fèi)為39 685元/a,空氣源熱泵為47 072元/a。

因此,經(jīng)計(jì)算相對于燃?xì)忮仩t投資回收期為4 a。ELTD投資和運(yùn)行均低于空氣源熱泵,即全面優(yōu)于該方案。

(18)

式中:Ce為年耗電費(fèi),元/a;Cp為機(jī)組折舊費(fèi),元/a;Ch為熱泵取熱費(fèi),元/a;A為供熱面積,m2;t為運(yùn)行時(shí)長,h。

假定機(jī)組成本為27萬元,供熱熱指標(biāo)為45 W/m2,余熱取熱費(fèi)為24.5元/GJ,則單位GJ的供熱成本為10.8元/m2。

4.2 考慮未來大規(guī)模推廣后條件計(jì)算

若所有換熱站均采用ELTD,回水溫度低于凝汽器溫度,則取熱為電廠廢熱,取熱價(jià)格一般為5 元/GJ,則全年取熱費(fèi)為2 326元/a,此時(shí)相對燃?xì)忮仩t供熱方式的投資回收期為2.6 a,相應(yīng)的單位面積供熱成本為9.8元/m2。

5 結(jié)論

本文介紹了電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組的應(yīng)用背景,指出其將成為未來零碳供熱的核心設(shè)備。并以示范工程為依托,驗(yàn)證了電動(dòng)壓縮式大溫差機(jī)組的運(yùn)行效果及可靠性。

1)通過一個(gè)供熱季的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,找到機(jī)組運(yùn)行性能規(guī)律,指出其區(qū)別于傳統(tǒng)水源熱泵的主要特征,可以為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

2)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量,熱泵機(jī)組部分年平均運(yùn)行COP可達(dá)8.3,遠(yuǎn)高于常規(guī)水源熱泵[20]。

3)通過示范工程的經(jīng)濟(jì)性分析,發(fā)現(xiàn)即使熱泵取熱不按照工業(yè)廢熱的熱價(jià)計(jì)算,其相對于燃?xì)忮仩t的投資回收期仍低于4 a,單位面積供熱成本為10.8元/m2,經(jīng)濟(jì)性全面優(yōu)于空氣源熱泵。若考慮未來大規(guī)模推廣后,大量吸納電廠余熱,取熱價(jià)降低,投資回收期僅為2.6 a,單位面積供熱成本為9.8元/m2。