許次東 廖代華 文興 遠(yuǎn)大能源利用管理有限公司

1 項(xiàng)目概況

某公共建筑建筑面積約3.68 萬(wàn)m2，其中辦公建筑面積約1.82 萬(wàn)m2、住宅建筑面積約1.86 萬(wàn)m2。中央空調(diào)系統(tǒng)供冷采用1 臺(tái)1122kW 螺桿式冷水機(jī)組與1 臺(tái)1920kW 螺桿式冷水機(jī)組，中央空調(diào)系統(tǒng)采暖與衛(wèi)生熱水系統(tǒng)采用2 臺(tái)1750kW 燃?xì)忮仩t。

2 存在問(wèn)題

本項(xiàng)目燃?xì)忮仩t效率衰減較大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)2 臺(tái)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(shí)，無(wú)法同時(shí)保障中央空調(diào)采暖與衛(wèi)生熱水的需求。且現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)忮仩t同時(shí)運(yùn)行衛(wèi)熱和采暖模式時(shí)，無(wú)法供應(yīng)不同水溫，鍋爐熱效率較低。

3 改造措施

本項(xiàng)目增加1 臺(tái)遠(yuǎn)大單熱型直燃機(jī)（制熱量為2791kW）替換現(xiàn)場(chǎng)1 臺(tái)燃?xì)忮仩t滿(mǎn)足采暖季衛(wèi)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(shí)配置1臺(tái)遠(yuǎn)大磁懸浮熱泵主機(jī)（制冷量：341kW、制熱量450kW）進(jìn)行冷凝熱回收，制冷的同時(shí)供應(yīng)衛(wèi)生熱水。設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1

3.1 技術(shù)原理

磁懸浮熱泵是一種采用磁懸浮壓縮機(jī)技術(shù)的低溫廢熱回收設(shè)備，與傳統(tǒng)的供熱形式（如燃?xì)猓┫啾染哂兄茻嵝矢?、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于水源熱泵和地源熱泵系統(tǒng)及其它低溫廢熱回收系統(tǒng)中。中央空調(diào)制冷時(shí)，磁懸浮壓縮機(jī)運(yùn)行，低溫低壓制冷劑氣體被壓縮為高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，使冷凝器換熱管內(nèi)的低溫水升溫；冷凝后的制冷劑液體經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓為低溫低壓液體進(jìn)入低壓蒸發(fā)器，驟然蒸發(fā)，吸收換熱管內(nèi)空調(diào)冷水的熱量，使冷水從12℃降溫至7℃，向中央空調(diào)用戶(hù)輸送冷水，制冷劑液體氣化為氣體，再次被壓縮機(jī)吸入。

當(dāng)中央空調(diào)系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí)，本項(xiàng)目采用磁懸浮熱泵通過(guò)蒸發(fā)器吸收中央空調(diào)用戶(hù)側(cè)的熱量，再通過(guò)冷凝器將熱泵主機(jī)吸收的熱量排放至衛(wèi)生熱水，使衛(wèi)生熱水升溫至目標(biāo)溫度。在此過(guò)程中，給中央空調(diào)供冷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“免費(fèi)”供應(yīng)衛(wèi)生熱水熱量。當(dāng)中央空調(diào)系統(tǒng)供暖運(yùn)行時(shí)，通過(guò)將蒸發(fā)器與單熱型直燃機(jī)煙氣板交連通，回收煙氣余熱制取衛(wèi)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(fā)器連接中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍水管道、用于供冷，冷凝器連接衛(wèi)生熱水管道、用于供應(yīng)衛(wèi)生熱水?？紤]衛(wèi)生熱水供水穩(wěn)定性和舒適性，設(shè)置一個(gè)熱水箱用于供水（水箱要求：水箱有效容積宜大于最大小時(shí)熱水用量，以避免主機(jī)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(jī)組啟動(dòng)時(shí)，蒸發(fā)器側(cè)用于中央空調(diào)系統(tǒng)供冷，冷凝器側(cè)與熱水箱間進(jìn)行循環(huán)，通過(guò)磁懸浮熱泵主機(jī)將回收的中央空調(diào)用戶(hù)側(cè)的冷凝熱轉(zhuǎn)移至衛(wèi)生熱水。運(yùn)行原理如圖1。

圖1 熱泵運(yùn)行原理圖（制冷季工況）

同時(shí)為提高磁懸浮熱泵的利用率，將蒸發(fā)器側(cè)的管道同時(shí)接通至單熱型直燃機(jī)煙囪上的煙氣板交，冬季采暖時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V1V2、開(kāi)啟閥門(mén)V3V4，熱泵主機(jī)蒸發(fā)器側(cè)通過(guò)回收煙氣余熱熱量，蒸發(fā)器側(cè)供回水溫度為20℃/25℃，由冷凝器將衛(wèi)生熱水加熱至50℃。運(yùn)行原理如圖2。

圖2 熱泵運(yùn)行原理圖（采暖季工況）

磁懸浮熱泵主機(jī)通過(guò)追蹤水箱內(nèi)衛(wèi)生熱水溫度控制主機(jī)的啟停，當(dāng)感應(yīng)水箱內(nèi)衛(wèi)生熱水溫度低于45℃時(shí)，磁懸浮熱泵主機(jī)啟用，開(kāi)始加熱衛(wèi)生熱水；當(dāng)感應(yīng)水箱內(nèi)衛(wèi)生熱水溫度升至50℃時(shí)，磁懸浮熱泵主機(jī)停機(jī)。運(yùn)行過(guò)程中，由主機(jī)自身的控制系統(tǒng)通過(guò)跟蹤衛(wèi)生熱水負(fù)荷、空調(diào)冷負(fù)荷（或煙氣余熱回收量）綜合評(píng)估以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷加載、減載。

3.3 運(yùn)行情況分析

3.3.1 制冷季（5～10 月）運(yùn)行情況分析

根據(jù)整理本項(xiàng)目的運(yùn)行記錄，分析制冷季（5～10月）主機(jī)低溫水、中溫水及COP運(yùn)行規(guī)律如圖3～5。

根據(jù)對(duì)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的分析，制冷季磁懸浮熱泵主機(jī)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(jī)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(jī)低溫水側(cè)為中央空調(diào)系統(tǒng)供應(yīng)冷源，因不同時(shí)間室外氣溫不同、制冷負(fù)荷需求不同，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷凍供水、回水溫度會(huì)有差異，導(dǎo)致主機(jī)低溫水入口溫度、出口溫度會(huì)根據(jù)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的溫度變化而變化。

②主機(jī)中溫水側(cè)用于供應(yīng)衛(wèi)生熱水，水箱恒定溫度設(shè)置為45℃，故中溫水側(cè)溫度基本保持穩(wěn)定。因低溫水側(cè)與中溫水側(cè)能量守恒，主機(jī)的運(yùn)行及制冷/制熱量同時(shí)受中央空調(diào)制冷量與衛(wèi)生熱水需求的影響，故中溫水入口溫度會(huì)有小范圍的波動(dòng)。另現(xiàn)場(chǎng)為閉式儲(chǔ)水箱、容積僅15m3（偏?。?，故熱水需求較大時(shí)，會(huì)有少部分時(shí)段水箱內(nèi)溫度低于40℃。因制冷季氣溫較高，衛(wèi)生熱水溫度要求可適當(dāng)降低，故制冷季依靠熱泵主機(jī)可滿(mǎn)足本項(xiàng)目全部熱水需求。

③根據(jù)熱力學(xué)第一定律—能量守恒定律，主機(jī)低溫水側(cè)與中溫水側(cè)能量需保持恒定，中溫水側(cè)能量=低溫水側(cè)能量+輸入電能，故主機(jī)制熱COP大于制冷COP。因制冷季同時(shí)具備冷熱需求，主機(jī)低溫水側(cè)與中溫水側(cè)均為有效做功，故主機(jī)綜合COP為制冷COP與制熱COP之和。

④根據(jù)低溫水、中溫水與COP波動(dòng)曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，中溫水入口溫度升高，主機(jī)制冷COP降低，反之COP升高；低溫水入口溫度升高，主機(jī)制熱COP升高，反之COP降低。

3.3.2 采暖季（1～4 月、11～12 月）運(yùn)行情況分析（圖6～8）

根據(jù)對(duì)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的分析，采暖季磁懸浮熱泵主機(jī)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(jī)制熱COP維持在3～5。分析原因主要有：

①采暖季主機(jī)低溫側(cè)熱源來(lái)源于單熱型直燃機(jī)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(jī)燃燒量，故低溫水側(cè)溫度波動(dòng)區(qū)間較大。熱泵主機(jī)設(shè)置防凍保護(hù)溫度為5℃，故低溫水側(cè)出口溫度最低為5℃。

②因用戶(hù)側(cè)熱水舒適度要求，中溫水側(cè)溫度基本保持恒定。因冬季熱水需求量大、水溫要求相對(duì)制冷季高，采暖季優(yōu)先開(kāi)啟熱泵主機(jī)制取熱水，當(dāng)水箱溫度接近40℃或熱水需求高峰時(shí)段，需開(kāi)啟單熱型直燃機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充。

③采暖季僅有制熱需求，低溫水側(cè)制冷僅能回收煙氣余熱，僅中溫水側(cè)為有效做功，故主機(jī)有效COP即為制熱COP。但因低溫水側(cè)水溫高于制冷季時(shí)的溫度，采暖季熱泵主機(jī)制熱COP高于制冷季時(shí)制熱COP。根據(jù)低溫水與COP波動(dòng)曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，低溫水入口溫度升高，主機(jī)制熱COP升高，反之COP降低。

④主機(jī)低溫側(cè)通過(guò)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(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益分析

本項(xiàng)目原中央空調(diào)系統(tǒng)與衛(wèi)生熱水能耗為：年用電量70 萬(wàn)kWh、年燃?xì)庥昧?5.8 萬(wàn)m3，總能源成本約為199.7萬(wàn)元（電價(jià)0.71 元/kWh、氣價(jià)3.275 元/m3）。本項(xiàng)目采用磁懸浮熱泵進(jìn)行改造后，中央空調(diào)系統(tǒng)與衛(wèi)生熱水能耗為：年用電量70.2 萬(wàn)kWh、年燃?xì)庥昧?2.2 萬(wàn)m3，總能源成本約為155.3萬(wàn)元。減少燃?xì)夂牧?3.6 萬(wàn)m3、增加耗電量0.2 萬(wàn)kWh，全年節(jié)約能耗費(fèi)用約44.4萬(wàn)元，節(jié)約能耗折合標(biāo)煤量約164.9tce。

4 結(jié)語(yǔ)

磁懸浮熱泵以電力為驅(qū)動(dòng)能源，在中央空調(diào)供冷的同時(shí)免費(fèi)供應(yīng)“衛(wèi)生熱水”，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

采用磁懸浮熱泵技術(shù)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(shí)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(chǎn)生。

采用磁懸浮熱泵，制冷、制熱效率更高。同時(shí)磁懸浮熱泵壓縮機(jī)無(wú)需使用潤(rùn)滑油，主機(jī)冷量無(wú)衰減，有效降低了維護(hù)成本。

通過(guò)對(duì)衛(wèi)生熱水系統(tǒng)與中央空調(diào)制冷系統(tǒng)、煙氣余熱回收量進(jìn)行負(fù)荷分析，對(duì)磁懸浮熱泵進(jìn)行匹配選型，結(jié)合衛(wèi)生熱水系統(tǒng)與主機(jī)的自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮熱泵的高效利用。

系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，熱泵技術(shù)成熟可靠。技術(shù)實(shí)施條件要求低，適用于在具備中央空調(diào)冷熱需求及穩(wěn)定衛(wèi)生熱水需求的項(xiàng)目中廣泛推廣。