1、第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023文章编号:0253-4339(2023)05-0001-10doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2023.05.001电动压缩式大温差机组设计实测与分析苗 青1 李敏霞1 马一太1 党超镔2 王启帆1 张世钢3(1 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室 天津 300072;2 福井大学 福井 910-8507;3 北京清建能源技术有限公司 北京 100084)摘 要 本文提出利用电动压缩式大温差供热机组与大温差长距离供热技术相结合的“零碳供热
2、”模式,其适应了电网与热网的运行特性,将两者有机的结合,实现了以“绿色电力”为主的供电模式和以零碳的工业余热为主的供热模式,因此成为“热电协同”的关键设备。经过本文论证,其经济性可以达到热电联产相当的水平,可以大幅降低长输网回水温度从而增加热网的输送能力;而且其回水温度可以很低,结构紧凑,工况限制和空间限制更少。为验证该技术路线的可行性,本文对实际应用于运城市的0.5 MW 机组在 20202022 年度两个供热季的运行性能进行了实测与分析。测试结果表明:机组在 0100%运行负荷范围内均能稳定高效运行;仅计算电动压缩式热泵部分的性能时,最小供热 COP 为 6.5,最高供热 COP 为 13
3、.1,全年运行平均供热 COP为 8.3。热网一次网回水温度最低可以降至比二次网回水温度低 33 K,最低回水温度可达 15;相对燃气锅炉投资回收期为4 年。关键词 零碳供热;热电协同;电动压缩式热泵;大温差长距离输送供热;COP中图分类号:TB652;TU995文献标识码:ADesign Measurement and Analysis of Vapor Compression Heat Pump with Large Temperature DifferenceMiao Qing1 Li Minxia1 Ma Yitai1 Dang Chaobin2 Wang Qifan1 Zhang S
4、higang3(1.Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy,MOE,Thermal Energy Research Insti-tute,Tianjin University,Tianjin,300072,China;2.University of Fukui,Fukui,910-8507,Japan;3.Beijing Qingjian Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing,100084,China)Abstract This paper proposes a
5、 zero-carbon heating model that uses the technology of an electric-driven vapor compression heat pump unit with a large temperature difference that can be used for long-distance delivery of heating.The model adapts to the operational characteristics of the power grid and the heating network,which fa
6、cilitates power supply using green electricity and heat supply mainly with zero-carbon industrial waste heat.Hence,it is the key equipment that features the synergy of heat and power.The studied system was equally cost-effective to the conventional cogeneration system since it can significantly redu
7、ce the backwater temperature of the long-distance transmission network and increase the transmission capacity of the heat network;the return water temperature can be very low.The model has a compact structure;therefore,it can adapt to complex working conditions and land requirements.To verify the fe
8、asibility of this technical approach,the operating performance of 0.5 MW units used in Yuncheng in two heating seasons from 2020-2022 was measured and analyzed.The test results showed that the unit can operate stably and efficiently within a range of 0-100%operating load.When only the performance of
9、 the electric-driven vapor compression heat pump was calculated,the minimum and maximum heating COP were 6.5 and 13.1,respectively,while the annual average heating COP was 8.3.The minimum return water temperature of the primary network can be 33 K lower than that of the secondary network,reaching 15
10、.When compared with gas-boilers as the baseline,the payback period was four years.Keywords zero-carbon heating;synergy of heat and power;electric-driven vapor compression heat pump;long-distance heating with large temperature difference;COP基金项目:国家自然科学基金(51876135)资助项目。(The project was supported by th
11、e National Natural Science Foundation of China(No.51876135).)收稿日期:2022-05-29;修回日期:2022-11-12 清华建筑节能研究中心公布的白皮书指出:2017年中国建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放为1第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,202321.3 亿 t CO2。其中由于电力消耗带来的碳排放为 9亿 t,占建筑运行相关碳排放总量的 43%。其次,由于北方集中供暖的热力消耗带来的碳排放占 22%,直接燃煤导
12、致的碳排放占 20%1。由此可知,建筑能源的大多数碳排放是由燃煤和发电带来的。随着双碳目标的提出2,我国面临严峻的减碳压力,江亿院士等认为要实现双碳目标,供热行业的目标应该是实现零碳供热3。本文认为要实现零碳供热核心要点是要充分利用供热需求的特点,即能源品位要求低,全天时间范围内负荷变化周期与电网趋势相反。尽可能的利用低品位的余热资源,以其为供热主体;以绿色电力为辅助能源;结合蓄放热储能技术的“零碳”供热模式,将是未来供热行业的主要技术路线。付林等4提出的大温差长输供热技术,是供热行业的一次革命。该技术充分利用了廉价的零碳余热资源,达到了长距离调配余热的目的。不但节能环保还具有很好的经济性,现
13、在正在全国范围内大力推广5-6。在该技术的逐步实施过程中,一些局限性不断反馈,如换热站改造难度或推进力度不一造成改造完成度低于预期,项目收益性打了折扣7。针对上述问题,2020 年付林教授在第一代大温差基础上,提出了清洁供热 2025 的供热模式。该模式引进了蓄热和热电协同的思想,充分利用热网为电网调峰,吸纳绿色电力上网,帮助电力系统减碳。在该模式中电动压缩式大温差机组的作用重大8,其作为热电协同和长输供热的纽带,是关键设备。传统的电动压缩式空调、热泵最开始普遍应用于制冷领域,但随着节能环保要求的增高,逐渐有学者开始研究利用低温余热的热泵技术9,如空气源热泵10、地 源 热 泵11、污 水 源
14、 热 泵12、干 燥 用 热泵13-14及太阳能联合使用的水源热泵15等。利用水源热泵直接把低品位工业余热应用于供热领域的研究也较多16。但将电动压缩式热泵与大温差长输供热的研究工作方兴未艾17-18。该应用的难点在于如何将电动压缩式热泵的特性与长输大温差的应用相匹配,并开发出适用于该场景的电动压缩式大温差专用机组。该机组应用的特点是取热温差大、对 COP 性能要求高、工况波动大不稳定等。针对上述特点,本文提出一种电动压缩式大温差机组的概念,并将其与大温差长输供热技术相合从而实现“零碳供热”的系统。该系统实现了以“绿色电力”为主的供电模式和以零碳的工业余热为主的供热模式,系统如图 1所示。图
15、1 利用余热与绿色电力实现零碳供热系统Fig.1 Zero-carbon heating system using waste heat and green electricity该模式的基本思路是将电动压缩式热泵与大温差长输供热相结合。以工业余热为基础热源,以绿色电力为调峰驱动力提升工业余热品位后用于供热。系统流程如下:首先,利用热源首站的大温差热泵技术,将低品位工业废热提升为高温热源;然后,将其远距离运输至末端换热站;最后,利用绿色电力驱动的电压缩大温差热泵机组(electric large tempera-ture difference unit,ELTD),充分利用末端换热站的一次网回
16、水中的热源,将其深度降温后送回热源首站,使其能直接通过换热即可回收低品位的工业余热。即通过 ELTD 增加供回水和回热源之间的温差。ELTD 与吸收式大温差机组功能相同,通过利用长输网供水的做功能力在一定程度上降低了长输网回水温度。仅从经济性上考虑这种零能耗的设计无疑是优先考虑技术路线。但从碳排放的角度重新评估,ELTD 仍具有技术优势:1)回水温度可以降得很低,理论上可达到 10 以内。这就可以在相同直径的供热管道内传输更多的热量。大幅降低了长距离输电网的供热成本,与吸收式大温差机组联合使用效果更佳。2)更低的回水温度有利于低品位余热源(工业余热通常在 2030)的直接利用,通过简单的直接换
17、热即可收集分散的工业余热资源,有利于增加零碳能源供热的比例。3)在电力低谷期时期,开动 ELTD 供热,大量消纳绿色电力,保证电网负荷稳定,避免弃风弃水造成的浪费,将其变废为宝有助于电力系统实现减碳的目标。同时也是一种零成本的电力调峰工具,充分低廉的绿色电力也提升了“零碳供热”模式的经济性。由此可知,ELTD 作为连接电网和热网的桥梁,是“热电协同”的纽带,有望成为未来零碳供热的核2第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023心设备。本文将从 ELTD 的理论可行性,其应用场景与普通热泵的异同点,以及由此产生的机
18、组设计特点进行论证,并据此设计进行了实验测试及验证。1 机组介绍1.1 电动压缩式大温差机组原理 本文提出的 ELTD 与吸收式大温差机组类似4,均由热泵和换热器结合组成,系统如图 2 所示。图 2 电动压缩式大温差机组系统流程图Fig.2 Flow chart of electric compression large temperature difference unit system与传统水源热泵不同的是该机组单侧的温升温降一般较大,蒸发温度高,且工况不稳定,需要实时调整。普通的热泵无法适应如此大幅的工况波动,性能和可靠性无法满足需求。ELTD 采用多级串联顺流的系统流程设计,可以兼顾任
19、何使用场景下的工况。以兼顾全年各种使用场景下的工况,如适应环境温度波动引起的剧烈的工况差异,响应实时的变负荷、变流量需求等。1.2 系统经济性指标 目前的热电联产供热模式是公认的经济性最佳的方案,为了说明“零碳供热”模式的经济性,本文将其与抽气热电联产供热模式(图 3)为参照,采用增量法计算其静态投资回收期,作为系统经济性的指标。在热电联产系统中,供出的热量牺牲了发电能力为代价。假定抽气参数为 272 /0.4 MPa,焓值为3 005 kJ/kg,一网供水、回水温度分别为 120、50。根据静态投资回收期的定义,其数值为新增的投资与年收益的比值,则:Pt=IpCH-Ce(1)图 3 抽气供热
20、热电联产供热系统Fig.3 A heating system for heat and power cogeneration by steamextraction式中:Pt 为静态投资回收期,a;Ip为电动压缩式大温差机组投资,元;CH为采用热电联产时消耗的等效电,元;Ce为电动压缩式大温差机组耗电,元。Ce=WPe2(2)CH=WehPe1(3)式中:Pe1、Pe2分别为电厂上网电价和用户侧消费电价,元/(kW h);W、Weh分别为 ELTD 功耗及相应热电联产时的等效电功耗,kW;为年运行时长,h。假定机组全年运行时长=120240.7 h,投资费通常与机组制冷量成正比。Ip=QPp(4
21、)式中:Pp为机组成本及安装费,一般在 0.51 元/W之间;Q 为电动压缩式大温差机组制冷量,W;COP 为机组运行全年平均供热 COP,则:Q=W(COP-1)(5)假设由 Q 引起的一次管网回水的下降温度为dT,一次管网质量流量为 m(kg/s),则:Q=cpmdT(6)式中:cp为水的比定压热容,kJ/(kg);m 为循环水的流量,kg/s;dT 为一次网供回水温差,。热电联产提供同等于电动压缩式热泵的制热量时,由于抽气供热而损失的发电量称为其等效电功率,计算式为:Weh=fh(Q)=kQ(7)式中:k 为等效电与供热量的比值。假定汽轮机发电为等熵过程,则汽轮机发电乏汽焓值则为损失的发
22、电焓差:he=hex-hout=3 000-2 400=600 kJ/kg(8)k=hehex-h0=6003 000-164=0.21(9)式中:he为汽轮机损失发电焓差,kJ/kg;hex为汽轮机抽气焓值,kJ/kg;hout为汽轮机出口焓值,kJ/kg;h0为冷凝水焓值,kJ/kg。将式(9)代入式(10):3第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023a=Qe2PpWehPe1-We2Pe2=PpkPe1-1COPPe2(10)若假定 Pe1、Pe2同为 Pe,则:a=PpPe
23、1k-1/COP(11)对于同一个项目,Pp、Pe、k 均为常数,且一般变化较小,因此决定项目经济性的唯一变量即热泵的全年平均供热 COP。假设 Pp=1 000 元/kW,Pe=0.55 元/(kW h),供热时长为 120 d,为了保证投资回收期在 10 a 以内,经过计算可知 COP6.8。换言之,不考虑长输管网输送和碳排放费用的前提下,若要达到抽气供热相当的经济性,需要 COP6.8。若要准确评估项目的经济性,必须准确的得到COP。因此,本文专门制造了电动压缩式大温差机组样机,并进行了实验测试与工程示范项目。2 示范工程及样机设计 为准确评估机组的可行性,需要针对供热工程专门设计制造一
24、个机组进行实验和工程验证。2.1 现场概况 工程验证的地点选择山西省某市,该市位于山西 省西部,采暖季从 11 月 15 日开始,截至次年 3 月 15日,共计 120 d。由于该市供热面积增长迅速,在严寒期(全年环境温度最低时期)内供热能力不足,无法满足用户的热需求。在严寒期一次网供热参数为96 /64,二次网供热参数为 55 /45,根据实用供热空调设计手册可以得到该市采暖季室外计算温度为-4.5 19,设计热指标为 45 W/m2。2.2 原有系统参数 根据当地热力公司提供的数据,将该测试热力站的一、二次网的温度、流量等重要参数整理后,汇总于表 1 中,由于该热力站内在二次网侧无流量监测
25、数据,因此根据极寒期内一次网侧的流量、温度和热平衡的原理,计算得到了极寒期内二次网的流量。站内原有极寒期的基本情况及各点的状态参数如表 1所示。在热力站内加入 ELTD,利用电能将低品位一次网回水中的热量提取至二次网中进行供热。新增设的 ELTD 管网连接方式如下:一次网与其他各区供热系统并联,二次网与某小区的二次网进行并联。该设计的目的是在不增加一次网流量的前提下验证某小区的供热能力提升情况。通过实测值进行计算发现,机组并入某小区后供热能力可以提升约 30%。需要说明的是,由于机组在增加供热能力的同时兼顾了实验工程验证的需求。所以在系统设计方面 表 1 该市某换热站极寒期站内参数Tab.1
26、Internal parameters of a heat exchange station in the city during extreme cold period供热区一网参数二网参数面积/流量/供水温回水温 供水压力/回水压力/流量/供水温回水温 供水压力/回水压力/m2(t/h)度/度/MPaMPa(t/h)度/度/MPaMPa火车站6 88710.9996640.740.7370.354.349.30.420.28某居民区38 86246.696640.740.7322955.749.40.740.40某小区37 7823896640.740.7317145.438.30.580
27、.40做出了适当的让步。一次网回水和二次网供水存在一定的混水损失。若采用两级多机并联效果会更佳。供热系统管路流程图如图 4 所示。2.3 电动压缩式大温差机组设计及实验2.3.1 机组设计参数 设计工况:一次侧供回水温度为 70 /15,一网水流量为 6.4 t/h,二次侧供回水温度为 52 /45,二网水流量为 29.0 t/h。2.3.2 机组流程设计 机组采用五级串联的布置方式,各级热泵均经过专门的优化设计。其中的电动压缩式热泵结构如图5 所示。2.3.3 机组实验台测试结果 制作的样机首先要经过性能测试实验台的验证。测试方法:保持一、二次网水流量不变,一次网进入热泵的温度是经过板式换热
28、器换热后被动形成的,一般可以假定换热器端差固定不变,即一次网入水温度可以由二次网回水温度加上固定端差 dT 得到。对于热泵,只有两个自由变量,即二次网回水进入热泵的温度和一次网热泵出水温度。通过合肥通用机械研究院认证的标准实验台测试结果如图 6 所示。图中横坐标为一次网热泵出水温度,纵坐标为二次网回水进入热泵的温度。由图6 可知,热泵COPh呈4第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023图 4 该市某换热站站内系统流程图Fig.4 Internal system diagram of a heat exchan
29、ge station in the city图 5 ELTD 结构Fig.5 ELTD structure图 6 热泵性能与一二次网参数关系Fig.6 Relationship of heat pump performance and primary and secondary network parameters现从左上至右下逐渐升高的趋势,所示区域内几乎全部 COPh均大于 7,若该热泵应用于这些工况领域,其经济性均优于抽气供热的热电联产直接供热的经济性。3 工程验证结果 机组于 2021 年 2 月施工完成并进行了运行调试工作,经过两个供热季的试运行,机组运行平稳可靠,功能正常,性能达到
30、设计目标,具体测试方法和结果如下。3.1 测量方法 在一二次网水路板式换热器和各级水路上均布置了温度传感器,用于测量各设备的进出水温度,传感器类型为 Pt100,精度为(0.15+0.002|T|)。热泵一二次网水路安装有热表,用于测量水流量及计算热量值,精度为0.25%。板式换热器二次网侧单独安装流量计,用于测量板式换热器二次侧流量,精度为0.25%。同时,各接口处还安装了压力表用于测量各水路上压降,测量精度为0.01 MPa。3.2 机组一次网降温能力 一网水在机组经过板式换热器降温取热后进入热泵。通常换热量在设计范围内时板式换热器下端差变化较大,因此一次网水经过板式换热器后的温度由二次网
31、回水温度决定。因此部分温降主要受供热负荷的影响,其中一次网供水温度波动范围较大,是影响该温降的主要因素。取严寒期时的设计温降为板式换热器的降温能力,经过测定该温降下的负荷为 319 kW。进入热泵的一次网水进一步降温至一次回水温度,将其定义为热泵的降温能力。取严寒期时的设计温降为板式换热器的降温能力,经过测定为 33 K。该降温幅度远大于常规热泵的降温能力。图 8 所示为机组运行一段时间内机组的供热功5第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023图 7 各级热泵一次网水温降运行曲线Fi
32、g.7 Primary network water temperature drop curve in all stages of heat pump图 8 ELTD 各部分供热功率运行曲线Fig.8 ELTD heating power running curve of each part率变化曲线,可以看出机组供热能力受热网工况变化因素的影响较小。3.3 设计工况性能 常规水源热泵的供热 COP 指供热量与耗电量的比值。本文沿用了该定义,将多级热泵看作一个整体,热泵总供热量为各级热泵供热量之和,热泵总功耗为各级热泵功耗之和,热泵总供热 COP 为上述两值之比。COPp=Ni=1QhiNi=
33、1Wi(12)式中:Qhi为各级热泵供热量,kW;Wi为各级热泵耗功,kW。若将热泵和板式换热器组成的机组作为一个整体,则机组总 COPtot:COPtot=Ni=1Qhi+QbNi=1Wi(13)式中:Qb为板式换热器供热量,kW。热泵部分的性能指标 COPp影响因素较多,计算方法复杂,本文将其作为主要研究内容,以下性能指标未经说明均为热泵 COP。虽然 COPtot才是代表机组的性能指标,但由于板式换热器供热量容易计算评估,可以简便的通过计算得到,本文不做进一步研究。整个供热季气温最低时,为 2021 年 12 月 26 日,取该日代表严寒期工况。一次网水流量为 6.5 T/h,二次网流量
34、为 16.6 T/h,一次网进水、出水温度分别为 45.6、16.6。性能测量结果如表 2 所示。表 2 严寒期机组实测性能数据Tab.2 Measured performance data of unit in extreme cold period热泵各级热泵制冷量/kW各级热泵电功率/kW各级供热COP前 N 级热泵综合 COP1 级热泵54.64.114.314.32 级热泵46.36.48.210.63 级热泵44.08.06.58.84 级热泵41.79.65.37.65 级热泵33.412.13.86.5 由于机组采用了一二次网水顺序依次流过各级的设计。因此越靠前的级,蒸发温度越
35、高,冷凝温度越低,前面的级卡诺效率高于后面的级。顺流设计在可靠性、性能及成本上均具有较为显著的优势,且理论上和逆流效率相同。但随着分级数的增加经济性反而会下降,因此理论上存在最佳的分级数。3.4 变工况特性 满负荷条件下,COPp并非一成不变,会受到运行工况的影响。对于电动压缩式大温差热泵,一二次网流量理想情况下是不发生变化的。一次网热泵入口温度取决于二次网回水温度和板式换热器端差,通常情况下后者几乎不变。因此可以认为 Tp1由 T02被动形成。Tp1=T02+T0(14)式中:Tp1为次网热泵进水温度,;T02为二次网热泵进水温度,;T0为换热器端差,;而一次、二次网出水温度则与机组性能相互
36、耦合被动形成。因此,此时热泵仅存在唯一的可变参数T02。整理 12 月 2629 日的运行数据,发现热泵性能与二次网回水温度的关系如图 9 所示。供热量与 T02的关系如图 9(a)所示,供热 COP 与 T02的关系如图 96第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023(b)所示。图 9 二次网回水温度对于机组取热能力及供热 COP 的影响Fig.9 Effect of backwater temperature of secondary network on heat extraction capacity
37、and heating COP of the unit由图 9 可知,二次网回水温度的变化对于机组的供热能力和 COP 会产生影响,供水温度增大时,机组取热能力增加,原因是二次网回水温度升高后,引起各级热泵蒸发温度上升,而热泵制冷剂性质是温度越高密度越大,压缩机的体积流量保持不变,制冷剂质量流量增大,制冷量相应增加。但由于二次网回水温度增大后,冷凝温度也相应提高,机组功耗增大,机组 COP 整体仍呈略下降趋势。3.5 变负荷特性 区别于实验测试方法,实际供热场景下,机组需要根据供热需求不停调整负荷,这要求机组满足部分负荷条件下运行。由于热泵部分采用了多级串联顺流的连接方式,后续热泵的开停对于前
38、序热泵无任何影响,因此本文可以通过简单的数据处理得到前 n 级运行时的性能。例如,若要知道前 3 级的 COPp,只需将前 3 级的供热量求和,除以前 3 级的功耗求和即可,而无需真正把第 4、5 级机组关停。设计时每级的制冷量相当,因此,通过开停机可以实现热泵从 0 100%的间断式变负荷能力,即20%、40%、60%、80%、100%。仍然取 2021 年 12 月 2629 日的数据作为严寒期代表工况,则不同负荷情况下的性能如图 10 所示。图 10 变负荷性能曲线Fig.10 Variable load performance curve由图 10 可知,机组负荷越大机组整体性能越低。
39、这是由于负荷增大时一次网回水温度下降,蒸发冷凝侧的温差增大,根据卡诺定理机组的 COP 变小。通过实验分析发现性能与制冷量的关系近似成对数函数关系:COPp=-5.52lnQ+36.15(15)出现制冷量越大 COP 越低的原因是,对同一台机组而言蒸发和冷凝侧的水流量通常保持不变。制冷量越大意味着一次网出水温度越低,机组的蒸发冷凝温差越大,由卡诺定理可知机组理论效率会下降。因此,在工程应用中需要首先确定项目可以接受的最低回水温度,因为不同的项目由于边界条件千差万别,适应的回水温度也差异较大,然后根据此回水温度确定分级数和每级热泵的制冷量。需要指出的是每个项目均存在最佳的分级数和每级热泵的制冷量
40、,该最佳分级数的讨论有待后续进一步研究。3.6 变流量特性 虽然为了稳定一次网水流量,本机组增设了一次网变频水泵,但实际运行中由于一次管网的供回水压差随着供热负荷变化非常大。初末寒期供热需求减小时,各换热站纷纷减小供热流量,会造成管网供回水压差增大,引起机组供水流量的被动增加。2022 年 2 月 1722 日的昼夜气温变化剧烈,通过分析该时段 COPp与流量的关系,得到图 11。由图 11 可知,一次网流量的波动对于机组整体性能影响较大。这是因为一次网流量增加后,各级热泵蒸发温度上升,制冷剂吸气比容减小,制冷量流量7第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal
41、of RefrigerationVol.44,No.5October,2023图 11 一次流量变化对热泵供热 COP 的影响Fig.11 Influence of primary flow change on COP of heat pump heating略增加,同时蒸发冷凝温差下降,根据卡诺定理功耗减小。因此,各级制冷 COP 均会增加,热泵整体性能随一次网流量呈上升趋势。3.7 全年工况特性 实际全年运行时,上述各种情况均会出现,因此全年运行时的实际 COPaP难以通过直接计算得到。最佳方法是按照项目真实需求实际运行一年,对全年运行供热量和能耗取平均值。然而,该方式也存在一定局限性。首
42、先,不同项目情况差异性很大,无法由某一个项目所代表,因此不具备通用参考性。此外,若按照该方式运行一年,热泵运行时间尤其是满负荷运行时长非常有限,无法验证机组的长期运行可靠性。考虑到上述两个因素,本文采用另一种方式,即全年满负荷运行,获得整个供热季的运行数据。在计算全年综合 COP 时,仅需将不需要运行的热泵数据删除,因为后续热泵的运行不影响前序热泵的结果,与实际关闭热泵的效果相同,因此可以达到虚拟关闭的效果。统计需要运行的热泵数据即可计算得到该项目全年的综合 COP。查询当地天气记录,根据气温进行排序,气温最低时满负荷运转,随着气温升高所需运行负荷减小,根据该负荷需求可以计算得到需要运行的机组
43、,全年运行负荷如图 12 所示。由图 12 可知,热泵实际需要运行 46 d,热泵供热量在 50255 kW 范围内调节。热泵供热 COP 最小为 6.5,最大为 13.1,供热季平均 COP 为 8.3。由此可知,该场景下电动压缩式热泵起到调峰热源的作用,实际运行时长较小,COP 较高,因此耗电量有限。3.8 运行稳定性 供热工况实时变化,尤其昼夜负荷变化大,在如此不稳定的工况下运行,对热泵的控制调节能力、系图 12 按照项目实际需求全年运行负荷Fig.12 Annual operation load according to actual project requirements统的设计及
44、保护措施要求很高。为了验证机组的频繁加减载能力,本文增加了实验难度,人为干预的频繁加减载实验结果如图 13 所示。可以发现,机组在几个小时内频繁的调整负荷,但机组应对自如,各热泵之间无冲击和干涉情况发生,各级压缩机无明显的输入功率波动,甚至性能和内效率均维持在较高水平。图 13 机组加减载实验结果Fig.13 Experimental results of loading and unloading of unit4 经济性分析4.1 按照换热站现况条件计算 通常项目经济性的常用指标之一是静态投资回收期,本文采用该指标对产品进行评估。静态投资回收期的计算式如下:ag=IB=Ig-IeCg-Ce
45、-Ch(16)式中:I 为机组投资,元;B 为项目年收益,元/a;Cg为比对供热方式年运行费,元/a;Ce为年耗电费,元/a;Ch为热泵取热费,元/a;Ig为燃气锅炉投资费,元;Ie8第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023为电动压缩式热泵投资费,元。投资费用计算方法采用去除板式换热器换热部分后电动压缩式热泵承担的负荷 230 kW,分别采用燃气锅炉和空气源热泵作为比对供热方式。计算边界条件:电价0.64 元/(kW h),热泵取热价 24.5 元/GJ,燃气价 2.5 元/Nm3,燃气锅炉投资费8.2 万元
46、,空气源热泵投资费 23 万元,电动压缩式热泵部分 15 万元。Ce=QetCOPapPe(17)式中:Ce为年耗电费,元/a;Qe为热泵实时供热功率,kW;t 为运行时长,h;COPap为年运行平均 COP;Pe为电价,元/(kW h)。经计算可知,电动热泵耗电费为 11 358 元/a,从热网取热费为 11 400 元/a。若该部分供热采用燃气锅炉,则年运行费为 39 685 元/a,空气源热泵为47 072 元/a。因此,经计算相对于燃气锅炉投资回收期为4 a。ELTD 投资和运行均低于空气源热泵,即全面优于该方案。另一个常用的评价指标是单位面积供热成本PAh,即把机组按照 15 a 折
47、旧算到供热运行费用内:PAh=Cp+Ce+ChA(18)式中:Ce为年耗电费,元/a;Cp为机组折旧费,元/a;Ch为热泵取热费,元/a;A 为供热面积,m2;t 为运行时长,h。假定 机 组 成 本 为 27 万 元,供 热 热 指 标 为45 W/m2,余热取热费为 24.5 元/GJ,则单位 GJ 的供热成本为 10.8 元/m2。4.2 考虑未来大规模推广后条件计算 若所有换热站均采用 ELTD,回水温度低于凝汽器温 度,则 取 热 为 电 厂 废 热,取 热 价 格 一 般 为5 元/GJ,则全年取热费为 2 326 元/a,此时相对燃气锅炉供热方式的投资回收期为 2.6 a,相应的
48、单位面积供热成本为 9.8 元/m2。5 结论 本文介绍了电动压缩式大温差机组的应用背景,指出其将成为未来零碳供热的核心设备。并以示范工程为依托,验证了电动压缩式大温差机组的运行效果及可靠性。1)通过一个供热季的运行数据分析,找到机组运行性能规律,指出其区别于传统水源热泵的主要特征,可以为相关研究提供数据支持。2)经过实验测量,热泵机组部分年平均运行COP 可达 8.3,远高于常规水源热泵20。3)通过示范工程的经济性分析,发现即使热泵取热不按照工业废热的热价计算,其相对于燃气锅炉的投资回收期仍低于 4 a,单位面积供热成本为 10.8元/m2,经济性全面优于空气源热泵。若考虑未来大规模推广后
49、,大量吸纳电厂余热,取热价降低,投资回收期仅为 2.6 a,单位面积供热成本为 9.8 元/m2。参考文献1 清华大学建筑节能研究中心.2022 中国建筑节能年度发展研究报告M.北京:中国建筑工业出版社,2022.(Tsinghua University Building Energy Conservation Research Center.2022 China building energy efficiency annual development research reportM.Beijing:China Building and Architecture Press,2022.)2
50、 习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话J.中华人民共和国国务院公报,2020(28):5-7.(XI Jinping.Statement at the general debate of the 75th Session of the United Nations General Assembly J.Gazette of the State Council of the Peoples Republic of China,2020(28):5-7.)3 江亿,胡姗.中国建筑部门实现碳中和的路径J.暖通空调,2021,51(5):1-13.(JIANG Yi,HU Shan.Pat
