热泵冷热水联产在某工厂的应用

欧阳生春

升宝节能技术（上海）有限公司

热泵冷热水联产在某工厂的应用

欧阳生春

升宝节能技术（上海）有限公司

以某热泵冷热水联产空调系统一改造工程为例，介绍了改造工程概况、改造所选用的设备和仪器仪表，并给出了改造后的节能效果和环境效益分析。

高温热泵；冷热水联产；热回收；节能效果

Abstract: Based on some heat pump cooling heating water co-generation system renovation,the author introduces sketch of renovation project and facilities and instruments and apparatuses for renovation. Finally the author puts forward energy saving effect and environment benefit analysis after renovation.

Key words: High Temperature Heat Pump, Cooling Heating Water Co-Generation, Heat Recovery,Energy Saving Effect

近年来，随着我国经济的迅猛发展，空调系统扮演着十分重要的角色。空调系统在公共建筑及工业建筑中越来越普及，由此所产生的巨大的废热排放对大气环境构成了严重的污染，加剧了城市的“热岛效应”。冷水机组在制冷工况下向大气环境排放的冷凝热，其值可达制冷量的1.15 ～ 1.3 倍[1]。

冷水机组经冷凝器放出的热量通常由冷却塔带走，排向周围环境中，而同时需要用热的场所（如酒店、工厂、医院等）所需的热源却要再通过锅炉设备制取。对于上述同时有用冷、用热需求的场合，上述做法导致能源的巨大浪费，同时，也给周边环境带来了环境热污染。而高温热泵机组的制热效率远远超过各种锅炉，是优秀的锅炉替代品，适用于同时需要冷量和热量，且有足够冷负荷的系统中[2]。高温热泵机组采用冷热联产，不但实现了废热利用，减少了对环境的热污染，又可减少冷却塔的运行费用和噪声，达到节能减排的目的。

1 工程概况

某工厂空调系统的热水在夏季主要用于空调箱处理空气的再热，冬季主要用于空调箱热水盘管的加热。这些热源来自于天然气蒸汽锅炉，蒸汽锅炉产生的高温蒸汽通过板式换热器换热后，将热水加热并供应给空调末端设备。工厂一年均需要供应热水和冷冻水，且冷量远远大于热量。

该工厂共设有5台蒸汽板换，每台板换对应一个蒸汽阀。一般使用两台蒸汽板换。蒸汽阀在不同开度下对应的蒸气流量表1所示。

对板换蒸汽阀在不同开度下的流量进行回归，得到如下计算式。该项目改造前没有能量计和流量计，仅有温度传感器。参照本项目BA数据库提供的板换蒸汽阀的开度数据，计算在不同开度下逐月的蒸汽使用量，进而推算逐月的天然气使用量。其中，140℃饱和蒸汽的热值取273 4 kJ/kg，天然气的热值取8 500 kcal/m3，天然气锅炉的效率取90%。表2为天然气月用量。

2013年1月～2013年1月热水供回水温度分别如图1所示。

从图1可知，该厂空调用热水供回水温度呈现出明显的季节性变化特点，夏季的供回水温度略低于冬季，全年热水供水温度在61℃～67℃之间，回水温度在42℃～45℃之间。图2为逐月热水热负荷以及相应的热水流量。

表1 蒸汽阀流量与开度对应关系

表2 天然气逐月用量

2 改造方案

本项目拟选用3台特灵高温热泵机组与原有冷冻水回水进行串联，这样可让热泵机组优先满载，最大程度回收热水，具体设备配置表如图3所示。热泵机组冷冻侧的进出水温度为12/7℃，热水侧的进出水温度为45/60℃。热泵机组冷冻侧与原有冷冻水系统回水管进行串联，热水侧与原有热水系统回水管进行串联（如图4所示）。实际运行时，不仅可向冷冻水系统提供一定冷量的冷冻水，而且热泵机组也可提供末端空调设备所需的热水。当热泵机组提供的热量不能满足末端空调设备所需的热量时，由原有蒸汽锅炉进行补充。

表3为选用设备参数表。

热泵机组冷冻侧与现有冷冻水系统串联连接，让热泵机组运行在制热优先模式，热泵根据末端热水负荷需要自动调节，可使热泵机组所有热量全部用于热水，无多余热量排放，运行最经济。

图1 热水供回水温度

图2 逐月热负荷及流量

高温热泵机组所有热量用于加热热水，在系统获得同样冷量的条件下减少了冷却塔热负荷，这样可在冷却塔全开的条件下降低冷却水出塔水温，从而提高各冷水机组能效。

表3 设备参数表

表4 热泵机组提供热量及热水所需热量

3 控制逻辑

（1）新增热泵机组的热水泵在满足热泵机组最小流量的基础上，根据流量进行变频。

（2）新增热泵机组的冷冻水泵在满足热泵机组最小流量的基础上，根据温差进行变频。

（3）原有热水泵仍按照热水供回水压差进行变频运行，通过新增热水泵与原有热水泵的运行，调节旁通管旁通流量。

（4）一般情况下，原热水回水管路上的蝶阀关闭，热泵机组根据系统负荷情况进行开启。

（5）当热泵机组需要检修时，关闭热泵机组两侧的手动阀，开启原热水回水管路上的蝶阀，由原有的蒸汽锅炉供应全部热水。

4 改造后节能效果

本项目原热源为天然气蒸汽锅炉，蒸汽锅炉大部分热量用于热水，另外在过渡季节和冬季部分用于加湿。蒸汽锅炉产生高温高热蒸汽并通过板式换热器换热后，向空调末端供应60℃左右的热水。计算时，天然气的热值取8 500 kcal/m3，锅炉的效率取90%，换热器的效率取98%。

系统安装完成并实际运行时，系统将首先开启热泵机组，并根据热负荷侧对热泵机组进行控制，热泵提供热量与热负荷如表4所示。

系统增加热泵机组后，在现有锅炉效率0.9与板式换热器效率0.98的条件下，可以计算得到一个天然气的用量。由于本项目锅炉带有烟气热回收，且烟气热回收的热量约占天然气用量的5%。本项目实际节省的天然气用量如表5所示。

图3 新增热泵机组冷冻侧连接方式

图4 新增热泵机组冷却侧连接方法

按上所述，可节省的锅炉用天然气费用为7 646 226元/a。

原冷水机房全年的整体效率在0.85 kW/RT进行计算，增加热泵机组后，考虑到新增热泵机组、冷冻水泵、热水泵的功率，其整套配置下的效率约为1.58 kW/RT，增加热泵机组后增加的系统耗电量计算如表6所示。

冷热水联产改造完成后，可节省天然气运行费用7 646 226元/a，同时热泵机组多耗电2 581 064 kWh/a，电费单价按0.75元/kWh计算，新增冷热电联产系统多耗电1 935 798元/a，两者综合作用产生的节能费用共计5 710 428元。

5 环境效益分析

根据高温热泵每年的产冷量，对应原有系统的冷机效率为0.63 kW/RT，则全年减少散热5.3×1 010 kJ。每年节省天然气耗量1 950 568 m3，相当于节省标煤2 368 t标煤，每年增加耗电量2 581 064 kWh，相当于增加标煤1 043 t标煤，全年节省标煤1 325 t标煤。

表5 每年节省天然气费用计算

表6 高温热泵系统增加耗电量

6 总结

将高温热泵用于具有冷负荷和热负荷需求的场所是可行的，不仅减少了散热量，而且回收了热量，同时又提供了冷量，降低了运行费用，该技术在同时具有冷热负荷需求的场所具有广阔的应用前景。

[1] 吴照，赵新红等. 上海某工厂空调系统热回收综合节能改造.建筑节能[J] 2014.42（4）:91-94

[2] 李敬一，郭懿远等. 冷水机组热回收评价系统的应用分析.制冷与空调[J] 2013.27（5）:455-457

Application of Heat Pump Cooling Heating Water Co-Generation at Some Factory

Ouyang Shengchun
R&B Energy Conservation Technology (Shanghai) Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.014