集中供热二级换热站热泵局部调峰技术的可行性分析

董文一 白 莉 褚 毅

(1:吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118; 2:吉林省建苑设计集团有限公司,长春 130011)

0 引言

集中供热是我国主要的供热方式,与传统供热方式相比,集中供热系统能有效地降低能源消耗和二氧化碳排放，但集中供热热负荷是随季节性室外气温变化而波动的.根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50736-2012)》规定:“供暖室外计算温度值,应采历年平均不保证5天的日平均温度”[1],以及实际运行过程中可能出现供热能力不满足采暖热负荷的要求.经综合分析认为，不应按最大热负荷选择供热机组,而是将最大热负荷乘以一个小于1.0的系数作为选择机组的依据,从而使供热机组的最大负荷利用小时数增加[2].对于室外温度较低时热负荷不足部分,则采用其他方式补充高峰负荷,这就是所谓的调峰[3].面对集中供热的热负荷随热用户需求差异的能源浪费、热负荷高峰期主热源供热能力的不足等问题,提出了一种倡导能源梯级利用的有效解决措施，即在二级换热站设置调峰系统，它在整个供热系统中起到了辅助的作用,是集中供热外网供热能力的延续和补充.常规的调峰方式是设置燃煤锅炉调峰系统和燃气调峰系统.由于区域锅炉调峰存在初期投资大、热能浪费和能耗高等一系列问题,本文提出利用热泵机组对二次网换热站采用局部调峰的技术手段进行节能改造,并通过对实际工程项目测试研究,确定二次网热泵调峰系统的可行性.

1 二次网热泵局部调峰的理论分析

二次网热泵局部调峰系统就是利用热泵对一次管网回水的能源梯级利用,为热用户二次管网供热,达到提高传统集中供热系统的热网输送能力、增加供热面积的作用.与传统的区域锅炉调峰相比,它利用电驱动,无需6h～12h的启动时间,相应快、起停灵活,不消耗煤,对环保无污染.

本文提出的利用热泵机组对二次网进行局部调峰,其实质上就是通过在二级换热站内原有模式增加一台热泵机组和板式换热器,对一次网供回水温差进行分解,达到对能源的梯级利用.该技术核心是利用新增板式换热器和热泵调峰系统作为提温设备,蒸发侧提取一次网回水中的能量,冷凝侧利用提取的能量为二次网回水提温.由此,提升末端用户的供热品质.

根据传热方程，冷热流体间传递的热量等于传热系数、传热面积与传热温差的乘积,得到以下公式:

Q=KFΔt

(1)

式中,Q为通过热交换器的传热量,W;K为换热器的传热系数,W/(m2·℃);F为传热面积,m2;Δt为散热器内加热流体与被加热流体之间的平均温差, ℃.

换热器内换热流体之间的计算温差按对数平均温差计算:

(2)

式中,Δt为散热器内加热流体与被加热流体之间的平均温差,℃;Δtd,Δtx分别为换热器进出口热媒的最大、最小温差,℃.

当Δtd/Δtx≤2时,换热器内换热流体的计算温差可按算术平均温差计算,其误差<4%,有:

Δt=(Δtd+Δtx)/2

(3)

流体从温度t1的地方流至t2处的导热量公式:

Q=Mc(t1-t2)

(4)

式中,c为水的比热容,J/(kg·K);M为流体的质量流量,kg/s.

2 应用实例

2.1 原二级换热站概况

长春某站换热站供暖面积约10.3×104m2,二次网循环量280m3/h.采用大唐二热电一次网热源为二次网热用户供热.根据2015年10月～11月和2016年3月～4月的实际运行参数,二次网供回水温差稳定在5 ℃左右,最高供回水温度37/32℃,一次网在62/32℃左右基本能够满足站内运行.2015年12月至2016年2月二次网供回水温差稳定在10℃左右,最高供回水温度46/36℃,一次网供回水温度在85/38℃左右,基本能够满足站内运行.

2.2 改造说明

对长春某站换热站进行调峰改造[4](见图1，图2).增加一套热泵调峰系统,将2015年12月至2016年2月二次网10℃供回水温差进行分解.确定运行参数如下:板式换热器35/40℃;热泵40/45℃.

2.3 运行过程及实测数据

改造后热泵调峰系统高温侧与二次网供水串联使用,在寒冷期运行时,负责将二次网回水温度提升5℃,热泵调峰系统高温侧进出水温度:35/40℃,原板式换热器二次网侧换热温差将降至5℃,板式换热器二次侧供回水温度为:40/45℃,在二次网侧流量280m3/h不变情况下,原板式换热器二次侧换热量由3 255kW降至1 627kW,与原设计3 255kW相比减少1 627kW,节约了供热支出.原板式换热器一次网供水流量59.5t/h降至40t/h,改造前后的一次网供水流量约下降32.7%,节省了运行费用.在2015年12月至2016年2月期间,随机选取6d(每2d间隔1个月)的数据,对比改造前后一次网流量、温差,见图3，图4.

图1 改造前流程Fig.1 Running process before the improvement

图2 改造后流程Fig.2 Running process after the improvement

图3 改造前后一次网流量对比Fig.3 Comparison of primary network flow before and after reconstruction

图4 改造前后温差对比Fig.4 Comparison of temperature difference before and after reconstruction

由图3可见,改造前后,一次网流量最大减少58m3/h,最小减少38m3/h;由图4可见,改造前后,一次网温差的变化,温度提升了12℃～21℃.经理论测算和实际试测得知,若全部采用该调峰方式约可降低一次网供水流量32.7%,在维持供水流量相同的情况下,一次网总供热能力约可提高32.7%.

3 二次换热站热泵调峰的经济性分析

3.1 增收取暖费

采用这种方式每个二级换热站可减少一次网高温水流量32.7%以上.按长春某区一次网供热面积1 200×104m2计算,可增加392.4×104m2的供热面积,若按新增负荷计算,每平米并网费收入50元/m2,可一次性增收19 600万元,每年可新增采暖收入10 594.8万元.

3.2 节省初投资

根据长春市某站的2015年12月至2016年2月的实测,按90d、每天运行12h计,调峰电耗:(316kW+37kW)×12h×90d=381 240kW·h/(10.3×104m2)=3.8kW·h/m2;按90d、每天运行24h计,调峰电耗:(316kW+37kW)×24h×90d=762 480kW·h/(10.3×104m2)=7.6kW·h/m2;调峰运行成本:现行采暖居民电价:0.54元/kW·h和蓄热电价:(峰值0.54元/kW·h+谷值0.32元/kW·h)/2=0.43元/kW·h计,运行成本:1.63元/m2.

表1 不同调峰方式运行成本对比

由表1可知,与燃煤锅炉调峰相比,总运行成本每平米节省3.37元;与燃气锅炉调峰相比,总运行成本节省了更多,每平米节省了10.37元.若以1 200×104m2的供热面积计算,热泵调峰系统总运行成本比燃煤锅炉、燃气锅炉调峰分别节省了4 044万元和12 444万元.

3.3 节能性

根据最新执行的《锅炉大批污染物排放标准》[5],在用锅炉排放标准中二氧化硫400mg/m3～550mg/m3,氮氧化物400mg/m3,粉尘80mg/m3.随着2018年电力超净化排放标准的施行,供热行业环保压力也将逐年加大.采用这种调峰方式,可最大减少148MW的燃煤锅炉的负荷,相当于减少200t煤的燃烧,从而减少排放SO2约2t,烟尘4 000kg,废气200×104m3.采用热泵调峰系统，解决了以下问题：

一是解决了企业在逐渐严格的烟气标准下重复性环保投资问题.

二是从地面延期污染物贡献比例分析,某区若能提前达到超低排放标准,对于协助长春市缓解煤烟型大气污染问题有重要的意义.

三是由于某区内部固定污染源的减少,所导致的本区域地面烟气浓度的降低,对于提高居民的幸福指数有促进作用.

4 结语

二级换热站热泵调峰技术可降低一次网供水温度,提高一次网供热能力,同时节省初投资,降低了运行费用,减少了热能浪费和高能耗的问题,并且有利于区域的环保治理，这项技术可以迅速对所调节区域热量变化做出反应,减少对大热网的影响,提升区域的供热品质.

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.中国建筑科学研究院.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2] 朱晏琳.二级网调峰集中供热系统技术经济型研究[D].天津:天津大学,2007.

[3] 张迪.带有调峰热源的集中供热系统的热力工况研究[D].北京:北京建筑大学,2010.

[4] 褚毅,刘向日,金国峰,高峰,李洪波,魏来,韩强,赵亮.一种综合利用城市周边热能的集中供热系统[P].ZL201620066358.9,2016-06-08.

[5] 中华人民共和国环境保护部.中国环境科学研究院.锅炉大气污染物排放标准(GB 13271-2014)[S].北京:中国环境科学出版社,2014.