张家川多源互补热泵供暖系统运行分析

张 雨，李世诚，魏 安

(1.兰州高新技术新能源有限公司，甘肃 兰州 730000；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)

1 引言

近年来，能源与污染问题成为政府及各界人士关注的焦点。我国北方大部分地区，仅一个供暖季消耗的能源占整个建筑能耗的70%～80%，且供暖季污染物排放量明显高于非供暖季。面对日益严峻的“雾霾”现象，传统燃煤锅炉供暖存在高能耗、低效率、高排放、高污染成为当前亟需解决的问题。

随着科学技术的不断发展，热泵供暖系统在我国北方地区应用日益广泛，但是，单一热泵系统的使用存在以下问题：①在黄河以北寒冷地区，空气源热泵受室外温度影响，造成供热量不足、压缩机压缩比过高、能效比下降等问题；②地下水回灌所带来的地质灾害问题，亦成为制约水源热泵应用的一个瓶颈；③由于土壤的导热系数较小，土壤源热泵地埋管的换热性能受土壤的热物性参数影响较大[1，2]。鉴于上述单一热泵系统运行过程的缺陷，本文采用空气源热泵耦合水源热泵系统作为供暖热源，搭配相变蓄热盐罐(利用盐溶液相变蓄热特性，降低供暖运行能耗)，对张家川县张棉乡中学进行集中供暖。

2 项目背景及热源系统介绍

2.1 项目背景

本供暖项目位于天水市张家川县，属温带大陆性季风气候，年平均气温7.5 ℃，无霜期163 d左右，全年日照时数2044 h，年平均降水量600 mm。原采用燃煤锅炉对张家川县张棉乡中学5560 m2建筑进行供暖，由于燃煤锅炉效率低，污染大，故对锅炉房进行热源改造，在原有散热器供暖末端基础上利用多热源互补热泵作用供暖热源，供暖建筑平面简图如图1所示。

其中，北宿舍楼与西教学楼为地上三层砖混结构，外墙厚300 mm，无保温材料，室内为水泥地面，开放式走廊。南教学楼、南宿舍楼及餐厅为地上三层框架结构，外墙厚350 mm，挤塑聚苯板保温，厚度50 mm，室内为水泥地面，封闭式走廊。所有建筑物屋顶保温均为炉渣加水泥层，外贴SBS防水材料，平均厚度30 cm。

图1 建筑平面

2.2 热源系统

本项目采用多源耦合热泵系统替代燃煤锅炉，利用空气源热泵作为水源热泵的低温热源，从空气侧提取热量，避免了水源热泵系统存在的打井困难、地下水超采等问题；同时，水源热泵将空气源热泵出水进行二次升温向室内供热，当水源热泵供暖侧水温达到55 ℃时，热泵停止加热，当供暖侧水温低于50 ℃时，热泵再次开机工作。此外，两热泵之间接有相变储热盐罐(单罐蓄热量100 kW，相变温度21 ℃)，为降低系统运行能耗，蓄热盐罐可储存由空气源热泵出水侧提供的热量，从而降低空气源热泵能耗。热源系统如图2所示。

该热源系统的热能流程依次为：室外空气→空气源热泵→相变储热罐→水源热泵→室内用户。

3 供暖方案设计及测试

3.1 供暖设计方案

根据现场实地测量，本项目总供暖面积为5114 m2，其中，西教学楼618 m2、北宿舍楼727 m2，均未采取外墙保温；南教学楼1341 m2、南宿舍楼1366 m2、餐厅1062 m2，均采取保温措施，如表1所示[3]。

图2 热源系统

表1 采暖热指标推荐值(W/m2)

利用表1所得采暖热指标，分别带入(1)式计算供暖热负荷：西教学楼43.26 kW、北宿舍楼43.62 kW、南教学楼80.46 kW、南宿舍楼57.37 kW、食堂116.82 kW，总热负荷为341.53 kW，故选取制热量358 kW的水源热泵系统向户内供暖。

Qh=qhAc×10-3

(1)

式(1)中Qh为采暖设计热负荷，kW；qh采暖热指标，W/m2；Ac为建筑物采暖面积，m2。

西北地区地下水温为10～20 ℃[4],本项目由空气源热泵代替地下水冷源。为提高水源热泵制热性能，保证空气源热泵出水温度在18 ℃以上，同时考虑当地供暖季室外平均温度为1 ℃[5]，故选取总制热量为238kW的两台空气源热泵机组。各设备参数如表2所示。

表2 系统配置参数

3.2 系统测试

3.2.1 测试内容

课题组利用自动化检测设备，对多源耦合热泵系统的运行情况进行测试，测试时间为2019年1月12日0:00-23:00，测试内容包括：室外环境温度、空气源热泵进出口水温、空气源热泵制热功率、空气源热泵循环水流量、水源热泵供暖侧供回水水温、水源热泵制热功率、水源热泵循环水流量、供暖户内温度。

3.2.2 数据整理

本项目通过对空气源与水源热泵的供回水水温、循环水流量监测，计算出各机组制热量；同时通过采集各机组的制热功率得出COP，主要依据以下公式[6]。

(1)制热量：

Q1=ρVcp(tout-tin)

(2)

式(2)中Q1为热泵机组制热量，kW；ρ为水的密度,kg/m3；V为热泵机组循环水水流量，m3/s；cp为水的定压比热容，kJ/(kg· ℃)；tin，tout为热泵机组进、出口水温， ℃。

(2)热泵机组性能系数：

(3)

式(3)中COP为热泵机组的性能系数；P1为机组的制热输入功率，kW；Q1为机组制热量，kW。

3.3 热泵机组COP分析

图3所示为该热源系统热泵COP随室外环境温度变化折线图。其中，全天室外最高温度为0.6 ℃，最低温度为-8.7 ℃，平均温度为-5.0 ℃；空气源热泵COP最大值为3.91，最小值为1.02(部分时段由于室外温度过低，空气源热泵进行逆向除霜)，平均值为2.56；水源热泵COP最大值5.16，最小值为3.58，平均值为3.92。

3.4 室内温度分析

课题组分别选取北宿舍楼(无外墙保温)与南宿舍楼宿舍各一间，采集室内温度数据，如图4所示。其中，南宿舍楼全天最高温度为22.5 ℃，最低温度为19.0 ℃，平均温度为20.4 ℃，满足18～22 ℃的供暖室内标准[7]；北宿舍楼全天最高温度为18.9 ℃，最低温度为15.1 ℃，平均温度为16.2 ℃，由于为采取外墙保温措施，且建筑使用年限较久，故室内温度偏低。

图3 热泵COP与室外温度

图4 室内外温度

3.5 能耗效益分析

本热源系统主要采用电力驱动，系统运行功率如图5所示。

图5 系统运行功率

根据测试数据可知，系统总运行功率由空气源热泵制热功率、水源热泵制热功率、循环泵功率组成，全天平均运行功率为108.93 kW,即系统1 h平均耗电量为108.93 kW·h，全天耗电量为2614.32 kW·h。按照国家统计局标准，1 kW·h折算0.404 kg标准煤，即全天标准煤耗量1.06 t，较之前燃煤锅炉耗煤量1.13 t(供暖季总耗煤量120 t，供暖时长106 d)有所减少。此外，由于燃煤锅炉燃烧效率低，不仅耗煤量高，户内供暖温度也难满足需求，经过热源系统的改造，大大提高了能源利用率，同时也保证了供暖室内温度指标。

3.6 经济效益分析

本项目采取峰谷电价政策，8:00～22:00，电价为0.54元/kW·h，22:00至次日8:00为0.32元/kW·h，根据前述系统日平均电耗2614.32 kW·h，计算得系统日运行费用为1124.2元，低于燃煤锅炉日运行费用1175.2元(测试当日室外环境温度燃煤锅炉日运行消耗煤约1.469 t，当地煤价800元/t)，但考虑到燃煤锅炉污染物排放量大，同时需要专人值班看守，需要聘请专业司炉工人，司炉工人工资也是运行成本一项支出；供暖温度也未能长久满足学校需求，综合考虑各项因素，多源互补热泵系统热源改造方案适宜。

3.7 环保效益分析

根据表3提供的数据，1t标准煤燃烧产生的污染物量如下。

表3 消耗1t标准煤的污染物排放量

张棉乡中学原供暖热源为燃煤锅炉，供暖季日耗煤量1.13 t，日排放NOx为8.362 kg、SO2为9.605 kg、CO2为2960.6 kg。热源系统改造后，现场基本无污染物排放，以燃煤锅炉供暖季总耗煤量120 t计算，改造后供暖季减少NOx排放量888 kg；SO2排放量1020 kg；CO2排放量314400 kg，解决了供暖所带来的环境污染问题，也为该地区环境治理问题做出了贡献。

4 结论

本文通过对张家川县张棉乡中学多源互补热泵供暖系统的运行数据分析，得出以下结论。

(1)多源互补热泵供暖系统能够满足当地供暖需要，较原燃煤锅炉系统，不仅提高了供暖效率，同时大大减少了污染物排放量，属于清洁环保高效的供暖方案。

(2)在冬季低温环境下，考虑到空气源热泵制热的不利因素，将两种热泵系统相结合，既避免了水源热泵打井与回灌等问题，又解决了空气源热泵低温环境下制热能力不足的问题(空气源热泵向水源热泵供水温度为20 ℃)。

(3)多源互补热泵供暖系统采用全自动控制，无需专人看护，可利用控制屏随时调控供回水水温与运行工况。

(4)虽然该系统运行费用略高于燃煤锅炉，但是考虑供暖室内温度、污染物排放、系统稳定性、安全性等多方面因素，多源互补热泵供暖系统都具有明显的优势。