空气能热泵在成品油管道站场的试应用分析

刘国豪 侯磊 李清平 潘腾 王乾坤 王海东

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院；2.中国石油管道公司）

管道企业一直在寻找新型、节能加热产品替代锅炉，在保证站场需要的热水和热量的基础上，尽可能减少运行和维护工作量、减少大气污染物排放，降低企业运行成本[1-4]。本次选择在成品油管道站场首次安装空气能热泵机组进行试应用，考察其运行效果和能效水平，分析其经济效益，并查找运行中存在的问题，为下一步推广使用提供改进建议。

1 原理

空气能热泵是按照“逆卡诺循环”原理工作的[5]。吸收空气中热量制造热水。工作原理为通过压缩机系统运转工作，吸收空气或自然环境中的低品位热能，转化为高品位热能，实现低温热能向高温热能的转移；再将高品位热能释放到水中制取成热水，通过输送热水为站内办公区及宿舍供暖。站场只需输入1 kW 的电能，根据热平衡的原理，热泵将最少产生2.8 kW 的热量，加上输入的1 kW 电能，实际产生的热量在3～4 kW，可以看出其主要节能效果体现在用少量的电能，产生出3～4倍的热能。

2 试验情况

某成品油管道沿线途径天津、河北、山东等北方地区，沿途冬季室外温度较低（-10～-15 ℃左右，大部分北方地区冬季温度），站内冬季使用各屋均配备普通空调供暖，能耗较高且室内平均温度达不到要求，为解决房间温度偏低的问题，选取2座典型站场A、B 各安装2 种不同功率的空气能热泵机组进行在管道站场的应用。

2.1 设备情况

A 输油站配备1 台空气能热泵机组，额定制热量53 kW，循环水流量6.2 m3/h，被加热水量1 000 L，最高出水温度60 ℃，额定电流16.9 A，最大电能输入功率13.2 kW；B 输油站配备1 台空气能热泵机组，额定制热量36 kW，循环水流量9.2 m3/h，被加热水量1 000 L，最高出水温度60 ℃，额定电流26 A，最大电能输入功率19 kW。两套设备已连续运行40 天，运行稳定。

2.2 监测参数及测点布置

参照GB/T 21362—2008 《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》[6]、GB 29541—2013 《热泵热水机（器）能效限定值及能效等级》[7]，分时段测试总体制热量和耗电量，评估其能效等级等关键参数。各主要参数及测点布置如下：

1）机组耗电量：在电动机控制柜处安装3169电参数综合测试仪测试电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率，每隔15 min 读取一次瞬时数据，并累计耗电量。

2）供水温度、回水温度：读取现场数据。

3）室内温度：分别将3 根水银温度计放置于各房屋、走廊，每隔30 min读取一次数据。

4）热水流量：在供回水管路中的直管段上安装超声波流量计进行测试，每隔15 min 读取一次数据。

3 测试结果与分析

3.1 测试结果

A、B 输油站经过连续测试，测试结果汇总见表1。

表1 测试结果汇总表

设计文件要求供暖热媒为45～55 ℃的热泵机组，使站内办公室及会议室冬季室温不低于20 ℃，使门厅及走廊内温度不低于16 ℃。本次测试结果表明，两个站供水温度均为50 ℃，在热泵机组没有满负荷运行的情况下，办公室、会议室、门厅及走廊的实测平均温度均已达到且超过房间温度的设计要求。另外，两个站的热泵设备运行阶段，噪音经检测均不超过55 dB，对办公区和宿舍影响可以忽略。

根据国家标准GB 29541—2013规定，A输油站空气能热泵机组制热性能系数值（COP）为3.19，满足5 级能效等级要求；B 输油站空气能热泵机组制热性能系数值为3.31，满足4 级能效等级要求。两站空气能热泵机组的能效等级均超过3级，为合格且优秀。

3.2 经济效益分析

在13～19 kW 的热泵机组在没有满负荷运行的情况下，已能满足站内供暖需要，相比普通站场安装60～150 kW的锅炉，设备功率大幅下降。

近年站场燃油或燃气锅炉实际热效率为80%～86%[8-9]，但本次测试的热泵实际热效率能达到300%以上，其制热性能系数值超过3，能效比高。参考SY/T 6422—2016《石油企业用节能产品节能效果测定》[10]，该站场供暖锅炉年运行时间110 天左右，使用60 kW 燃油热水锅炉（燃料为站内管道中的汽油或柴油）时，锅炉实际热效率在80%～86%，按平均值83%分析，消耗燃料油8.5 kg/h，年耗油约22 t，按价格较低的汽油计算，每吨8 000 元，燃料费约为17.6万/a；使用功率大的B站19 kW 热泵机组时，耗电为15 kW/h，年耗电约40 000 kWh，按工业电价每千瓦时1.0 元计算，电费年消耗约4万元。电费约为燃油热水锅炉燃料费的四分之一，节能效果明显，对站场供暖部分的运行成本下降有较大帮助。

4 存在的问题及改进建议

1）空气能热泵机组无顶棚及遮挡，建议增加顶棚，减少雨雪天气下散热导致的能耗浪费；同时防止低温天气下空气侧换热片结冰阻碍空气流通，影响换热效果。

2）空气能热泵机组除霜后水沿基座在附近流淌，影响美观且造成不安全隐患。建议热泵基座的水泥地基设置导流槽，以免除霜融化的水腐蚀设备。

3）空气能热泵机组控制面板显示界面仅有设定温度，未设置显示回水温度；仅在供水管端设置压力表，未在回水端设置压力表，无法准确获取回水温度及压力，无法计算供暖换热总耗能。建议安装回水温度测量装置并上传至面板，在回水端增设压力表。

4）控制面板参数设置有密码，厂家未提供给站内，导致辅热启动温差等参数无法及时进行重新设置。建议站内人员与厂家加强沟通后掌握温度设定、辅热调节等操作，随时保持机组优化运行。

5）两个站场供水和回水温度接近，但B 站供暖面积较小，室内温度较高，对热能使用是一种过度浪费，建议安装能根据室内温度自动调节设定循环水温的产品，可在满足室温情况下进一步降低机组负荷，减少耗电。

6）空气能热泵机组虽然有外设围栏，但围栏较高且紧贴换热器和水箱，查看数据和巡视均不方便。建议降低围栏高度或合理设置围栏开口，便于站内人员进入检修和维护。

5 结论

在热泵机组在没有满负荷运行的情况下，已能满足站内供暖温度设计需要，相比普通站场安装60～150 kW 的锅炉，设备功率大幅下降。电费约为燃油热水锅炉燃料费的四分之一，节能效果明显，对站场供暖部分的运行成本下降有较大帮助。从环保角度分析，由于热泵只耗电，不用燃气，因此不会产生任何废气；并且热泵机组属于常用工业设备，避免了特种设备的相关强制要求，降低了企业维护成本。