【热泵年会论文】蓄能互联热泵系统的理论研究与实践

发表于 讨论求助 2020-01-27 09:35:20


陈建平,白 杨,余承霖

凯涞玛冷暖设备(杭州)有限公司

摘  要

本文针对寒冷区域水地源热泵和空气源热泵采暖的一些使用条件限制和技术限制,阐述了蓄能互联热泵系统的原理、系统构成和技术特性、节能运行策略、工程应用效果。通过相变蓄能技术的介入,扩展了水源热泵和空气源热泵的使用范围和条件,并最大限度的利用昼夜气温的变化、“峰谷”电价差以及其它无偿能源等各种有利因素,实现多种可再生能源综合利用,构建可靠稳定、节能省钱的采暖/ 供冷系统。

关键词

  蓄能互联热泵系统;清洁采暖;节能降霾;空气源动力模块;水水热泵;相变蓄能;节能优化控制

0 引  言

我国大部分地区属于严寒及寒冷区域,冬季采暖是必需的生活方式。长期以来一直依靠燃煤、燃油、燃气等传统石化能源采暖,随着经济的发展,城市规模的扩大,这些传统的采暖方式的不足越来越突出,已不能适应可持续发展的要求。据统计,燃煤采暖已经成为冬季城市雾霾形成的罪魁祸首。2016年12 月,习近平总书记围绕百姓关切的6件民生大事发表重要讲话,其中特别强调了“推进北方地区冬季清洁取暖,关系北方地区广大群众温暖过冬,关系雾霾天能不能减少,是能源生产和消费革命、农村生活方式革命的重要内容”。在《地热能开发利用“十三五”规划》及国务院《大气污染防治行动计划》等政策中,不断要求加快调整能源结构,增加清洁能源供应,大力推进地热能、空气能、太阳能等可再生能源技术采暖供冷。

在我国严寒地区及寒冷地区,“推进清洁采暖,减少雾霾天气”的任务重大,然而现有的采暖空调技术都具备各自的技术优势,也存在一些技术限制和使用瓶颈,比如,水源热泵系统投资小、运行稳定,但在水资源匮乏地区,取水或打井均不被允许;而土壤源热泵系统存在成本高、占地面积大、容易造成冷堆积、换热量衰减等问题;相比之下空气源热泵供暖运用更加广泛,但其低温环境能效低、高压缩比运行故障率高,为满足最大热负荷要求而配置容量大造成投资大、闲置率高,发展受到一定制约。

探索可持续发展的清洁采暖技术具有非常现实且重要的意义,也成为各界普遍关注的热点问题。蓄能互联热泵系统,利用空气能和相变蓄能技术耦合水水热泵系统,打造“不打井、不埋管”的清洁采暖系统,能够实现暖气片供暖,蓄能平台使压缩机的压缩比降低近一半,有效解决了极端寒冷天气压缩机容易故障损毁的难题,蓄能互联热泵系统运行更加稳定可靠、大大节省维护费用、运行节能,还可利用峰谷电价差节约电费。蓄能互联热泵系统是政府禁止打井、地埋管成本高、空气源热泵不稳定的不利条件下,开创了“清洁采暖、节能降霾”的新思路。

1 系统概述

蓄能互联热泵系统,将空气源热泵、水源热泵的优势通过相变蓄能模块有效组合,是成熟的蓄能技术和热泵技术的综合利用!通过蓄能模块的介入,拓展了水源热泵和空气源热泵的使用条件,克服各自的限制和性能弱点,最大限度利用自然能源(昼夜气温的变化)、“峰谷”电价差以及其它无偿能源等各种有利外界因素,实现多能互补、综合利用,构建可靠稳定、节能省钱的采暖/ 供冷系统。系统原理如图1 所示。

图1 蓄能互联热泵系统原理图

蓄能模块不仅可提升空气源热泵动力模块的运行效率、运行可靠性和寿命,还提供利用各种其它免费能源的可能性,如太阳能、废气、废水等,做到多能互补、综合利用,最大限度的实现低成本环保。在峰谷电价差显著的地区,蓄能模块在冬季制热工况下,起到均流调节作用,有效保障极端天气状况的热负荷需求;在夏季制冷工况下实现夜间谷电蓄冷、白天高峰时段放冷,降低系统的运行费用。

蓄能互联热泵系统突破了水地源热泵的使用限制,解决了水资源匮乏、政府禁止取水打井、地埋管系统成本高占地大且冷堆积的弊病!

2 系统构成及性能特点

蓄能互联热泵系统由一次侧空气源动力模块、二次侧变工况水水热泵和相变蓄能模块组成,通过一次侧空气源动力模块和相变蓄能的技术耦合,实现空气中所蕴含的低品位热能的采集和储存,为二次侧水水热泵系统提供有效热源。相变蓄能模块充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能,采用高密度相变储能溶液(PhaseChange Material PCM)灌装的蓄能球,相变温度为5℃,单位体积储能密度高达69.1kW·h/m3,相变蓄能球采用超声波熔焊密封,预留空腔吸收相变膨胀,全面确保系统的稳定性和耐久性。相变蓄能材料由固态转变成液态过程中吸收相变融化潜热,进行逆过程时释放相变凝固潜热。

在环境温度过低时,一次侧空气源动力模块处于全面自我保护、无法运行的状态下,蓄能模块为水水热泵系统提供相变热能,二次侧水水热泵主机具备变工况恒定水温输出的适应调节能力,源侧热源温度在0℃ 至25℃ 之间变化时设备保持稳定运行。

经过实测和对比,蓄能互联热泵相较常规的空气源热泵供暖空调系统,投资最高可减少32%、相应的配电功率减少29%、运行能耗节电21%。与土壤源地埋管热泵系统初投资相比减少54%。具备经济上“可行”和技术上“可靠”的推广运用条件,系统不仅一次投资省、配电省、运行费用省、维护费用省,而且可靠性提升、压缩机寿命提高、能解决极端天气供暖问题、能实现温度高、温差大、流量小的传统暖气片方式的供暖!

3 技术分析

3.1 一次侧空气源动力模块技术分析

常规空气源热泵系统在环境温度0℃ 以上时供热良好,但当环境温度低于0℃ 时制热能力随环境温度变化而迅速衰减,造成效率降低。低温环境运行时,空气侧换热器容易结霜,霜层增加了导热热阻,降低了换热器的传热系数,使流过换热器的空气流量降低,随着霜层的增厚,将出现蒸发温度下降,制热量下降,风机性能衰减,影响制热效率,严重时出现停机,使机组不能正常工作。不同出水温度和环境温度条件下压缩机的制热量/ 制冷量如下表1 和表2(美国谷轮压缩机性能参数)所示。

表1 制热工况性能参数

表2 制冷工况性能参数

普通空气源热泵尤其是在低温、超低温环境运行时,系统蒸发温度降低,压缩机的吸气比容增大,而压缩机理论输气量不变的,进入压缩机制冷剂的体积流量减少。蒸发温度过低,为生产较高温度热水,冷凝温度及冷凝压力几乎不变,压缩机高低压比差继续增大,必然引起排气温度过高,甚至超出压缩机本身允许的工作温度范围(见图2 所示的普通涡旋压缩机运行包络线示意图),此时压缩机压比增大,导致输气系数下降,压缩机制冷剂的循环流量减少,压缩机的耗功增大,制热量降低,性能系数降低。另外,蒸发温度过低时,压缩机压缩比增大引起排气温度快速升高,使润滑油黏度急剧下降,影响压缩机润滑,系统还会出现回液、回油不正常,内泄露问题显现。低温环境运行导致压缩机频繁起停,系统无法正常工作,严重时会烧毁压缩机。

图2 普通涡旋压缩机运行包络线示意图

相比普通空气源热泵,现有超低温空气源热泵,采用补气增焓技术,采用增气补焓压缩机、过冷却器及电子膨胀阀形成的经济器,增加了冷凝器中的制冷剂流量,加大了主循环回路的焓差,从而扩大了压缩机的使用边界(见图3 所示的增汽补焓涡旋压缩机运行包络线示意图)。即便如此,超低温空气源热泵在45℃ 出水工况下,压缩机仍处在临界点运行(如图3 蓝色工况点),环温低于-7℃ 时,压缩机在临界点运行,故障率增高,控制不当容易烧毁压缩机,增加维修风险。

图3 增汽补焓涡旋压缩机运行包络线示意图

在蓄能互联热泵系统中,一次侧空气源动力模块,在低温环境中只需向相变蓄能模块提供不高于25℃ 的低品位热能,当极端天气状况,相变蓄能材料放热凝固后,在避过几小时低于-20℃ 的极端气温,一次侧动力模块就可为蓄能模块的补充能量,溶解凝固潜热进行储能。在蓄能互联热泵系统中,即便是普通空气源热泵在15℃ 的出水工况下,压缩机也始终处在安全、高效、稳定的运行区间(见图4 普通涡旋压缩机运行包络线红色工况点)。

图4 普通涡旋压缩机低温环境稳定运行包络线示意图

在蓄能互联热泵系统中,以R22 为例,空气源热泵压缩机吸排气压力在不同的环境温度、出水温度条件下,其对应的压缩比的变化见图5。

图5 涡旋压缩机压缩比变化图

显然可见,蓄能互联热泵系统在-20℃ 低温环境运行时,其压缩比仅为12.625,与常规空气源热泵压缩机压缩比28.391相比,降低55.5%,使得设备可靠性大幅提升,故障率降低,后期维修费用极低。

3.2 相变蓄能模块的技术指标

相变蓄能模块利用载冷剂的显热和相变储能材料的潜热储存和释放能量,其最大的优势是高蓄能密度,并且能够在恒定相变温度下储能与释能,5℃相变材料在蓄能互联热泵系统中的温度变化规律见图6。

图6 储能与释能温度变化曲线

相变蓄能模块由蓄能球(见图7)、蓄能罐(见图8)、载冷剂组成。

图7 相变蓄能球图8 卧式蓄能罐

蓄能球具有全国独家配方和原装生产工艺,使用1.5mm 厚高密度聚合烯烃材料(HDPE)球壳,直径98mm,内注高密度相变储能溶液,单位体积储能密度高达69.1kW·h/m3,预留空腔用于吸收相变膨胀,超声波熔焊密封,预留空腔吸收相变膨胀,球状体换热面积大、表面光滑不易结垢或附着杂物。技术参数见表3。

表3 AC.05 型蓄能球技术参数表

蓄能罐中充填蓄能球及载冷剂,罐体可设计为卧式、立式或方形,可根据场地条件设计,可在现场焊制,在室外、室内或地埋安装。罐体可采用普通Q235B 钢,内表面用环氧树脂处理,整体式发泡保温。决定蓄能模块技术性能的主要因素还有布水器和系统流程。不同形式的蓄能罐都设计有专用的布水器,使载冷剂沿着容器分层均匀流动,载冷剂进口为底部扩散器,以保证罐内自然分层,并且保障通过蓄能罐的压降为0.025Mpa(相当于需要2.5米水柱的压降),采用方槽必须为常压。

3.3 二次侧变工况水水热泵模块的选型计算

通过一次侧空气源动力模块或其它低品位可利用热能与相变蓄能模块的技术耦合,创造了一个可靠稳定、可再生、可循环利用的人工热源,温度介于0℃ 至25℃ 之间。二次侧水水热泵主机从人工热源提取低品位热能,工质在蒸发器吸收热量成为温低压制冷剂蒸气,压缩机吸气并做功,将高温高压蒸气排入冷凝器释放热量,温度降低并凝结成液体,从冷凝器排出的高压制冷剂液体经过节流阀,成为低温低压下的湿蒸气,再次进入蒸发器吸收载冷剂的热量而气化,往复循环,其卡诺循环示意如图9。

图9 蓄能互联热泵系统卡诺循环示意图

以水水热泵(压缩机为汉钟RC2-580A-H制冷剂为R134a )COP 值为参考示例进行蓄能互联热泵系统的能效计算。水水热泵:15℃ 进水/45℃ 出水,COP 为4.69; 常规空气源热泵:-20℃ 环境温度/45℃ 出水,输入功率21.5kW,制热量38.18kW,COP 为1.78。

蓄能互联热泵(COP)计算如下:

如果需要提供38.18kW 的热量,二次侧变工况水水热泵模块输入功率P2=38.18kW÷4.69=8.14kW,则在环温-20℃ 时,蓄能互联热泵系统需要由空气源动力模块提供热量(温度15℃)Q=38.18kW-8.14kW=30.04kW。一次侧空气源热泵模块输入功率为P1=30.04÷3.63=8.27kW。

一次侧动力模块和二次侧热泵模块共计输入功率PP1P2=8.27kW+8.14kW =16.41kW,则蓄能互联热泵COP=Q÷P=38.18kW÷16.41kW=2.33。

在同等条件下(环温-20℃),空气源热泵即使可以正常工作,其COP 也仅为1.78,也就是蓄能互联热泵在-20℃ 的环温条件下,制热效率提升了30.9%。

(注:上述按昼夜温差10℃ 计算,提升的蒸发温度将导致设备效率增加30%,未考虑蓄能互联热泵昼夜温差的蓄放调节;在系统中两台循环水泵功耗一般占水水热泵主机功耗的18%,由于计算篇幅过长,在此做简单平衡抵消处理,将另文分析)

3.4 节能优化控制

蓄能互联热泵供暖供冷系统,采用空气能或自然界其他免费的低品位热能实现冷热源的配置。从节能和降低系统运行费用的角度出发,设计与“多能利用”相适应的运行策略,做好季节环境温度和末端负荷波动变化情况下的互补调节,实现系统最优运行。

基于对节能运行策略的模拟研究,正在研究开发节能诊断监控平台,最终能实现系统各设备运行数据的采集、分析、远程数据交互等功能,能进行供能系统的节能诊断分析,通过控制管理实现最大化节能优化。系统平台还可以兼具远程控制设备起停、参数设置、报警提示等功能,全面保障系统供暖供冷稳定运行,达到无人值守、自动控制的目的。

4 实际应用—— 技术的可靠性和经济性验证

首例蓄能互联热泵系统项目—— 国家电网兰州供电公司建西110KV 变电站家属楼暖气片供暖改造项目(见图10),建筑面积约为2000m2,为5 层老式建筑,共有住户30 家。采暖方式为老式铸铁暖气片,部分住户自行安装新款暖气片。2016 年由于无法继续采用锅炉供暖且无法接入市政热网、又不具备打井取水和地埋管敷设条件,决定试用法凯涞玛蓄能互联热泵系统(见图11)。2016 年10 月24 号,该项目投入使用(见图12、图13、图14、图15、图16、图17)。经过一个采暖季的实践表明:系统运转良好,用户非常满意,并得到了相关领导的高度认可。

图10 项目所在地 图11 蓄能互联热泵机房

图12 一次侧空气源动力模块 图13 相变蓄能模块

图14 二次侧高温热泵机组  图15 供水温度60℃ 

图16 暖气片表面温度54.7℃  图17 节能诊断数据采集仪

运行能耗及费用情况( 见图18):12 月运行电耗18629kW·h, 电费8363 元,1 月份运行电耗21070kWh, 电费9176 元,2 月份运行电耗19908kW·h,电费8619 元。以此计算,月均采暖费用为4.35 元/m2,采暖季按5 个月计算,采暖费21.79 元/m2,相比原来锅炉热力管网收费25 元/m2,暖气片采暖费减少13%。

兰州供电公司家属楼暖气片改造项目的成功实施,实践验证了蓄能互联热泵系统的可行性、经济性,能够在旧暖气片供暖系统的改造中提供60℃ 热水且稳定运行。

5 结  论

我国北方供暖方式中,城市主城区集中供热(城市供热管网)占主导地位,“污染程度”最高的燃煤小锅炉和散烧煤遍及广大周边城镇及农村地区,天然气锅炉等占小幅比例,电锅炉、热泵等电采暖占有率仍然不高。燃煤取暖,不仅大量消耗煤炭资源,还排放大量废气、废物,污染空气和环境。近年来,一到冬季采暖时期,雾霾指数、天数就会爆表。在“铁腕治霾”的背景下,“十三五”时期将不断加强节能减排和大气污染治理,强化建筑节能、推进农业农村节能、加强公共机构节能,重点污染地区燃煤小锅炉淘汰力度将加大,提倡“煤改电”空气能热泵采暖、大力开发地热能等清洁供暖替代燃煤锅炉,已成为治理雾霾和调整能源结构的主要措施。现有的各种采暖技术都存在各自的适用范围和条件,政府低电价补贴等方式对空气能采暖的扶持不可能长期持续,也不能切实保障低环温可靠采暖。蓄能互联热泵系统,通过综合技术创新有效地突破了单一技术运用的客观限制,使得常规空气源热泵的使用边界扩大、稳定性增强、投资减少、故障率降低,使北方寒冷地区因水资源匮乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆积严重”而无法使用水地源热泵、地埋管热泵系统的项目有了新的技术选择。相信蓄能互联热泵系统必将为习主席提倡的“清洁采暖、减少雾霾”的要求做出贡献。

参考文献

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说明:本届热泵学术年会论文集共收录论文41篇,近期将陆续通过学会公众号发布,敬请关注。

中国建筑学会暖通空调分会和中国制冷学会空调热泵专业委员会(简称全国暖通空调学会,英文缩写:CCHVAC)由全国范围内科研院所、高等院校及企业等权威专家组成,下设供暖、空调、热泵、通风、净化、计算机模拟和青年七个专委会。秘书处设在中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院。

微信公众号:cc-hvac


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