浅析热泵结合工业余热供热

摘要 本文介绍工业余热的利用技术。分析了热泵对工业余热水温的适应性。阐述了一次水系统的输送泵耗与热泵机组COP之间的关系，分布式变频泵技术与热泵技术结合时的运行调节方式。 能源是人类生产、生活的驱动力，在经济高速发展的当今社会，人类对能源的需求量也越来越大。供需矛盾的日益凸显以及能源消耗带来的环境污染及诸多社会问题，使人们意识到节能减排、能源再利用的重要性。在此背景下，利用工业余热进行大面积的集中供热，不仅避免了废热向大气中排放，还能满足人们冬季采暖的需求。 本文针对化工行业产生的低温工业余热利用的工艺流程图如下： 图1显示（见图1），通过对塔前的工艺水系统改造，设置电动阀门f1、f2。当采暖季，关闭f1，打开f2。将化工系统的回水直接通过工艺供水管网输送至换热器前。通过换热器一次侧换热将热量换至一次网水中，再由工艺回水管网输送至塔池。最后由塔池去化工系统。板式换热器二次侧的一次网回水，进入板式换热器吸收热量后通过一次供水管网进入各热泵机组的蒸发器。 通过热泵提温后进行采暖，需要解决以下几点问题： 1 分布式变频输送技术与热泵技术结合时的运行调节 在传统供热领域，分布式变频输送技术得到了很好的推广应用。而利用分布式变频技术，通过热泵将工业余热提温再进行集中供热时，遇到新的问题。在传统供热领域中，分布式变频技术的一次网循环主泵的频率根据零压差点的压力来调节，各热用户加压泵频率根据采暖温度进行调节（2~4）。由工艺流程图可知，一次网循环水需要进入热泵机组的蒸发器，若一次网加压泵根据采暖温度调节，可能导致进入蒸发器的流量过低，机组就会因吸气压力过低等原因而报警并停止运行。 显然，靠调节采暖侧的温度不能满足运行要求。针对此种情况，本文提出利用一次网入小区热泵站回水管内的流量控制一次网加压泵的频率，并设置流量低限报警值一般设为机组设计流量的70%。运行调节需要根据热泵开启台数，相应的调整一级网加压泵的台数，从而调整一次网的水量。见图1，举例说明：  见图1、图2，在华北地区，采暖实际负荷为设计负荷50%~70%的时间段约为整个采暖季的50%，即在此时间段内，可开启一台机组运行，同时关闭一台加压泵。采暖实际负荷为设计负荷70%~100%的时间段约为整个采暖季的10%[5]。此时，靠循环水泵的变频实现水量调节。采暖负荷在25%~50%之间时，开一台热泵、一台加压泵，并且加压泵变频运行。这里需要指出的是：与传统供热不同，虽然通过加压泵变频实现节水，但由于进入热泵机组蒸发器侧的循环水量降低，可能会导致热泵机组实际运行时的COP降低，最终背离系统整体节能的目的。 例如：一台热泵机组制热量1800kW，热泵设计COP 为5.2，即热泵机组功率为346kW。当蒸发器侧循环水量将至设计水量的70%时，由于蒸发器内的换热不充分，热量不能充分传递。导致机组的制热量达不到，热泵的COP有可能为5，制热量衰减为1730kW。反而，若想制备1800kW的热量，需要耗电360kW。这时，就需要将水泵变频所节省的电量与热泵机组增加的耗电量相比较。 由于工业余热水温本身就比较低，进行长距离输送时，若温差太小，会导致输送泵耗太大。对于相同水量的一次水，适当增大一次网供回水温差，可以扩大供热面积。而如果增大温差，有两种做法：一是提高一次网的供水温度，一是降低一次网的回水温度。如果提高一次网的供水温度，首先会受热源水温的限制，像炼化企业，设计的工艺水温只有40℃，实际运行仅32℃左右。 另外，如果一次水供水温度过高，普通的螺杆或离心热泵机组蒸发器侧的进水温度上限值在25℃左右，若高于25℃，热泵机组的价格将翻倍甚至更多。显然，一次水的供水温度不能太高。而回水温度若过低，普通热泵机组会出现低温报警，甚至出现机组故障。或热泵机组的造价增高、机组COP降低导致运行成本增加。因此一次水的输送温度及温差的确定要考虑输送泵耗、热泵机组允许并且比较经济的输送温度及温差、一定水量、温差所能满足的供热面积、一次网的初期投资。考虑到上述三个因素，将一次网的供回水温度定为25℃/5℃。 2 一次水输送减少泵耗与热泵机组COP的关系 一次网的供回水温度为25℃/5℃时，对于一次网主泵没有任何问题，对于热泵机组而言，20℃温差实现起来比较困难，本文提出在热泵机组的一次网供回水管上加混水阀，将热泵机组回一次网的回水混入热泵机组供水侧，从而实现拉大系统一次网温差，降低输送泵耗的目的。需要指出，供回水混合后供给热泵机组，降低了进入热泵机组的水温及热泵机组的COP。应尽量提高一次网主网的供水温度，使混合后的水温提高。 3 问题浅析 由于每个系统的运行策略受很多因素影响，在此不再详细叙述某种具体的运行方式，浅析以下几个问题。 第一，在项目前期，供热面积比较小，因而采暖负荷比较小。对于传统供热方式，一般采用通过水泵变频减少流量的方法，以降低一次网的输送泵耗，而对于这种系统，考虑一次水流量的同时，还要考虑到热泵机组的供水量及进入蒸发器的温度、温差对热泵机组COP的影响，最终反应为供热效果及运行费用上。 第二，供热面积一定时，设计供回水温差越大，总投资及初期投资就越小，热泵机组的COP也会越小，系统运行费用越高。 第三，一次主管网管径一定，供回水的温差越大，供热面积就越大，收取的管网建设费越高，整个项目周期内热泵机组平均COP越低，运行费用越高。在整个项目周期内，收取的管网建设费与热泵机组因COP 降低而增加的运行费用有一个最佳关系点[7]，在此点时，整个项目利润是最高的。 第四，主管网是一次敷设到位的，而供热面积是逐年增加的，在项目前期，负荷小的时候，一次管网的供回水温度不是25/5℃。而是根据供热面积，适当提高回水温度值，以提高热泵机组的COP，降低热泵机组的电耗。 第五，如第三条所述，针对项目未达产时就进行采暖的单体建筑，在整个项目期内，由于一次网的供回水温度是不同的，可能开始25/15℃运行，后变为20/10℃运行，最后为15/5℃运行。热泵机组的造价、不同供回水温度的运行时间、热泵的COP，这几个互相关联的因素决定了热泵机组选型是否合适。 在进行低品位余热供热时，热泵对工业余热水温的适应性，一次水系统的输送泵耗与热泵机组COP之间的关系，分布式变频泵技术与热泵技术结合时的运行调节方式，都是与传统供热有所不同的。（石家庄国融安能分布能源技术有限公司　张云改　邢瑶　石家庄电业设计研究院有限公司　赵庆娟　南京枫叶能源设备有限公司　林伟华）