周 玨，羅 凡，羅庚玉，陳建平，余承霖，周 強

（1.國網(wǎng)（江蘇）電力需求側管理指導中心有限公司，南京 210019；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730050；3.法凱淶瑪冷暖設備（杭州）有限公司，杭州 310007；4.國網(wǎng)江蘇省節(jié)能服務公司，南京 210019；5.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230061）

◆能效與負荷管理◆

高效蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)技術及應用

周 玨1，羅 凡2，羅庚玉3，陳建平3，余承霖3，周 強4

（1.國網(wǎng)（江蘇）電力需求側管理指導中心有限公司，南京 210019；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730050；3.法凱淶瑪冷暖設備（杭州）有限公司，杭州 310007；4.國網(wǎng)江蘇省節(jié)能服務公司，南京 210019；5.國網(wǎng)安徽省電力公司，合肥 230061）

在目前國家大氣污染治理工作背景下，針對我國嚴寒地區(qū)及寒冷地區(qū)無法使用水地源熱泵或地埋管熱泵問題，以及使用空氣源熱泵存在能效比低、故障率高等問題，提出蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)清潔采暖方案，通過綜合技術創(chuàng)新突破單一技術運用的客觀限制，打造“不打井、不做地埋管”的水-水熱泵系統(tǒng)，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴大、穩(wěn)定性增強、投資減少、故障率降低，并且能夠在暖氣片供暖系統(tǒng)改造中穩(wěn)定提供60℃熱水。以國網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓暖氣片改造項目為例，進行了方案設計、設備選型和運行效果分析，驗證了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性。

蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)；清潔供暖；節(jié)能減排；暖氣片采暖改造

現(xiàn)有的采暖空調(diào)技術雖都具有各自的技術優(yōu)勢，但也存在一些技術限制和使用瓶頸，如：水源熱泵系統(tǒng)投資小、運行穩(wěn)定，但在水資源匱乏地區(qū)，取水或打井均不被允許；土壤源熱泵系統(tǒng)成本高、占地面積大、且容易造成冷堆積等問題；空氣源熱泵應用非常廣泛，但其低溫環(huán)境下能效低、壓縮機高壓比運行、故障率高，按最大熱負荷要求配置使得投資大、設備閑置率高，發(fā)展受到一定制約。此外，很多使用暖氣片散熱器采暖的改造建筑，在燃煤鍋爐拆除后，面臨或者因為常規(guī)的空氣源熱泵無法滿足“小流量、大溫差”的高溫供熱要求，或者由于“煤改氣”管網(wǎng)不具備接入條件或燃氣費用高、“煤改電鍋爐”需要擴容增容等各種實際問題。

采暖問題面臨的嚴峻形勢，使探索可持續(xù)發(fā)展的清潔采暖技術具有非常現(xiàn)實且重大的意義。蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)是利用空氣能和相變蓄能技術耦合水水熱泵，推出了“不打井、不埋管”的清潔采暖系統(tǒng)，并專門開發(fā)設計了暖氣片專用熱泵機組，實現(xiàn)了暖氣片“小流量、大溫差”的供暖技術要求。同時使壓縮機的壓縮比降低近一半，有效解決了極端寒冷天氣下壓縮機容易故障并損毀的難題，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，大大節(jié)省維護費用，實現(xiàn)節(jié)能運行，還可利用峰谷電價差節(jié)約電費，開創(chuàng)了“清潔采暖、節(jié)能降霾”的新思路。

1 項目概述

我國北方采暖地區(qū)，大多主城區(qū)采用市政熱力管網(wǎng)集中供暖，城區(qū)周邊分散區(qū)域的住宅小區(qū)、醫(yī)院、學校等老舊建筑，仍然使用區(qū)域小鍋爐房供暖站，室內(nèi)大都使用暖氣片散熱器采暖。國家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓，建筑面積約為2 000 m2，為5層老式建筑，共有住戶30家。采暖方式為老式鑄鐵暖氣片，因采暖效果不佳，部分住戶自行改造安裝新款暖氣片。

國網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓由于所處地理位置和原先的規(guī)劃設計，與原蘭州機車廠共用燃煤鍋爐進行采暖，由于機車廠搬遷改建以及環(huán)保部門對燃煤鍋爐的禁止使用，且由于不能接入市政熱力管網(wǎng)，國網(wǎng)蘭州建西變電站為保障家屬樓職工的采暖民生問題，結合家屬樓外墻無保溫，暖氣片采暖、熱力管網(wǎng)保溫條件不佳等各種實際問題，就水地源熱泵、空氣源熱泵等清潔采暖的技術方案進行了調(diào)研：

（1）水/地源熱泵系統(tǒng)屬可再生能源利用技術，水源熱泵能效比高，環(huán)保效益顯著，但禁止打井取水；土壤源熱泵系統(tǒng)通過閉式循環(huán)吸收淺層地熱，北方寒冷地區(qū)尤其是暖氣片采暖方式下，冬季熱負荷大、夏季空調(diào)冷負荷小或者無需制冷，地埋管換熱系統(tǒng)容易造成冷堆積，導致?lián)Q熱量衰減，在已建項目改造中，地埋管占地面積大、投資高，不具備可行的條件。

（2）空氣源熱泵系統(tǒng)通過采集空氣中的低品位熱能實現(xiàn)供暖，系統(tǒng)安裝簡單、運用廣泛，但其低溫環(huán)境條件下，制取高溫熱量的能力衰減，制熱量小，能耗高，而且僅適合地板采暖和風機盤管的采暖方式，不能滿足暖氣片的使用要求。此外，由于運行條件惡劣，造成維修費用和故障率居高不下。

這幾種常見的冷熱源解決方案，都有著各自的使用條件限制，而且常規(guī)的水地源熱泵主機或是空氣源熱泵都是按照末端供回水5℃為基本標準來設計換熱器的，并據(jù)此進行設備核心部件的選型設計和加工制造。無法通過熱泵設備本身去滿足暖氣片大溫差供熱的技術要求，除非專門設計各關鍵部件，但結果會導致投資增加、通用性降低的短板。蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，通過空氣源熱泵和（或）其它廢熱余熱與相變蓄能技術結合互聯(lián)，解決了水水熱泵源側低溫熱源的問題，同時通過系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了“小流量、大溫差”控制方式，能夠滿足暖氣片大溫差供暖散熱改造的“節(jié)能、可靠、穩(wěn)定”的要求。圖1為國家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓。

圖1 國家電網(wǎng)蘭州供電公司建西110 kV變電站家屬樓

2 蓄聯(lián)熱泵方案設計

蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)將空氣源熱泵、水源熱泵的優(yōu)勢通過相變蓄能模塊有效組合，是成熟的蓄能技術和熱泵技術的綜合利用。通過蓄能模塊的介入，拓展了水源熱泵和空氣源熱泵的使用條件，克服各自的限制和性能弱點，最大限度利用自然能源（晝夜氣溫的變化）、“峰谷”電價差以及其它無償能源等各種有利外界因素，實現(xiàn)多能互補、綜合利用，構建可靠穩(wěn)定、節(jié)能省錢的采暖系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)原理圖

蓄能模塊不僅可提升空氣源熱泵動力模塊的運行效率、運行可靠性和壽命，還提供各種其它免費能源利用的可能性，如太陽能、廢氣、廢水等，做到多能互補、綜合利用，最大限度實現(xiàn)低成本環(huán)保運行。

國網(wǎng)蘭州建西變電站家屬樓暖氣片改造項目中，最終采用了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)，設計供暖溫度60℃至65℃，供回水溫差15℃，室內(nèi)溫度18±2℃。由于項目所在地近3年最低溫度為-18℃，最冷月份夜間溫度在-5℃至-15℃之間，白天溫度在0℃左右。設計單位面積熱負荷指標為80 W，總熱負荷為144 kW。系統(tǒng)配置法凱淶瑪AWHD0501A4水水熱泵主機1臺，制熱量150 kW；蓄能平臺體積4 m3，內(nèi)部填充的法凱淶瑪AC00相變蓄能材料3 m3；FMCH020BH（65模塊）低溫空氣源熱泵2臺。

3 主要設備選型及性能分析

蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)由一次側空氣源動力模塊、二次側變工況水水熱泵和相變蓄能模塊組成，通過一次側空氣源動力模塊和相變蓄能的技術耦合，實現(xiàn)空氣中所蘊含的低品位熱能的采集和儲存，為二次側水水熱泵系統(tǒng)提供有效熱源。相變蓄能模塊充分發(fā)揮了相變蓄能、冷熱均流和調(diào)節(jié)蓄放的功能。圖3為國網(wǎng)蘭州建西變電所家屬樓機房。

圖3 國網(wǎng)蘭州建西變電所家屬樓機房

3.1 一次側空氣源熱泵

一次側空氣源熱泵模塊，在低溫環(huán)境中只需向相變蓄能模塊提供不高于25℃的低品位熱能，極端天氣狀況下，相變蓄能材料放熱凝固后，避過幾小時低于-20℃的極端氣溫，一次側動力模塊就可為蓄能模塊補充能量，溶解凝固潛熱進行儲能。在蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)中，空氣源熱泵在15℃的出水工況下，壓縮機始終處于安全、高效、穩(wěn)定的運行區(qū)間。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)在-20℃低溫環(huán)境運行時，其壓縮比僅為12.625，與常規(guī)空氣源熱泵壓縮機壓縮比28.391相比，降低55.5%，使得設備可靠性大幅提升，故障率降低，后期維修費用極低。根據(jù)氣象條件，按環(huán)溫-5℃/出水15℃為計算依據(jù)。一次側空氣源熱泵選擇2臺FMCH020BH型模塊機組。圖4為一次側空氣源熱泵。

圖4 一次側空氣源熱泵

3.2 相變蓄能模塊

相變蓄能模塊充分發(fā)揮了相變蓄能、冷熱均流和調(diào)節(jié)蓄放的功能，采用高密度相變儲能溶液（phase change material，PCM）灌裝的蓄能球，單位體積儲能密度高達69.1 kWh/m3，相變蓄能球采用超聲波熔焊密封，預留空腔吸收相變膨脹，全面確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性。相變蓄能材料由固態(tài)轉變成液態(tài)過程中吸收相變?nèi)诨瘽摕?，進行逆過程時釋放相變凝固潛熱。蓄能罐中充填蓄能球及載冷劑，本項目采用方形水箱設計，整體式發(fā)泡保溫，內(nèi)置專用布水器，使載冷劑沿著容器分層均勻流動，載冷劑進口為底部擴散器，以保證罐內(nèi)自然分層和均勻換熱。圖5為相變蓄能模塊。

圖5 相變蓄能模塊

3.3 二次側溫度提升熱泵主機

在暖氣片采暖改造項目中，蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)設計采用法凱淶瑪暖氣片專用溫度提升熱泵機組，在環(huán)境溫度過低時，即使一次側空氣源動力模塊處于全面自我保護、無法運行的狀態(tài)下，蓄能模塊依然可為溫度提升熱泵提供相變熱能，二次側溫度提升熱泵具備變工況恒定水溫輸出的適應調(diào)節(jié)能力，源側溫度在0℃至25℃之間變化時設備保持穩(wěn)定運行。此外，在投資費用不額外增加的前提下，熱泵設備可穩(wěn)定提供供水60℃/回水45℃的大溫差小流量控制方式，確保末端暖氣片的采暖效果。系統(tǒng)配置溫度提升熱泵1臺，制熱量156 kW，功率53.4 kW。圖6為二次側溫度提升熱泵機組。

圖6 二次側溫度提升熱泵機組

4 運行效果分析

該項目自2016年10月24日調(diào)試投入運行，在2017年1月中旬（最冷時期），對系統(tǒng)的運行情況作了隨機調(diào)查，設備供水溫度為60℃，抽檢的2家用戶暖氣片實測溫度為54.6℃和52.1℃，白天環(huán)境溫度約為-8℃，室內(nèi)溫度20℃。圖7為新款暖氣片表面溫度54.6℃。圖8為老款鑄鐵暖氣片表面溫度52.1℃。

整個采暖季，對項目的運行能耗及費用情況作了統(tǒng)計，月均采暖價格為4.35元/m2，采暖季按5個月計算，采暖價格21.79元/m2，相比原來鍋爐熱力管網(wǎng)價格25元/m2，暖氣片采暖價格減少13%。各個月的采暖能耗及費用如表1所示。圖9為部分電費月結清單。

圖7 新款暖氣片表面溫度54.6℃

圖8 老款鑄鐵暖氣片表面溫度52.1℃

表1 逐月運行能耗及費用統(tǒng)計表

圖9 部分電費月結清單

為了進一步做好節(jié)能管理，設計安裝了節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀，將系統(tǒng)各設備運行數(shù)據(jù)采集后，通過軟件對運行規(guī)律、電流數(shù)據(jù)、啟停時間等數(shù)據(jù)進行節(jié)能診斷分析，制定最優(yōu)的節(jié)能控制管理方案，通過供水溫度調(diào)整和旁通流量修正，系統(tǒng)的節(jié)能水平提高，減少了運行電費。節(jié)能系統(tǒng)還可以兼具遠程控制設備啟停、參數(shù)設置、報警提示等功能，全面保障系統(tǒng)供暖穩(wěn)定運行，可以達到無人值守、自動控制的目的。圖10為節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀。

圖10 節(jié)能診斷數(shù)據(jù)采集儀

國網(wǎng)蘭州供電公司建西變電站家屬樓暖氣片改造項目的成功實施，驗證了蓄聯(lián)熱泵系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴大、穩(wěn)定性增強、投資減少、故障率降低，AIRCLIMA熱泵主機能夠在高難度的舊暖氣片供暖系統(tǒng)改造中提供60℃熱水且運行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過實測和對比，蓄聯(lián)熱泵相較常規(guī)的空氣源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)，投資最高可減少32%，相應的配電功率減少29%，運行能耗降低21%。系統(tǒng)不僅一次節(jié)省投資、配電費用、運行費用、維護費用，而且可靠性提升，壓縮機壽命提高，能解決一些極端低溫天氣的供暖問題，滿足溫度高、溫差大、流量小的傳統(tǒng)暖氣片的供暖方式。經(jīng)過一個采暖季的實踐表明：系統(tǒng)運行良好，節(jié)能效益顯著。

5 結束語

清潔供暖替代燃煤鍋爐，已成為治理霧霾和調(diào)整能源結構的主要措施?，F(xiàn)有的各種采暖技術均存在各自的適用范圍和條件，政府低電價補貼等方式對空氣能采暖的扶持不可能長期持續(xù)，也不能切實保障低環(huán)溫可靠采暖。蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)，在國網(wǎng)蘭州供電公司建西變電站家屬樓暖氣片改造項目中得到了充分的實踐，通過綜合技術創(chuàng)新有效地突破了單一技術運用的客觀限制，打造“不打井、不做地埋管”的水水熱泵系統(tǒng)，使得常規(guī)空氣源熱泵的使用邊界擴大、穩(wěn)定性增強、投資減少、故障率降低，使北方寒冷地區(qū)因水資源匱乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆積嚴重”而無法使用水地源熱泵、地埋管熱泵等問題有了新的解決方式。

［1］ 陳建平，白楊，余承霖.蓄能互聯(lián)熱泵系統(tǒng)的理論與實踐［J］.地源熱泵，2017（3）：5.

［2］ 余承霖，白楊，李洮洮.蓄聯(lián)熱泵在擴建項目中水源梯級利用的經(jīng)濟性分析［J］.地源熱泵，2017（7）：24-28.

［3］ 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 趙慶珠.蓄冷技術與系統(tǒng)設計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版，2012.

［5］ 馬最良.替代寒冷地區(qū)傳統(tǒng)供暖的新型熱泵供暖方式的探討［J］.暖通空調(diào)新技術，2001（3）：31-34.

Technology and application of high efficiency energy storage interconnected heat pump system

ZHOUJue1,LUOFan2,LUOGeng-yu3,CHENJian-ping3,YUCheng-lin3,ZHOUQiang1
（1.State Grid（Jiangsu）DSMInstruction Center Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China;2.State Grid Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China;3.Hangzhou Airclima Warmand Cold Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310007,China;4.State Grid Jiangsu Energy Conservation Service Company,Nanjing210019,China;5.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei230061,China）

Under the background of national air-pollution control,aiming at the cold area that can not use heat pump or water source heat pump of buried pipe and low energy efficiency ratio and higher failure rate of the use of air source heat pump,the energy storage heat pump system interconnection clean heating scheme is put forward,which break through the objective limit of single the use of technology through the comprehensive technical innovation,in order to create"no well,no water heat pump system of buried tube".The conventional air source heat pump utility boundary is expanded and the stability is enhanced.The investmentis failure rate are reduced,which can provide stability in the transformation of the radiator heating system in hot water 60 degrees.Taking the heating house reconstruction project of the family building in Lanzhou West substation as an example,the scheme design,equipment selection and operation effect analysis are carried out,and the reliability and economy of theheat pump systemareverified.

energy storage interconnected heat pump system;clean heating;energy saving and emission reduction;radiator heatingtransformation

F407.61；TK018

B

1009-1831（2017）06-0025-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.006

2017-08-04

國家電網(wǎng)科技項目：電網(wǎng)企業(yè)電力需求側管理目標責任考核“十三五”發(fā)展路徑研究（52110417001F）