熱泵技術與變頻調速技術應用效益分析

李德智，糜欣平，李濤永，王紅梅，王 鶴，閆華光

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.南京供電公司，南京 210000）

熱泵技術與變頻調速技術應用效益分析

李德智1，糜欣平2，李濤永1，王紅梅1，王 鶴1，閆華光1

（1.中國電力科學研究院，北京 100192；2.南京供電公司，南京 210000）

我國在電力供需緊張時期引入了電力需求側管理的概念，使大多數人誤以為電力需求側管理只是解決“電荒”的臨時措施，很大程度上制約了電力需求側管理在我國的發展。通過對余熱源熱泵和變頻調速項目的實際運行情況進行計算和分析，從提高能效和增加供電量2個方面說明項目實施為企業帶來較好的經濟效益，同時電力公司也可實現增供擴銷，提高售電收入，而綠色能源使用的增加與常規能源消耗的減少也為社會帶來了巨大的環境效益，從而證實電力需求側管理是當前節能減排大環境下應長期堅持的一項重要措施。

電力需求側管理；熱泵；變頻調速；能源效率

熱泵與變頻調速項目是電力需求側管理項目的重要內容。熱泵技術是一種利用地球表面或淺層水源（如地下水、地表水、河流、湖泊）或者利用人工再生水源（工業廢水、地熱尾水等）或者空氣源的低位熱能資源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的技術。熱泵機組供熱時省去了傳統的鍋爐房系統，沒有燃燒過程，避免了排塵污染；供冷時省去了冷卻塔噪音及霉菌污染以及向大氣中排放熱量而造成的“熱島效應”，是一種真正的節能環保綠色產品。

據統計，全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。考慮啟動、過載、系統安全等原因，高效的電動機經常在低效狀態下運行，采用變頻器對交流異步電動機進行調速控制，可使電動機重新回到高效的運行狀態，這樣可節省大量的電能。

余熱源熱泵和變頻調速項目可帶來多方面的效益。對于電力公司來講，開拓了電力市場，可以增加售電量，提高經濟效益；對于用戶來講，可減少經營成本，增加利潤空間；對于全社會來講，可以降低能源消耗，有利于提高能源使用效率，促進資源優化，保護環境。

本文以余熱源熱泵技術和變頻調速技術為例，通過計算和分析項目的實際運行情況，定量地分析電力需求側管理項目的實際經濟和社會效益。

1 余熱源熱泵技術應用

我國能源緊缺，一次能源及各種余熱資源利用水平較低，特別是對于溫度在30～60℃的余熱資源的能量利用水平和利用效率更低。

本節通過對余熱資源現狀及熱泵實際運行情況進行計算分析，直觀地反映了所帶來的實際效益。

1.1 余熱利用潛力分析

在分析熱泵項目的效益之前，首先需要認清當前余熱利用的潛力，分析熱泵市場的廣闊前景。

目前，我國的余熱資源主要有以下2種。

（1）生活熱水

大多數城市的生活用熱水，如刷碗、洗澡用熱水，是由電加熱器進行加熱后，在使用一次后就直接浪費掉，仍含有大量熱值。

圖1是淋浴水溫降值測試結果，將熱水出水溫度盡可能穩定在42℃左右，溫度波動不超過±1℃。從測試結果可以看出，熱水洗浴后，廢水溫度仍然達36℃左右，熱回收潛力相當大。

圖1 淋浴水溫降值測試（水流量6 L/min）

以6 L/min流量的熱水器為例，42℃標準熱水出水熱功率在1.0～1.6 kW左右，而隨廢水外排熱功率則達0.8～1.2 kW左右，熱量損失高達80%。

即，每分鐘的有效熱量為

每分鐘損失熱量約為6.05×105J。

現有絕大部分熱水器不具備外排廢水熱能回收功能，能源利用效率低下，而且熱廢水外排對環境造成了一定的熱污染。

由于熱水排水溫度大于冷水溫度，這樣就為實現熱水排水的能量回收提供了有利條件。生活熱水具有用水點分散、用水量變化大、用水的隨機性大、水質污染、重力排水、排水溫度低、熱水溫度降低速度快、熱水的一次性使用等特點，增加了熱水排水能量回收利用的難度。

（2）工業余熱

我國工業余熱的資源很豐富，可利用的潛力很大，分布也很廣，如：化工工業占8.8%，石化工業占30.9%，輕紡工業占4.0%。主要來源于各種工業爐窯、熱能動力裝置、熱能利用設備、余熱利用裝置和各種有反應熱產生的化工過程等。

我國鋼鐵行業1 000 m3以上高爐約110余座，有30座以上尚未配套爐頂壓（TRT）發電設備；有大型轉爐的企業19家，中型轉爐的企業42家，只有7家使用轉爐負能煉鋼技術。我國焦化爐干熄焦比例較低，干熄焦產量僅占機焦總產量17.4%。低熱值煤氣燃氣輪機可充分利用副產煤氣，但一次性投資較大。我國現有日產2 000 t以上新型干法窯水泥生產線225條，只有少數配裝了余熱發電裝置，合理充分利用工業余熱可以降低單位產品能耗，取得可觀的經濟效益。

1.2 余熱源熱泵基本原理

高溫水源熱泵可將各類30～60℃的余熱水直接利用，經熱泵機組進行能量提升，將溫度升到70～90℃，適用于各種供暖方式，被利用后的余熱水排水溫度最低可低于10℃，符合環保的要求。制熱工況COP可達到3.5以上。余熱回收水—水型熱泵原理見圖2所示。

圖2 余熱回收水—水型熱泵原理圖

圖2中采用二級壓縮，供給蒸發器水溫為32℃，經一級壓縮后變為54℃的水。為了提高循環效率，將水箱中部分水引至第二級壓縮機中，經二次壓縮后得到93℃的水。此水在冷凝器中冷凝時放出熱量，將低溫水加熱至82℃供熱用戶使用，該熱泵可用于許多工業部門。

1.3 增供電量及技術特點分析

將常用燃煤爐、燃焦爐、燃氣爐、燃油爐、電鍋爐與余熱回收熱水機組的費用進行比較，以日產熱水量為20 t計，運行經濟分析與對比如表1所示。

表1 各類加熱方式費用對比表

對于用戶來講，選擇不同的供熱方式，運行費用每年最多可節約16.7萬元；對于電力公司來講，通過推廣余熱回收熱水機組的使用，每年可增售電量67 963 kWh。

相對于其他常規能源，熱泵技術還具有以下優勢：

（1）高效節能。由于吸收水體中的熱能，大大減少了電能消耗，熱泵的能效比無論在制冷或制熱工況下都高于傳統制熱、制冷方式，投入1 kW的電能，可獲得4 kW左右的熱能或冷量。

（2）環保安全。以水為介質，系統運行無燃燒過程，無污染排放，水源水循環封閉無利用，不會造成水源污染。

（3）一機多用。一套設備既可供熱、供冷，還可以提供生活熱水。作為制冷機使用時還可以回收余熱。

（4）運行費用低。節能特點決定其運行費用低于燃煤鍋爐，僅占傳統中央空調的30%～50%。

（5）節約投資。因其多功能的特性，其總投資額僅為傳統空調系統的60%，且系統運行壽命長，易安裝，工期短，更改方便。

（6）占地面積小。機組體積小，且省去冷卻塔和鍋爐房，甚至可不設機房。

（7）應用范圍廣。可廣泛應用于工農業生產、商業樓宇、醫院、學校以及體育場館、別墅區、住宅小區、公共場所等民用建筑。

2 電能源替代

電能源替代市場是通過改造和更新企業的技術和工藝，用電能替代其他能源而形成的用電市場，電力的清潔環保和可再生性決定了其將替代其他能源，使電力的潛在需求增加，有著非常廣闊的前景。

福建省是我國開展電能源替代典型省份，據了解，2008年福建省電力公司大力開拓自供區、自備電廠、能源替代、家庭用電和跨省區交易等五大市場，新增小水電上網裝機容量154 MW；促使造紙、水泥等行業自備電廠減發電量397 GWh；推廣應用電窯爐、電鍋爐、熱泵等電力設備，新增替代容量51.8 MW；外送電量2.91 TWh。

2009年，福建省電力公司繼續推進增供擴銷工作，深入挖掘自備電廠、能源替代等五大市場潛力，可拉動售電量增長2.05 TWh。推動出臺自備電廠減發電政策，實現減停發電量700 GWh。重點推廣應用熱泵技術和蓄冷、蓄熱設備，實現新增替代容量63.3 MW。

與其他化石能源相比，在生產工藝中利用電能供熱可以提供均勻的溫度保證，方便電腦實時控制溫度，有利于保證產品質量。

3 電動機調速技術

風機和水泵占電力傳動系統應用的60%。常規恒頻電源下大部分風機與水泵系統實際運行效率僅為30%～50%，其電能損耗占總發電量的38%以上。應用電動機調速技術可以有效降低電動機空載能耗，達到節能降耗的目的。

由流體傳輸設備的工作原理可知：水泵、風機的流量（風量）與其轉速成正比；水泵、風機的壓力（揚程）與其轉速的平方成正比，而水泵、風機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵、風機的軸功率與其轉速的3次方成正比（即與電源頻率的3次方成正比）。其頻率變化與節能量變化的關系如圖3所示。

由圖3可知，用變頻器進行流量（風量）控制時，可節約大量電能。中央空調系統在設計時一般按現場最大冷量需求考慮，其冷卻泵、冷凍泵按單臺設備的最大工況考慮，在實際使用中冷卻泵、冷凍泵有90%的時間都工作在非滿載狀態下。而用閥門、自動閥調節不僅增大了系統節流損失，而且由于對空調的調節是階段性的，造成整個空調系統工作在波動狀態。而通過在冷卻泵、冷凍泵上加裝變頻器，不僅能夠解決該問題，還可實現自動控制，且通過變頻改造帶來的節能可收回投資。同時變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對系統的平穩調節，使系統工作狀態穩定，并延長機組及網管的使用壽命。

因此，隨冷負荷變化改變循環水流量的變流量空調水系統顯示了巨大的優越性，得到越來越廣泛的應用。采用變頻器調節水泵的轉速，可以方便地調節水的流量，根據負荷變化的反饋信號經PID（比例、積分、微分控制）調節與變頻器組成閉環控制系統，使泵的轉速隨負荷變化，這樣就可以達到節能的目的，其節能率通常在20%以上。但是改造后的節電率與用戶的使用情況密切相關，一般情況下，春、秋2季運行節電率較高，可達40%以上，夏季由于用戶本身需要的電能就大，可節省的空間有限，一般在20%左右。

以中央集中空調系統為例，其水泵系統的變頻改造原理如圖4所示。

圖4 變頻原理示意圖

某大廈集中空調系統的冷卻泵循環系統參數如表2所示。

表2 水泵運行參數

（1）節能量計算

根據GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式，可得1號冷卻水泵進行變頻改造后的消耗功率P1為19.45 kW。

通過現場測試數據分析，該大廈集中空調系統的冷卻泵運行的平均功率為65.63 kW，則改造后節約的功率為（65.63-19.45）kW=46.18 kW。

（2）節省電費計算

該大廈執行北京地區商業分時電價，執行電價情況見表3。

表3 電價執行情況

由表2可近似計算出平均電價0.873元/kW，則冷卻泵改造后每月可節約的電費為

由于變頻改造對空間要求不高，技術簡單易行，可以很快收回投資并長期受益。本例以工程改造費用為8萬元為前提，在2.76個月內即可收回投資。

4 結論

通過計算分析可以看出，電力需求側管理項目能夠為企業、電力公司、社會帶來較好的效益，實現三贏的局面。新的節能減排目標要求全社會參加到節能減排的巨大工程之中，而電力需求側管理項目為該目標的實現提供了技術手段。因此，需要提高全社會對電力需求側管理在提高電能效率方面的認識，推廣電力需求側管理技術的應用，降低全社會能源消耗，建設節約型社會。

但是電力需求側管理新技術應用也需要因地制宜，建立健全相關管理與監督機制，避免出現負面作用，保證工作順利開展。如：熱泵技術的應用，尤其是地下水源熱泵，必須制定相應的保護措施，加強監督管理，要有計劃地推行，不能走先破壞后治理的道路；變頻改造，也要考慮諧波對電網及其他設備運行產生的影響。

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The benefit analysis of heat pump and frequency conversion technology

LI De?zhi1，MI Xin?ping2，LI Tao?yong1，WANG Hong?mei1，WANG He1，YAN Hua?guang1
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.Nanjing Electric Power Supply Company，Nanjing 210000，China）

DSM was introduced in China during power short?age.Most of people mistakes that DSM is only a temperary measure to solve power shortage which restricts the development of DSM.In this paper，the projcets of heat pump and frequency conversion are analyzed on the efficiency and benefit.They can improve the energy efficiency and enhance the power supply，which can not only bring in favorable economic benefit，but also can increase the revenue of power company.The application of new green energy and reduction of conventional energy consumption can bring in considerable envi?ronment benefit.As one of the important measures in energy?saving and emissions reduction，DSM should be applied chronically.

DSM；heat pump；frequency conversion；ener?gy efficiency

F407.61；TK018

C

1009-1831（2010）06-0038-04

2010-05-11；修回日期：2010-06-12

李德智（1982—），男，河北唐山人，碩士，從事能效測評與節能技術、電力需求側管理研究工作。