吸收式熱泵在供熱系統中的最佳出水溫度確定

王月鶯 逯多威

清華同方人工環境有限公司

0 引言

吸收式熱泵在蒸汽、熱水或燃氣、煙氣等熱源驅動下，能夠回收低溫余熱，進而提高中溫側水溫，可為用熱場合提供熱量，但目前主要用于區域供熱較多。在供熱系統中，熱泵往往全部或部分負擔供熱負荷，這樣熱泵在整個供熱負荷中的占比問題，即熱泵的最佳出水溫度的確定，便成為應該關注和解決的問題。

1 吸收式熱泵熱水出口溫度的內在和外在影響因素

吸收式熱泵的供熱出水溫度即指一次網回水經吸收器和冷凝器加熱后的出水溫度，這一溫度的內在影響因素是冷凝壓力和吸收器內溶液的最低溫度[1]，而外在的影響因素則有余熱的好壞、運行的調節方式、熱泵在供熱系統中的占比問題以及一些人為因素等。正因為影響因素較多，因此尋找一種較科學及簡捷的方式來確定熱泵熱水出水溫度是比較迫切的。但是不是說熱泵的出水溫度越高越好呢？

2 提高熱泵設計出水溫度對熱泵性能和系統造價的影響

在實際工程中，為了盡可能回收余熱，因此熱泵出水溫度往往都是盡可能做到較高，但是實際上，由于COP值的降低，運行的調節方式等，會造成熱泵偏離高效區運行，結果回收的熱量反而不盡理想。

如圖1所示：依據熱平衡原理，得

圖1 吸收式熱泵原理圖

從以上公式分析，理論上COP一定時，從回收余熱的角度來分析，熱泵出水溫度trc越高，則回收的熱量Qy越多，越節能。但事實上是這樣嗎？

首先從熱泵工作原理來分析，熱泵熱水出水溫度高，就相當于熱泵的冷凝溫度高，而冷凝溫度提高后，熱泵的實際COP值是降低的[2]，因此，實際回收的熱量并不一定會相應地按比例提高。

下面舉例說明：北京地區冬季擬采用熱泵加汽水換熱器的形式來為某區域供暖，系統采用間接供暖形式，首站設計供回水溫度為105/55℃，二級站供回水溫度為70/45℃，冬季室外采暖計算溫度為-9℃，室外采暖平均溫度為-1.9℃，若系統一次管網采用質調節[3]，則調節性能如表1所示。

表1 熱網質調節特性表

從表格中看到：熱水網路供回水溫度是隨著室外氣溫的變化而變化的，在采暖室外平均溫度下，熱網供水溫度為84.5℃，而熱泵在余熱較好的情況下，最高出水溫度可以達到95℃，那是不是就將熱泵的出水溫度定為95℃呢？顯然不是，因為熱泵出水溫度提高，意味著熱泵造價也相應地提高，而熱泵造價在供熱首站是占主要部分的，同時一次網供水溫度隨著室外氣溫的提高是降低的，因此實際上熱泵的出水溫度是一個應經技術經濟論證的最佳溫度，熱泵在這個溫度下運行，一方面可以降低整個系統的投資，另一方面也可以保證熱泵盡可能回收余熱。

3 熱泵最佳供熱出水溫度的確定

3.1 供熱系數

首先定義供熱系數α：設室內設計溫度為tn，冬季采暖室外計算溫度為tw，冬季采暖室外平均溫度為twp，則

例北京地區，冬季室外采暖計算溫度為-9℃，采暖室外平均溫度為-1.9℃，若室內設計溫度采用18℃，則供熱系數α=(18+1.9)/(18+9)=0.737。

3.2 供熱系數與熱泵最佳出水溫度關系

熱泵最佳出水溫度與熱泵在系統中負擔熱負荷比例、余熱情況、設備造價、回收期、調節方式等均有關系，是一個需經技術經濟確定的重要的參數，而技術經濟分析方法較多，下面以常用的固定投資回收期來進行分析。

如圖2所示：某供熱系統，一次網設計供回水溫度為tg/th℃、熱泵進出口溫度為trc/th℃，汽水換熱器進出口溫度為tg/trc℃，一次網流量為G t/h；單位熱泵造價為x萬元/MW，熱價為y元/GJ。

圖2 供熱首站簡單示意圖

這樣熱泵負擔熱負荷Qr1（MW）為：Qr1=1.163×G×(trc-th)/1000，據此熱負荷選擇熱泵機組。

通常供熱首站熱泵造價是占主要比例的，通常以熱泵單位熱泵熱量投資造價來估算首站投資，即首站投資（包括熱泵和汽水換熱器）E1（萬元）為：

系統全年供熱平均熱負荷Q1p（MW）[4]為：

式中：Z表示采暖天數。

將式（5）代入式（6），推導得出

式中：Qrp1為熱泵年平均供熱負荷。

設此出水溫度下熱泵的COP值為COP1，則熱泵全年平均回收余熱量Qryp1為：

則全年回收的余熱價值為

這樣固定投資回收期P（年）為

分析上式，當熱泵設計出水溫度提高時，則COP1值降低，這樣則固定投資回收期變長，若熱泵設計出水溫度降低，由于式（9）僅是考慮回收余熱，而并沒有綜合考慮運行費，因此看似固定投資回收期變短，但是可能會導致熱泵后汽水換熱器常開，進而使得蒸汽耗量加大，使得運行費增加，因此此情況下必須結合運行調節來確定。

綜合以上分析：供熱系數α對應的熱泵出水溫度應該是一最佳出水溫度。

3.3 在工程上的應用

3.3.1 例一

唐山某新建項目設計一次網供回水溫度為105/55℃，二次網溫度為75/50℃，唐山地區冬季采暖室外計算溫度為-9℃，冬季采暖室外平均溫度為-2.9℃，這樣供熱系數α=[18-(-2.9)]/[18-(-9)]=0.69，這時對應的熱泵出水溫度為81℃。

這樣確定熱泵的進出口溫度為81/55℃，熱泵負擔熱負荷比例為(81-55)/(105-55)=69%，熱泵后汽水換熱器負擔比例為(105-81)/(105-55)=31%。

在實際運行中，若熱網采用質調節，則當室外氣溫高于采暖室外平均溫度時，熱泵后汽水換熱器關閉，熱泵高效運行，當室外氣溫低于采暖室外平均溫度時，熱泵后汽水換熱器啟動。這樣的設計及運行，一方面可以降低系統投資，另一方面可以使熱泵高效運行，盡可能多回收余熱。

3.3.2 例二

包頭某鋁廠供熱改造項目，該項目上年運行數據已給出，如表2所示。表中冬季采暖室外平均溫度的供水溫度為88.1℃。

表2 包頭某鋁廠部分供熱運行數據表

包頭地區冬季采暖室外計算平均溫度為-7℃，采暖室外計算溫度為-19℃，這樣供熱系數為0.6756，這樣熱泵最佳出水溫度為55+0.6756×(105-55)=88.78，比較所給出實際運行調節表知，88.78℃是非常合適的。

3.4 在工程上應用受到的限制

在實際工程中，各種情況都有，因此有些項目并不能完全依照上述方法來確定熱泵出水溫度，較常見的情況為：多數余熱采自電廠冷卻塔，而水冷型冷卻塔冬季進出塔溫度均較低，因此很多情況下會出現熱泵的設計熱水溫度低于熱泵最佳出水溫度的情況。

例：大唐邯鄲馬頭電廠，余熱進出口溫度為25/20℃，驅動用蒸汽壓力為0.2MPa，一次網回水溫度為55℃，這樣熱泵出水溫度只能做到72℃，此時熱泵負擔熱負荷僅占總的供熱負荷的42.5%，而供熱系數卻為0.688，因此在這種情況下則只能按熱泵實際能做到的出水溫度來設計，此時，熱泵投資降低了，但是運行費用卻加大了，可能會導致熱泵后汽水換熱器在室外氣溫不太低的情況下也需開啟，從而加大蒸汽的耗量。

還有一種情況也會遇到，即某地區供熱系數較高，但熱泵實際出水溫度做不到其對應的出水溫度。例河北蔚縣某項目，一次網設計供回水溫度105/55℃，供熱系數高達0.813，對應的最佳出水溫度應該為95.7℃，但是此項目即使余熱很好（空冷島），但是由于熱泵工質和技術原因，此項目的熱水出水溫度是不可能做到此溫度的，此時也只能按照實際的出水溫度來確定。

4 結論

1）熱泵在供熱網中出水溫度并非越高越好，在余熱較好的情況下，建議依照供熱系數來確定，當然若是改造項目，最好結合往年運行數據確定熱泵最佳出水溫度。

2）在余熱不太好或余熱很好，但供熱系數較大的情況下，則必須依據余熱及驅動熱源來確定熱泵的熱水出口溫度，這樣就會使得熱泵后汽水換熱器在室外氣溫高于冬季室外平均溫度時也需部分開啟，從而導致系統耗用蒸汽量加大。

3）本文僅對于熱網和用戶采用間接連接形式做出了分析，對于直接連接形式，供熱溫度都較低，故一般都采用熱泵全部負擔熱負荷的形式，因此熱泵設計出水溫度均采用實際能夠達到的溫度。除非余熱溫度非常低，造成熱泵出水溫度太低，例55℃，這時才考慮串接熱水換熱器，但通常此情況下建議對余熱溫度做出調整，以提高系統的經濟性。

4）由于現有一次網較多采用質調節方式，若熱網采用的是分階段改變流量的質調節方式，由于此方式供水溫度均較高，故本文觀點不并適用。

[1]周小霞.溴化鋰吸收式熱泵在供暖應用中的參數調節分析[J].資源節約與環保,2012,(2):60-62

[2]王林.小型吸收式制冷機原理與應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2011

[3]劉學來主編.城市供熱工程[M].北京:中國電力出版社,2009

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城鎮供熱管網設計規范(CJJ34-2010)[S].北京:中國建筑工業出版社,2010