熱泵在燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代中的應用

上海艾耐基節能科技有限公司 劉新續 湯 澤

為落實《國務院關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》（國發[2013]37號）、上海市政府制訂的《上海市燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代工作方案》和《上海市燃煤（重油）鍋爐清潔能源替代專項資金扶持辦法》的有關精神，加快推進本市燃煤（重油）鍋爐能源替代工作，公司應用空氣源熱泵和污水源熱泵技術供應公共建筑生活熱水，開展了一系列工作，并取得了一定成效。

1 空氣源熱泵技術的基本原理

空氣源熱泵技術早期用于空調供熱，基于逆卡諾循環原理，壓縮機消耗少量電能，從室外空氣吸收較多熱量，用以加熱空調熱水，供熱量等于機組從室外空氣吸收的熱量和機組耗電量之和。圖1和圖2分別是環境溫度與熱泵能效比(COP)的關系曲線和制熱水溫度與熱泵能效比（COP）的關系曲線。圖3是空氣源熱泵熱水機工作的基本原理。

從圖1和圖2可以看出，空氣源熱泵的能效比受室外環境溫度和供熱溫度的影響較大，室外環境溫度越低、供熱溫度越高，機組的能效比越低，反之則越高。以往空氣源熱泵機組主要用于空調供暖，隨著技術的進步，空氣源熱泵機組可以在冬季以較高效率運行，可以制備溫度高達55℃的熱水，能滿足冬季生活熱水供應要求。特別是對于夜間可以利用低谷優惠電價的地區，在電價優惠時段制取生活熱水，儲存在蓄熱水箱內，供全天使用。

圖1 環境溫度溫度與熱泵能效比(COP)的關系

圖2 制熱水溫度與熱泵能效(COP)的關系

圖3 空氣源熱泵熱水機工作原理

空氣源熱泵所使用的制冷劑除了氟利昂（R 410a，R 22等）以外，還有C O2。C O2熱泵可以制備高溫熱水，且在低環境溫度下也能保持較高的運行能效。這在近幾年在熱水系統中也有所應用，但目前國內尚無相關標準，而主機價格是普通熱泵熱水器的數倍，這制約了C O2熱泵的大規模推廣應用。本公司采用氟利昂作為空氣源熱泵的制冷劑。

2 空氣源熱泵技術的工程應用

（1）工況選擇

空氣源熱泵的能效受環境溫度影響較大，制備同樣的熱水量，在不同的季節所需的輸入功率差異很大，完全按照冬季最不利工況選擇熱泵，會導致設備使用率偏低，導致初投資浪費。冬季若配一些輔助加熱系統，可以在減少初期投資的同時提高熱水系統冬季運行的穩定性。

空氣源熱泵的能效還受到熱水制備溫度的影響，在滿足使用要求的前提下，適當降低熱水的水溫、增大蓄熱水箱的容積，對于熱泵系統的節能以及延長壓縮機使用壽命更為有利。

熱泵加熱生活熱水有兩種方式，其一是直熱式，即補充的冷水只需要經過熱泵的冷凝器一次，就能達到蓄熱水箱的熱水溫度；其二是循環加熱式，即補充的冷水需要在熱泵的冷凝器和制熱水箱（比蓄熱水箱容積小很多）之間循環多次，每次溫升約5℃，直至水溫達到蓄熱水箱的熱水溫度，再由制熱水箱轉移至蓄熱水箱。前者的優點是設備系統簡單，缺點是熱泵壓縮機的冷凝溫度偏高，制熱能耗偏高，長期運行會影響使用壽命。因此大多采取循環加熱的方式。由于加熱過程中，制熱水箱的水溫變化不會影響到蓄熱水箱，所以該系統完全可以滿足酒店、賓館大型建筑等單位全天24h均有穩定熱水供應的要求。

（2）案例介紹

某度假賓館共有客房157間，日用熱水量30～35t，系統改造前使用2臺2t的燃煤蒸汽鍋爐。由于鍋爐配置容量過大，長期處于大馬拉小車局面；蒸汽管道未做保溫處理，熱量損失嚴重。2011年7月～12月，共用煤170.61t，燃煤費約合12萬元。原有2名鍋爐工工資為4.8萬元/年·人。

2012年7月改為空氣源熱泵熱水系統，賓館原有洗衣業務外包，蒸汽熨燙需求消失，熱泵熱水設備容量按照實際需求選擇，熱水管道采取有效保溫措施。2012年7月～12月，熱泵共用電1.25萬k Wh，以電價0.854元/k Wh計，總費用為1.06萬元。熱泵系統全自動控制，無人工費。

與空氣源熱泵熱水系統相比，太陽能熱水系統耗電量很少，節能效果顯著，但是其使用受到天氣條件的嚴格限制，在連陰雨天幾乎不能正常使用。將空氣源熱泵熱水系統與太陽能熱水系統有機的結合起來，可以實現更加節能、可靠、經濟的運行效果。

某工廠職工浴室熱水系統，設計供熱水量為120t/d，原有制熱設備為燃煤鍋爐，2010年改為熱泵+太陽能輔助熱水系統，系統配置熱泵的額定輸入功率150k W，太陽能集熱面積300m2。改造后，系統運行費用大大降低，節能效益和環境效益顯著。

3 污水源熱泵技術的基本原理

(1)效率簡介

與空氣源熱泵相比，污水源熱泵的特點是，系統吸收的熱量來自于生活污水，而非空氣技術關鍵和難點在于系統蒸發器防堵塞、防污染與防腐蝕。數據統計顯示，應用污水源熱泵系統可比傳統的燃煤鍋爐節省l/2以上的煤炭資源。由于污水源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，其制熱系數可比空氣源熱泵高出40%左右，運行費用也可以大大降低。另一方面，污水源熱泵系統可以有效降低污水排放溫度，對于環境保護有利。

（2）案例介紹

某高校學生浴室，原有熱源設備為燃油鍋爐，運行成本高，為了充分利用洗浴廢水的余熱，2011年7月新增10臺污水源熱泵熱水機組，總額定輸入功率120k W，原熱油鍋爐改為冬季備用熱源，作為污水源熱泵系統的補充。

從實際運行的情況來看，污水源熱泵系統運行穩定，系統綜合平均能效比（COP）可達5.5，平均制備熱水的耗電量為7.3k Wh/t。污水源熱泵系統平均每天供應熱水100t（實際制熱水能力每天可達150t），可節約熱水的能源費用約為54.74萬元/年，按現有運行數據計算可節約145t標煤/年。