雙級(jí)熱泵的應(yīng)用與技術(shù)難點(diǎn)

錢軼珺，陳聰慧，王澤宇，陶　瑾，陸裔晨

（上海電力綠色能源有限公司，上海200120）

雙級(jí)熱泵的應(yīng)用與技術(shù)難點(diǎn)

錢軼珺，陳聰慧，王澤宇，陶瑾，陸裔晨

（上海電力綠色能源有限公司，上海200120）

在分布式能源項(xiàng)目中，用能用戶常要求熱水供應(yīng)溫度達(dá)到60℃。常規(guī)的離心式熱泵由于蒸發(fā)器輸入溫度過(guò)低，無(wú)法滿足如此高的出水溫度要求。采用離心式熱泵+空氣源熱泵的雙級(jí)熱泵設(shè)計(jì)，空氣源熱泵可以將離心式熱泵蒸發(fā)器側(cè)輸入溫度提高至30～40℃，從而使離心式熱泵熱水滿足供熱要求。同時(shí)，空氣源熱泵和離心式熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)還需滿足制冷工況下的負(fù)荷需求。因此，為確保雙級(jí)熱泵系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，空氣源熱泵與離心式熱泵工作特性的匹配是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題，特別是熱量、流量的匹配和中間溫度的確定等。

分布式能源；雙級(jí)熱泵

0　引言

隨著能源短缺與環(huán)境問(wèn)題日益加劇，熱泵技術(shù)越來(lái)越受到大家的重視。目前，對(duì)于熱水溫度小于55℃的熱泵技術(shù)，國(guó)、內(nèi)外已很成熟。對(duì)于制熱量大于1000kW、水溫大于60℃的大型高溫?zé)岜眉夹g(shù)還處于研究和開發(fā)階段[1]。但在分布式能源項(xiàng)目中，用能用戶常要求制熱工況下熱水供應(yīng)溫度達(dá)到60℃。若單獨(dú)采用離心式熱泵機(jī)組作為分布式供能系統(tǒng)的冷熱源，則熱水溫度無(wú)法滿足用戶需求。為滿足分布式能源項(xiàng)目節(jié)能環(huán)保的要求，同時(shí)滿足熱水溫度，我們采用了離心式熱泵+空氣源熱泵的雙級(jí)熱泵設(shè)計(jì)，將空氣源熱泵的熱水出水作為離心式熱泵的熱源，充分利用低品位能量，并實(shí)現(xiàn)離心式熱泵熱水溫度的提高。

1　雙級(jí)熱泵工作原理

圖1　雙級(jí)熱泵運(yùn)行原理示意圖

雙級(jí)熱泵由空氣源熱泵做一級(jí)制熱，由離心式熱泵做二級(jí)制熱，通過(guò)將空氣源熱泵冷凝器側(cè)制取的低溫?zé)崴h(huán)至離心式熱泵的蒸發(fā)器作為低溫?zé)嵩吹闹虚g環(huán)路將其耦合。通過(guò)空氣源熱泵提供30～40℃的熱水，提高離心式熱泵蒸發(fā)器側(cè)的工作溫度，使離心式熱泵冷凝器側(cè)產(chǎn)生的高溫?zé)崴疁囟冗_(dá)到60℃，滿足用戶供暖需求。而且通過(guò)空氣源熱泵與離心式熱泵工作特性的匹配，雙級(jí)熱泵可在較高的制熱能效比下運(yùn)行。

2　雙級(jí)熱泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的難點(diǎn)

一般地，在分布式能源項(xiàng)目中，空氣源熱泵和離心式熱泵作為分布式供能系統(tǒng)的冷熱源，各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)需滿足制冷工況下的負(fù)荷需求，聯(lián)合構(gòu)成雙級(jí)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需滿足制熱工況下的負(fù)荷需求。且在大部分南方地區(qū)，冷負(fù)荷需求常大于熱負(fù)荷需求。雙級(jí)熱泵設(shè)備選型時(shí)，在確保各機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行能滿足冷負(fù)荷需求的前提下，需特別對(duì)制熱工況下空氣源熱泵與離心式熱泵運(yùn)行特性進(jìn)行匹配。

2.1熱量匹配

當(dāng)熱泵制冷（或制熱）量參數(shù)確定時(shí)，其制熱（制冷）量參數(shù)也就基本確定，調(diào)整余量很小。這是由于制冷（或制熱）量主要是由壓縮機(jī)決定的，單純調(diào)整蒸發(fā)器或冷凝器容量對(duì)整機(jī)制冷（或制熱）量影響不大[2]。另外，同一臺(tái)熱泵機(jī)組滿負(fù)荷制熱量必定大于滿負(fù)荷制冷量。但是在南方地區(qū)制熱需求較低，在熱負(fù)荷需求接近甚至小于冷負(fù)荷的情況下，用戶的供能需求與設(shè)備的運(yùn)行工況很難完美匹配，極易出現(xiàn)供冷量不足或者供熱量過(guò)剩的情況[3，4]。

為了滿足供能需求用戶，只能選擇供熱量過(guò)剩的搭配方式，這就導(dǎo)致了在制熱工況下，離心式熱泵無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至長(zhǎng)期低于最佳負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。這種情況會(huì)帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：一是造成了設(shè)備性能的浪費(fèi)，二是一旦負(fù)荷過(guò)低可能引起離心機(jī)發(fā)生喘振故障。

2.2流量匹配

離心式熱泵與空氣源熱泵會(huì)存在流量不匹配的情況，并且在變工況的情況下可能會(huì)出現(xiàn)空氣源熱泵流量較大或者離心式熱泵流量較大兩種情況。因此解決流量不匹配的問(wèn)題一定要結(jié)合兩種工況綜合考慮。一般有兩種解決辦法，一是增加旁路混水，二是加設(shè)水罐儲(chǔ)水。

圖2　雙級(jí)熱泵流量混水示意圖

圖3　雙級(jí)熱泵增設(shè)儲(chǔ)水罐示意圖

2.3中間溫度的選擇

中間溫度，指的是離心式熱泵蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)出水溫度，在選擇中間溫度時(shí)需要考慮如下幾個(gè)因素

（1）能耗角度

提高中間溫度會(huì)增加風(fēng)冷熱泵能耗，但會(huì)降低離心機(jī)的能耗，在考慮中間溫度時(shí)需要綜合考慮風(fēng)冷熱泵與離心機(jī)的總能耗。不同的廠商設(shè)備特點(diǎn)不同，一般情況下離心式熱泵提升溫度的能力強(qiáng)于空氣源熱泵，但是也有個(gè)別廠商空氣源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為突出，傾向于提高中間溫度的設(shè)計(jì)。

提高中間溫度溫差，可節(jié)省中間水泵能耗，但會(huì)增加熱泵機(jī)組能耗，故需要綜合考慮熱泵機(jī)組與中間水泵的總能耗來(lái)定中間溫差。

（2）系統(tǒng)安全性角度

由于離心式熱泵提升溫度的能力強(qiáng)于空氣源熱泵，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中傾向于降低中間溫度，降低空氣源熱泵的負(fù)擔(dān)，充分發(fā)揮離心式熱泵的優(yōu)勢(shì)。這種思路總體來(lái)看是無(wú)誤的，但是經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在空氣源熱泵可以負(fù)擔(dān)的溫度范圍內(nèi)，中間溫度也不宜設(shè)置過(guò)低，具體有以下兩個(gè)原因：

一是如果中間溫度過(guò)低，導(dǎo)致導(dǎo)葉開度迅速降低以致于壓縮機(jī)的出口壓力和冷凝壓力接近，離心機(jī)會(huì)有喘震的問(wèn)題，故不太希望中間溫度過(guò)低。

二是雖然風(fēng)冷熱泵為螺桿壓縮機(jī)，沒(méi)有喘震問(wèn)題，但是有壓縮機(jī)與電機(jī)的冷卻問(wèn)題，冷媒依靠壓差流過(guò)電機(jī)表面冷卻電機(jī)，機(jī)組內(nèi)冷媒的壓差主要靠環(huán)境溫度與熱水溫度之間的差值來(lái)維持，如果熱水出口溫度太低，不利于維持機(jī)組內(nèi)的冷媒壓差，會(huì)影響電機(jī)散熱。另外壓縮機(jī)還會(huì)面臨異常磨損的問(wèn)題。

（3）使用情況及系統(tǒng)控制角度

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般以滿足最極端供能需求為前提來(lái)決定設(shè)備工況。天氣情況以上海為例，以上海近幾年冬季氣溫來(lái)計(jì)算，設(shè)計(jì)工況室外干球溫度至少低至-2℃，但是實(shí)際運(yùn)行中環(huán)境溫度為4℃的情況更多，有的時(shí)候高達(dá)10℃的環(huán)境溫度也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。由于干球溫度的巨大變化，空氣源熱泵的制熱工況也會(huì)跟隨變化，這就直接影響了中間溫度的選擇、控制以及整個(gè)雙級(jí)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

同時(shí)還需要考慮機(jī)組部分負(fù)荷特性對(duì)中間溫度影響。由于雙級(jí)熱泵中間環(huán)路的熱慣性較小，環(huán)路供回水溫度對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)較快，這種現(xiàn)象對(duì)雙級(jí)熱泵供暖的動(dòng)態(tài)特性影響明顯。尋求最佳中間溫度，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的供暖穩(wěn)定性和能源利用系數(shù)。

冬季制熱時(shí)還要考慮化霜對(duì)中間溫度的影響。當(dāng)換熱器表面溫度低于0℃且空氣濕度較大時(shí)將開始結(jié)霜。隨著霜層的增厚，空氣源熱泵將出現(xiàn)蒸發(fā)溫度下降、制熱量下降、風(fēng)機(jī)性能衰減和電流加大等現(xiàn)象，從而使雙級(jí)熱泵無(wú)法正常工作。當(dāng)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象時(shí)，需消耗機(jī)組一部分熱量用于化霜。

2.4控制難點(diǎn)

雙級(jí)熱泵系統(tǒng)常需由多臺(tái)空氣源熱泵共同提供離心熱泵蒸發(fā)器側(cè)所需要的熱量。單臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組的能效由室外溫度和負(fù)荷率決定，即在實(shí)際運(yùn)行中，多臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)中間溫度設(shè)定值不變時(shí)，空氣源熱泵的開啟臺(tái)數(shù)同時(shí)還受到室外環(huán)境溫度的影響。通過(guò)對(duì)離心機(jī)組冷卻水進(jìn)出水溫度及冷凍水進(jìn)出水溫度的分析比較，結(jié)合冷機(jī)的喘振點(diǎn)，分析判斷雙級(jí)熱泵的開關(guān)順序，防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。可用負(fù)荷限制實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵以及離心式熱泵同步加卸載。同時(shí)，可根據(jù)空氣源熱泵機(jī)組全工況條件下的性能數(shù)據(jù)，在不同室外溫度和中間溫度設(shè)定值條件下，對(duì)空氣源熱泵機(jī)組群的運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得空氣源熱泵的能效達(dá)到最優(yōu)。

3　結(jié)語(yǔ)

雙級(jí)熱泵的設(shè)計(jì)初衷，就是為了滿足較高出水溫度的供能需求。由于傳統(tǒng)離心式熱泵在制熱時(shí)蒸發(fā)器側(cè)輸入溫度過(guò)低，設(shè)計(jì)方就必須考慮使用其他設(shè)備來(lái)提高離心式熱泵蒸發(fā)器側(cè)的輸入溫度，而空氣源熱泵是較為理想的搭配設(shè)備。由于近年來(lái)南方冬季氣溫相對(duì)較低，再加上用戶對(duì)供熱舒適度的要求越來(lái)越高，雙級(jí)熱泵系統(tǒng)在今后的分布式能源建設(shè)中具有很高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]解國(guó)珍.制冷技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1996.

[2]吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

[3]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2008.

[4]蘇亞欣.傳熱學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社.2009.

Application and Technical Difficulties of Double Stage Coupled Heat Pump

QIAN Yi-jun，CHEN Cong-hui，WANG Ze-yu，TAO Jin，LU Yi-chen
（Shanghai power green energy Co.，Ltd，Shanghai 200120，China）

In a distributed energy project，the hot water is required to be 60℃.As conventional centrifugal heat pump cannot meet the requirements of such high water temperature，double-stage coupled heat pump is adopted.Air source heat pump provides water of 30℃-40℃to increase working temperature of centrifugal heat pump evaporator.This makes the hot water of centrifugal heat pump satisfy heating requirements.Meanwhile，air source heat pump and centrifugal heat pump work separately to meet the cooling demand.So as to ensure safe and efficient operation of double-stage coupled heat pump，air source heat pump and centrifugal pump operating characteristics matching is a difficult problem in design，especially heat，flow matching and the determination of intermediate temperature.

distributed energy resources；double stage coupled heat pump

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.018

TU83

B

2095-3429（2015）05-0081-03

錢軼珺（1969-），女，上海人，主要從事天然氣分布式供能投資相關(guān)工作；陳聰慧（1988-），女，浙江蘭溪人，碩士，機(jī)務(wù)員，從事天然氣分布式供能機(jī)務(wù)相關(guān)工作。

2015-09-20

2015-10-20