離心式熱泵的原理及運行經濟性分析

丁勇，朱豐雷，王頂東，姚亮，趙晨

（合肥通用機電產品檢測有限公司，安徽 合肥 230031）

城市化進程的給城市的能源供給系統帶來了新的挑戰。為了擺脫能源的緊張局面和環境污染等問題，我國一方面大力發展新興能源，推動能源生產和利用方式變革，另一方面更是大力倡導節能減排，發展低碳經濟，推進傳統能源清潔高效利用。區域供暖中的高溫離心熱泵技術正是在這一背景下出現的。大容量高溫離心熱泵不僅可以徹底解決傳統供暖方式的能源利用率低、高污染、高排放等一系列問題，并且打破了傳統熱泵技術的小容量、低出水溫度的技術瓶頸。

1 離心式熱泵的特點和循環原理

隨著石化類能源的日益緊張，水源熱泵得到了廣泛重視和研究。目前國內市場上的熱泵設備基本以螺桿式為主，單機制冷、制熱量小，能效比低，不適合于大型商用大樓、住宅小區等集中式區域型供冷、供暖場所，而出水溫度高于60℃，單機制熱量大于2000kW的高溫水源熱泵的研究較少，能真正擁有高溫熱泵技術和產品的企業更。某公司研發出的單臺熱泵制熱量7000kW，出水溫度高達85℃的大容量高溫熱泵機組徹底打破了這一技術瓶頸。此高溫熱泵在技術上的突破表現為以下幾點。

（1）輸出熱水溫度高達85℃。

（2）單機容量可達7000kW。

（3）采用環保型制冷劑R134a，對環境沒有污染，綠色環保。

（4）可實現制冷、蓄冷、制熱、蓄熱四種模式的一鍵轉換功能。

1.1 離心式熱泵的分類及其應用場合

為了讓產品適合不同環境、不同項目和不同用戶的要求，離心式熱泵分為低溫、中溫、高溫三種熱泵。其中，低溫型離心式熱泵可提供46℃的熱水，滿足針對采用中央空調進行冷、熱供給的建筑項目；中溫型離心式熱泵提供46～55℃的熱水，完全可以滿足住宅項目暖氣的供熱需求；高溫型離心式熱泵提供55～85℃的熱水，可實現傳統供熱鍋爐設備的改造和新型能源站的熱水供給等。這三類熱泵最大制熱量目前都可以達到7000kW，可以解決市場上中小冷量熱泵產品所需數量較多、機房占地面積較大、節能效果較低的不足。

1.2 離心式熱泵的特點

離心熱泵具有容量范圍廣、出水溫度多樣化、環保無污染、COP 值高等特點。特別是在高溫熱泵設計中采用先進的雙壓縮機串聯，制冷模式下只開啟一級壓縮機，關閉二級壓縮機，實現制冷COP 的最大化；而在制熱時一、二級壓縮機都開啟，實現高溫熱泵壓縮機所需要的高壓頭，并保證85℃出水時COP 在3.0以上。

1.3 離心式熱泵的循環原理

低溫熱泵的循環原理與單冷機相同，但需要針對熱泵工況對壓縮機的葉輪、葉輪罩、擴壓器進行非標設計，使壓縮機的壓頭滿足熱泵工況的需求。另外還需要對蒸發器、冷凝器及節流裝置進行非標設計，使其滿足熱泵工況機組的系統設計要求即可。

中溫熱泵循環原理與單冷機差異不大。中溫熱泵一般采用單頭雙級壓縮的壓縮機，配置經濟器使經濟器中閃發出來的氣態制冷劑與一級壓縮后的制冷劑混合后進入二級葉輪進行壓縮，達到需要的較高壓頭。另外，雙級離心機配置兩級節流裝置，節流裝置的選型需兼顧兩器與中間補氣的壓差等；兩器的選型及配置考慮換熱要求及整體熱泵機組的系統配置即可。目前國內市場上雙級壓縮離心機技術已比較成熟。

高溫熱泵是采用雙壓縮機串聯技術，因為離心壓縮機提供的壓頭是由離心機葉輪的轉速來決定的。隨著轉速不斷的提高，葉輪在強度和直徑的設計上無法與過高的轉速相匹配；目前采用普通合金鋼制造的閉式葉輪其提供的最大能量頭通常不大于2900 米（即39℃溫差），一旦外界系統的壓頭超過壓縮機本身能提供的最大壓頭，壓縮機就會發生喘振，喘振對壓縮機危害極大。而高溫熱泵需要提供約45～75℃溫差的能量頭，所以這種限制在一定程度上極大的阻礙了各個廠家對高溫熱泵的開發。而本案采用的雙壓縮機串聯技術是高溫熱泵的最佳方案。下面介紹一下雙壓縮機串聯高溫熱泵的循環原理。

制熱模式時，如圖1、2 所示，一級壓縮機從蒸發器吸氣壓縮（2-3），排出的氣體與經濟器中的補氣混合后進入二級壓縮機吸氣端進行二級壓縮（8-9-3），達到更高的壓頭后（9-4），將高溫高壓氣體排入冷凝器（4-5），冷凝后的液態制冷劑被一級節流形成氣液混合物進入經濟器（5-6），在經濟器內通過氣液分離后（7-6-8），氣體完成對一級壓縮排氣的補氣（8-9），液體再通過二級節流（7-1），形成低溫低壓的氣液混合物進入蒸發器蒸發（1-2），一級壓縮機再從蒸發器吸氣壓縮完成一次雙機串聯的系統循環。

制冷模式時只開啟一級壓縮機，控制器自動控制機組上多個轉換閥門，實現標準的制冷循環，關閉二級壓縮機帶來的熱泵機組能耗的降低，能極大的節約機組在夏季制冷時運行成本。

圖1 雙機串聯循環示意圖

圖2 雙機串聯P-h 圖

圖3 雙壓縮機串聯設計圖

如圖3 所示，為了達到高溫熱泵較高的熱水出水溫度，并且實現制冷和制熱模式的一鍵轉換功能，在壓縮機和管路的設計及排布上較復雜，采用多個電動閥門自動控制，但機組的整體結構卻非常緊湊，與多臺小冷量的熱泵機組共同使用，相比占地面積節省數倍。

2 某案例分析

2.1 項目簡介

該項目是某高檔小區污水源熱泵空調系統一期工程，應用污水源熱泵空調系統建筑面積126 萬㎡，項目利用污水處理廠達標排放的污水作為低位冷、熱源，使用兩臺離心式熱泵作為供冷、供熱設備。一期總供熱、供冷面積達30 萬平方米；項目選用XX 空調生產的LTP065LxT（46 ℃出水）和 LTP060HxT（65℃出水）各1 臺，工況參數見表1、2；機房現場圖見圖4、5。項目設置了蓄水池，利用夜間谷段電價較低的優勢進行蓄/ 供冷和蓄/ 供熱，從而降低總體電耗。而在夏季和冬季的白天進行正常的供冷和供熱，機房系統管路圖見圖6。

圖4 46℃熱泵機房現場

圖5 65℃熱泵機房現場

圖6 機房系統管路的示意圖

表1 LTP065LxT 機組設計工況參數表

2.2 供暖經濟性分析

（1）熱泵及熱泵管路系統初投資約700 萬元。

（2）冬季采暖期總運行費用，根據青島市峰平谷電價計算如表3。

（3）年運行費用合計207.7 萬元。

（4）冬季采暖期總收益：冬季采暖區域按30 元/㎡收費計算，供暖費用為：30×300，000=900 萬元。

（5）實際年供暖期收益=900-207.7=692.3 萬元。

（6）若按設備設計使用壽命為20 年計算，則機組壽命周期內供暖收益為：692.3×20=13846 萬元≈1.4 億元。

綜合上述計算結果，可以看出通過水源熱泵供暖方案，1 年即可回收初投資。另外，該水源熱泵機組還可以在夏季制冷，實現一機兩用，可節省約24 元/㎡ 的制冷投資，此處不再詳細計算夏季制冷收益。

2.3 供暖環保性分析

如將每小時水源熱泵產熱量折算成標準燃煤，燃煤燃燒值按29400kJ/kg，鍋爐效率按70%計算，則可計算燃煤總量。

每小時平均產熱量：

折 合 成 燃 煤 總 量：18 780 000÷29400÷0.7 =913kg/h。

基于以上計算的耗煤總量，標準煤的含碳量為84%，那么燃燒這些煤排放的二氧化碳總量達：2628×0.84×44/12 =8095 噸。

采用高溫離心式熱泵方案，即能獲得經濟利益，又能減少每年近萬噸的二氧化碳氣體排放。另外，二氧化硫、氮氧化物、粉塵、煤渣等污染物的排放也將因此而減少。

表2 LTP060HxT 機組設計工況參數表

表3

3 結語

高溫離心式水源熱泵具有運行經濟、安全環保、高效節能、一機多用等眾多優點，在當今提倡的綠色環保要求下，采用高溫離心式熱泵作為區域供暖能極大的減少煤、油等能源的消耗；減少二氧化碳、氮氧化物、粉塵等污染物的排放。所以在條件滿足的區域大力推廣使用離心式水源熱泵機組作為能源站的主設備集中供冷、供熱是當下能源站改造和新建中最經濟、最環保的方案之一。