高溫熱泵冷熱聯供系統的控制與應用

楊曉新， 吾海鵬， 張 磊

(1.西安航空學院 能源與建筑學院， 西安 710000； 2.江蘇必領能源科技有限公司， 江蘇 太倉 215400)

在許多工業生產中同時有制冷制熱需求，如啤酒生產[1]、牲畜屠宰[2]等企業既需要制冷冷藏，又需要制備熱水。常規冷凝熱被排放，熱負荷通過鍋爐滿足。針對這種能量浪費現象，孫浩森等[3]研究了冷凝熱回收原理，理論分析了冷凝熱回收的節能效果，舒建國等[4]、魏洪生等[5]提出采用冷凝熱回收及高溫熱泵技術生產60～90 ℃熱水，提高能源利用。

但是由于生產期用熱和制冷冷藏錯時進行，在能源需求和廢熱可用性方面，冷凝熱與熱水負荷不能達到逐時匹配[4]，熱泵耗電量大，冷凝熱回收不足40%[6]，制冷壓縮機耗能無法有效降低，這些始終是節能的瓶頸問題。

因此合理設計系統組成，匹配系統容量，通過對管道流量及冷熱聯供負荷的自適應控制，智能化管理設備投運顯得尤為重要。

1 冷熱聯供系統設計

將冷凝蒸發器與熱回收換熱器結合組成冷熱聯供系統，采用兩組換向裝置控制供能的最佳匹配。在熱負荷大時，由冷凝器吸熱補償；在冷負荷大時，由冷凝器分流散熱；在不同工作負荷時，由冷庫壓縮機和高溫熱泵聯合滿足制冷和供熱需求。

以屠宰企業為例。加工生產線需要45、56、87 ℃熱水；保鮮排酸、速凍冷藏等冷鏈環節需要4、-38 ℃的低溫冷量。生產線的熱水不能循環使用，補水加熱的溫差大于20 ℃，用熱溫度最高達90 ℃。屠宰企業一般為兩班運轉，每班工作8 h，工藝用熱水時段分為生產準備期、生產期和清潔期。根據實際調研，冷庫冷凝熱排放與工藝熱水逐時負荷如圖1所示。其白天生產期用熱需求高，熱負荷有45 ℃沖洗熱水、56 ℃漂燙機補水，此時冷負荷較低，僅低溫通風和冷藏排酸；夜班時制冷機組全開進行速凍，持續6～8 h，此時冷負荷最大，熱負荷為少量消毒用87 ℃熱水。

根據企業用熱特殊性，整合系統工藝，提高制冷、制熱能效比。選擇工質R134a高溫熱泵，其具有控制簡單、工況調節范圍寬、能效比高等優點[7]；選用不銹鋼(2205鎳合金)材質的殼管式換熱器進行氨冷凝熱回收，滿足耐高壓防腐蝕要求[8]。

由圖1可見，冷庫冷凝排熱與熱泵制熱需求運行時間不同步，不能直接使用冷庫冷卻水作為熱泵的一次熱源[9]。常規是采用并聯換熱器[4-5,10]，提取部分冷凝熱與鍋爐共同生產熱水，但隨著燃煤鍋爐的取締，這種方法無法完全滿足工藝水需求。本設計采用圖2所示的熱回收換熱器3與蒸發式冷凝器9串聯復合式系統，其特點是通過自適應控制器實時控制兩組換向裝置、流量閥等，實現制熱、制冷靈活切換，同時滿足冷凝熱回收與熱水制備中各種冷熱生產匹配過程的節能控制，系統用高溫熱泵替代鍋爐，滿足制備87 ℃高溫水需求。

如圖2所示，該系統主要由冷庫壓縮機1、油分離器2、熱回收換熱器3、換向裝置4和8、高壓儲液器5、電磁閥6、節流閥7、蒸發式冷凝器9、冷庫10、氣液分離器11、高溫熱泵機組12、熱水循環泵13等設備組成。

圖2中熱回收裝置3由殼管式換熱器、導熱介質、泵及管道組成。導熱介質吸收氨蒸汽冷凝熱，經泵推動，進入熱泵機組一次端(蒸發器)。

圖2 高溫熱泵冷熱聯供系統

系統通過換向裝置4與換向裝置8的開關控制，改變系統中制冷工質流通方向，從而最大限度回收冷凝熱，降低壓縮機工質溫度，合理排放余熱量，使熱泵保持其較高的COP值，減少制冷壓縮機耗電量，實現熱回收與制熱量匹配。

2 不同工況下的運行方式

2.1 冷熱聯供運行模式

運行過程中，為保持熱泵和制冷壓縮機的最佳工況，系統功率和運行模式需要根據冷熱負荷進行調節[11-12]。高溫熱泵的熱負荷Q熱由式(1)計算；氨工質在制冷循環中排出的冷凝熱Q冷由式(2)計算，即

Q熱=cpGΔt

(1)

Q冷=(Qq+Nεη′m)ε

(2)

式中：cp為工質質量定壓比熱容， J/(kg· ℃)；Q熱為熱負荷量，由熱泵出水質量流量G和二次端溫差Δt計算；Q冷為冷凝負荷，是壓縮機制冷量Qq與壓縮機有效功率Nεη′m之和；ε為修正系數。

通過對冷、熱負荷比較，判斷制冷與制熱匹配程度，將系統的工作狀態分為以制熱為主、以制冷為主、制冷制熱同時進行的3種狀態。通過兩組換向裝置切換和蒸發式冷凝器的流量、風量變化控制，實現熱泵和制冷壓縮機獨立運行。

當Q熱=Q冷時，制冷與制熱同時進行。如圖2所示的系統，換向裝置4的B閥與換向裝置8的D閥開，其余閥關閉。經壓縮機壓縮的高溫高壓氣態制冷劑流入換熱器3，熱泵工質吸熱，制冷劑冷卻，放熱后制冷劑通過換向裝置4流入節流裝置7，絕熱膨脹后處于低壓低溫狀態的氣液混合態制冷劑通過換向裝置8流入冷庫10。此時冷庫壓縮機和熱泵機組負荷匹配，達到同時制冷與制熱。

當Q熱>Q冷時，系統以制熱運行模式為主。圖2系統中換向裝置4、8的B、C閥開，制冷劑經熱回收換熱器3后達到過冷態，經換向裝置4流入節流裝置7，絕熱膨脹后處于低壓低溫氣液混合態，再經換向裝置8流入冷凝器9，從室外空氣吸熱補償后，低溫低壓制冷劑經換向裝置4、8的C閥流入冷庫10，如此滿足較小冷負荷狀態下制取熱水。蒸發冷凝器9向室外空氣排放冷量。

當Q熱

2.2 系統控制裝置

自適應控制具有在過程環境變化范圍較大的情況下，在線優化控制參數[13]，使整個系統在滿足負荷要求下獲得最小耗電量，可同時滿足熱泵和制冷壓縮機都工作在高COP范圍內。圖2系統中按熱負荷變化控制換向裝置上閥門改變工質流向，冷凝器9的流量閥、風扇轉速由自適應控制器設定，使控制偏差達到最小，即獲得最匹配的制熱制冷量。

冷熱聯供控制系統如圖3所示。通過對Q熱、Q冷進行比較，可判斷出制冷與制熱匹配程度，按上述3種工況確定工質流向，再以熱回收換熱器3的換熱量Qk與Q熱的差值作為指標函數J的參考量。控制系統啟動后，對蒸發器的流量、溫度建模，采用支持多變量多工況模型無憂切換的廣義預測控制算法(GPC)，結合高溫熱泵和冷凝器協調聯動控制策略，實現同時制冷制熱的冷熱聯供。

圖3 冷熱聯供控制系統

設控制系統指標函數J的計算公式[14]為

(3)

令

(4)

可得自適應控制器預測方程為

(5)

為使當前時刻的輸出y(k)盡可能平穩到達設定值yr，廣義預測器使被控對象的輸出yr(k+j-1)盡可能靠近yd(k+j-1)[15-16]。

2.3 系統控制策略

結合上述控制算法，對冷凝器工質流量、溫度、系統冷熱負荷的對象模型，實現基于多變量的預測控制優化策略。冷凝器運行中冷熱不平衡時的過冷量或剩余熱量，通過改變冷卻水的流量、風扇轉速，實現冷熱聯供時熱泵和冷庫壓縮機最佳COP工況。

1)Q熱=Q冷時，為平衡狀態，此時僅控制換向器開關量，冷凝器的流量和風扇轉速設置趨近于0。

2)Q熱>Q冷時，控制器偏差e變大，冷凝器9的流量設定值增加，風扇轉速設定值加大，直至滿足系統制冷制熱平衡運行。

3)Q熱

4)換熱裝置3中，在保障高溫熱泵一次端穩定運行和機組最佳能效比的前提下，通過對熱泵機組進出口工質溫差Δt1、流量m1、冷庫進出口工質溫差Δt2、流量m2等信號采集，計算制冷工質的過冷量或過熱量，以此為前饋信號，設置冷凝裝置9的工作狀態。裝置9的優化控制策略如圖4所示。

圖4 冷凝裝置優化控制策略

系統熱負荷由高溫熱泵二次端熱水換熱器的出口控制閥13按用熱量需求控制，冷負荷由制冷工質進入冷庫的電磁閥6控制流量，最終實現冷熱聯供系統運行狀態的平衡。

3 以屠宰場為例的應用分析

江蘇必領能源科技有限公司將以上設計應用于江蘇益客食品集團某屠宰廠。該工廠日均家禽屠宰量10萬只，供水溫度為60 ℃，供熱水量為200 t/d，有冷藏庫、冷凍庫和保鮮庫，制冷量為1 023.5 kW；采用6臺活塞式壓縮機(含備用)，制冷劑為氨R717，壓縮機冷凝壓力為8～12 bar。壓縮機排氣溫度≤150 ℃，高壓系統由兩級壓縮機串聯：一級吸氣溫度+5～-25 ℃；二級吸氣溫度為-25～-45 ℃，供速凍車間鼓風通道和成品冷庫排管。

3.1 熱泵供熱水系統組成

為最大限度回收冷凝熱[18]，采用圖5所示熱泵供水系統。白天熱泵蒸發器從熱回收換熱器3吸收熱量(過熱氨蒸汽冷卻)，一次端工質由30 ℃升溫至35 ℃，熱泵3出水45 ℃；熱泵2采用EPRC0600螺桿式機組(30～100無級調速，制冷劑R134a)，將工藝熱水升溫至56 ℃；晚上利用谷電時間啟動超高溫熱泵機組1(制冷劑R245fa)，水源側進出水溫度30～35 ℃，二次端出水90 ℃，儲存在保溫水箱中，以滿足殺菌和白天工藝需求。

圖5 熱泵供水系統示意圖

由于熱泵1采用了谷電期間蓄熱運行，大幅降低白天熱泵負荷，根據冬季運行參數繪制工作曲線，圖6可見熱泵制熱量在9：00前后略大于冷凝放熱，冷凝器9需補充排冷，其他時間均為冷卻散熱狀態。同時由圖7可見，熱泵冬季白天COP略高于晚上，全天能保持在4.23的高性能區工作；制冷壓縮機保持平穩運行在能效比2.5左右，其晚上效率更高些。 從系統運行的負荷參數和機組的能效比數據反映，該自適應控制系統能按預期管理閥門運行，保持系統在穩定狀態連續運行，達到冷熱聯供的要求。

圖6 系統實際運行冷熱負荷

圖7 熱泵與制冷壓縮機實際運行能效

3.2 冷熱聯供系統節能分析

由表1制冷壓縮機運行參數可知，當6臺活塞式壓縮機全部滿載運行時，制冷負荷為1 900 kW，最大可回收冷凝熱795.9 kW,在日常運行中只開JZY8AS17、JZY812.5和JZY612.5各一臺，回收余熱397.95 kW。

表1 制冷壓縮機運行參數

表2為江蘇必領EPR系列高溫熱泵運行參數，額定出水溫度60 ℃，冬季設備平均冷凝溫度25 ℃，夏季平均冷凝熱溫度35 ℃，熱泵機組冬季COP為4.23，夏季COP為5.6。企業采用峰谷電價，谷電價0.322元/(kW·h),平電價0.667元/(kW·h)，生產期避開峰值電價，冬季平均每噸水耗電為12.8 kW·h，折6.32元/m3，夏季熱水折4.36元/m3，供水量滿足企業用熱需求。

綜合耗能比對可見表3，該熱回收控制系統運行達到較好節能效果：

1)冷熱聯供雙效系統綜合能效保持在較高水平。從現場設備運行數據表2可見，夏季高溫熱泵機組的運行綜合能效，高于冬季機組運行效果，其總制熱量高于冬季33.94%，蒸發冷節能效率高出冬季工況43.3%；但制冷壓縮機的耗能量和運行效果正相反。在額定工況下，冷、熱機組均能保持較高COP值，冬夏總能耗基本相同。

表2 EPRC0600型熱泵機組運行參數

2)生產成本大幅降低。按照燃料價格和綜合能效計算，由表3可見，熱泵制熱費用，略高于燃煤鍋爐，但比燃油、燃氣鍋爐成本降低60%，是最佳的燃煤鍋爐替代設備。

表3 不同制熱方案耗能

4 高溫熱泵冷熱聯供的節能控制系統應用前景

通過實踐證明，本設計高溫熱泵與制冷機組串聯式冷熱聯供系統，在自適應控制下能滿足冷熱負荷需求，使熱泵工作在高效段，壓縮機達到節能穩定運行，其解決了企業熱水需求及低溫制冷節能問題。通過合理控制閥門和水泵運行制取熱水，回收低溫制冷的冷凝熱，達到提高經濟效益目的。

2011—2020年的統計數據顯示，國內糧食烘干、屠宰企業數量以每年0.8%～1.2%的速度增長，企業利潤受能源價格上升影響，利潤率以0.2%～0.4%逐年遞減[19]。隨著“碳達峰”臨近，國家提出“碳中和”，燃料價格持續上升，企業運行成本還將增加。合理配置冷熱聯供系統制備熱水，將大幅降低生產成本，屠宰企業利潤可由5.4%提升到5.8%。因此冷熱聯供系統的節能設計適應中國現階段企業制熱制冷需求，響應節能降耗發展的主題，節能效果明顯，可復現性強，應用前景廣泛。