分布式水源熱泵區域供熱系統的能耗特性研究

杜芳會 尚有海

1 廣東艾科技術股份有限公司

2 恒大地產集團建筑設計院

0 引言

《“十四五”公共機構節約能源資源規劃》[1]提出了低碳轉型的實施路徑，將進一步加大太陽能、風能、地熱能等可再生能源和熱泵技術推廣力度。然而技術節能不代表真正的運行節能，熱泵系統的運行節能成為了現階段較為突出的問題。作者已從熱經濟學理論角度對水源熱泵的經濟性做了全面的評價[2-3]，魏慶芃[4]等人開展大量的熱泵系統運行實測研究。機組的組合方式、區域管網系統優化設計，以及運行管理水平[5]，是影響熱泵系統的能耗水平的重要因素。

為了研究水源熱泵項目實際的能耗水平以及影響系統能耗的因素，本文從近幾年的實際運行工況出發，對多個熱泵系統能耗水平的差異進行了定量的分析，對影響熱泵系統能耗的主要因素進行了分析。

1 項目概況

本項目的源水側采用開式的分布式動力輸配系統，即城市污水處理后的中水通過集中的提升泵站加壓，升壓之后通過長輸管線將中水輸送至各個分布式熱泵站，該項目冬季總中水流量約6000 t/h，中水在熱泵機組的蒸發器放熱之后最終排入退水渠。冬季中水溫度約13～20 ℃，水量充足，水質穩定。目前總供熱面積已達200 萬m2，已投入使用10 個分布式熱泵站。用熱建筑的性質、熱泵機組的類型、二次網水力情況等相關條件均有差別，所有熱用戶均位于寒冷地區，均屬于65%節能型建筑。表1 為各末端熱用戶建筑的概況表。

表1 各末端熱用戶建筑概況表

分布式水源熱泵區域供熱系統原理圖具體如圖1所示：

圖1 分布式水源熱泵供熱系統原理圖

2 輸配系統能耗分析

為降低換熱損失，將中水直接輸送至各個熱泵站的蒸發器內。源水系統屬于開式水系統，中水輸送采用分布式動力系統，即在首站設中水提升泵，克服中水去程到最不利點的阻力損失，在各用戶處的熱泵站內設一次側加壓泵，克服中水站內及回程的阻力。首站中水提升泵和各個熱泵站內的中水提升泵均采用變頻控制，前者是為了適應每年系統總負荷的增加，后者是為了適應每個采暖期內末端負荷隨天氣的變化產生的中水量的小幅變化。

項目自運行五年以來，隨著負荷的增加，管網阻力增加以及供熱半徑的變大，都使得輸送能耗增加，目前本項目的一期工程已達產，輸送能耗隨負荷變化情況如表2 所示：

表2 首站輸送能耗隨負荷變化情況表

由表2 可知，該項目源水的輸送能耗占系統總耗電量的比值小于8%，隨著負荷的加大，輸送的水量增大，輸送能耗占系統總能耗的比例并沒有按比例增加，在經濟比摩阻范圍內，阻力增加不明顯。

3 熱泵站運行分析

根據歷年的氣象資料，冬季最冷月為1 月份，2013-2014 年供暖季與2014-2015 供暖季的室外氣溫差別不大，最冷月的最低氣溫平均值為-3.55 ℃與-3.68 ℃，如圖2 所示，該項目地2014 年1 月份與2015年1 月份最低氣溫以及趨勢基本一致，可以挑選該段時間進行能耗對比分析：

圖2 1 月份室外最高氣溫與最低氣溫（2014 年，2015年)

供暖期間，各個站運行情況良好，大部分熱用戶室溫能達到設計要求。2014-2015 供暖季，用戶A、E 小區的入住率約為50%，用戶H 小區入住率約80%，用戶D 是辦公樓，入住率為100%，用戶J 入住率約30%。

3.1 機組配置方案及運行策略

各個分布式熱泵站的機組配置以常規的螺桿式水源熱泵機組為主，主要是考慮供熱項目的負荷變化特性，即新項目運行初期到負荷穩定到70%以上約需要經過3 個采暖季，而且每個采暖季根據室外氣候的變化也分為三個階段，初寒階段、寒冷階段、末期階段。整個采暖季的運行策略按照室外天氣情況劃分為3 個階段，初期階段與寒冷階段采用連續運行的質調節，熱水供水溫度在37～42 ℃，回水溫度在30～34 ℃時，戶內溫度較舒適。末期階段采用間歇運行控制目標為出水水溫，依據室外氣溫的變化調整出水水溫[7]。

一個區基本配置兩臺同型號的熱泵機組，個別區熱負荷大的配置三臺。在供暖期之前的一個月進行了系統的調試運行，機組調試之前先進行二次網的沖洗和水力平衡調節，機組的運行方案以室外天氣以及入住率相結合為依據來調整設備投入量。

3.2 能耗分析

由于各個站內都有兩個或三個獨立的系統，每個熱泵站內都有多臺熱泵機組，本文選取1 月份期間10天的運行數據進行分析，以熱泵站的供熱工況為分析對象，對六個熱泵站進行能耗對比，單位面積的耗電功率如表3 所示：

表3 2015 年1 月15 日-1 月24 日系統能耗

從表3 中可以看出單位耗電量最少的D 機房，主要原因是由于該機房所服務的建筑是辦公樓，辦公時間是早8 點至晚6 點，因此根據末端的負荷特點，任然采用連續運行的方式，下班以后的時間內，將機組出水溫度調低，使室內溫度維持在14～16 ℃，這樣做的好處是末端不會集氣，且管道不會有凍壞的風險。

對于J 小區，能耗很高的原因是熱泵機組配置和末端負荷的不匹配。該小區包含一期地塊和二期地塊，兩個地塊的供暖均由J 熱泵站提供，由于房屋投入使用的時間不一致，2014-2015 年實際參加供暖的只有約5 萬m2，負荷率約為30%，而該機房選用的是變頻離心式熱泵機組，為了避免喘振的發生，機組運行時的最低負荷設定為60%，機組約1 小時自動卸載，壓縮機頻繁的啟停，造成了高能耗，而且有損機組壽命。這也說明了采用熱泵系統為住宅小區供暖時，在熱泵機房面積一定的情況下，機組配置方面應盡可能的考慮到部分負荷的特點。

H 小區的能耗水平比A 和E 分別少8.2%和16.4%，H 小區和A 小區的平均供水溫度和回水溫度相同，戶內溫度均在18 ℃～20 ℃，A 小區的二次網系統水力不平衡率較高，而H 小區經過多次的水力平衡的調節后節能顯著。

H 小區的二次網系統及中水系統都比較理想，本文選取本站最冷月中的1 月15 日的運行數據進行了分析，室外氣溫范圍為-4.6 ℃至3 ℃。

表4 是1 月15 日H 小區熱泵系統在供暖期間的運行參數，機組負載側為定流量運行，在不考慮源水側輸送能耗的情況下，站內系統的運行參數如下所示：

表4 2015 年1 月15 日H 熱泵站運行參數

1 月15 日H 機房總的耗電量是46980 kWh，該值包含了機房內的所有用電設備的耗電量，并且含變壓器及所有電機的無功損耗。根據上表可以計算出H 熱泵系統的能效比：

制熱能效比EER 是用熱泵系統一天24 小時的總制熱量除以這一天該機房所耗的電量得到的，通過上述分析可知，在不考慮源水輸配能耗的情況下，分布式熱泵系統能效比較高。將水源熱泵機房供熱與小區內的鍋爐房供熱相比較，則中水源熱泵的一次能源利用效率[7]為：

式中：E—一次能源利用率；Q—水源熱泵站的總制熱量；N—水源熱泵站內的總耗電量；β—發電廠的輸配電效率，這里參考文獻[7]中的數據，取0.284。

將用戶H 機房能效比EER 代入式（2）可以得到H 熱泵系統的一次能源利用率為1.187，相比于鍋爐房的一次能源利用率0.65，能源利用率提高了82.6%，定量的說明了分布式水源熱泵區域供熱系統比鍋爐房供熱系統節能明顯。

3.3 二次網特性對系統能耗的影響

對于所有的供熱系統來說，最終的目的是將熱量送到各個采暖房間，二次網的水力平衡直接影響了該區域的供熱效果，也影響了熱力系統的能耗水平，熱泵系統的實際功率與蒸發溫度和冷凝溫度都有關系，一般的熱泵系統供熱運行的控制目標是冷凝器出水溫度，為了達到同樣的供熱效果，沒有進行水力平衡調節的熱系統需要更高的出水溫度，來彌補水量不平衡帶來的熱量不平衡，而冷凝溫度越高機組的能效則越低。

結合1 月份項目地區的氣象資料，同時期的平均最高溫和最低溫度比較接近，如表5：

表5 該地區1 月份不同時期室外溫度平均值

H 小區從2013 年11 月15 日開始供暖，由于二次系統設計不合理，系統水力失調嚴重，在供暖期結束后對二次網進行了改造，主要分支安裝了靜態平衡閥來改善各個分支的不平衡率。通過兩個采暖季的同期實際耗電量對比，可以得到以下數據（圖3）：

圖3 H 小區熱泵站1 月同期耗電量對比

從表5 可以得知，1 月的上旬、中旬室外氣溫最近接，2015 年的1 月下旬氣溫比2014 年同期低2～3 ℃，熱負荷必然相差較大。系統能耗經過水力平衡調節后的系統能耗比未進行水力平衡調節的系統能耗低。節能量分別是21.27%和22.12%，節能量是非常大的，在熱泵集中供熱系統運行初期首要解決的就是二次網水力平衡問題。

3.4 機組運行調節方案對能耗的影響

熱泵機組的能耗占整個系統能耗的80%以上，不僅與源水側中水的溫度及冷凝器出水溫度有關，還與全天、整個采暖季的調節方案有關，因此對于多臺機組并聯運行的熱泵系統，運行調節方案對節能與否影響巨大。熱泵機組的最高效率的負荷值是額定值的70%～80%。

A 小區由于二次系統施工質量問題，二次管網漏水情況嚴重，且供暖期間無法調節，需要進行二次網的改造。為使用戶室內供暖效果較好，不得不將機組出水溫度調高，在1 月份以后供暖基本平穩，二次網不平衡增加約20%的能耗，從表6 中可以看出，A 站比H站增加的能耗約在10%，那么少增加的這部分主要是由于機組運行方式的不同以及機組本身的性能起主要的作用了。

表6 2015 年1 月份不同時期A 熱泵站與H 熱泵站耗電量比較

4 總結

本文對分布式水源熱泵區域供熱系統的能耗實測數據進行了分析，通過對兩個采暖季的實際運行數據分析，從系統能耗分析方面得出了系統的能耗水平及主要影響因素。通過分析可以知道，水源熱泵區域供熱系統的一次能源利用率較高，相比于傳統的鍋爐房供熱方式，整個系統的一次能源利用率提高了82.6%。加入源水輸配能耗后，輸送能耗占總系統的能耗低于10%。

通過對H 站在兩個采暖季中的能耗分析可知，用戶的二次網系統的水力不平衡，至少會增加水源熱泵區域供熱系統的能耗在20%以上，因此二次系統的平衡問題是首要解決的問題。另外一個影響系統能耗的因素是熱泵機組的運行調節方案以及機組性能，好的運行方案至少會節省10%的能耗。該項目由于能源站內的設備電量分項計量裝置不夠完善，主要設備沒有實現分項計量，在控制策略方面，末端的供熱質量仍然沒有很精細的監測，后續需要將末端供熱質量與主機的運行調節形成聯動，在系統各個環境均達到高效的前提下，實現運行的按需供熱，從而進一步挖掘節能潛力。