水源熱泵聯合市政集中供熱的系統設計方案及供熱模式分析

王志杰 ，王光瑞

(1.濟南能源集團有限公司，濟南 250000；2.濟南城市照明工程有限公司，濟南 250000)

0 引言

在“雙碳”目標推動，能源變革與綠色發展方針的驅使下，推動實現能源清潔低碳高效利用及全面提升清潔供熱系統技術成為重點關注問題。民生供暖工作需要科學合理、循序漸進，應因地制宜利用當地可再生能源，宜氣則氣、宜電則電，一切從實際出發，確保群眾安全溫暖過冬。水源熱泵技術是中國當前各類熱泵技術中發展較好且應用前景較廣的一類技術，可以利用水中的低品位熱能，通過熱泵原理轉換為高品位熱能[1]，實現節能減排，助力低碳環保供暖。水源熱泵與市政集中供熱聯合供熱，或聯合多種熱源相互配合，實現多能互補、集成優化，合理利用熱能。雖然這種利用方式起兼具經濟性與穩定性，但如何利用及采用何種運行模式是關鍵問題。基于此，本文針對濟南市某住宅小區集中供熱負荷不足的情況，提出一種水源熱泵聯合集中供熱的設計方案，并對采用此方案的供熱系統的運行模式進行分析。

1 項目設計介紹

本文以濟南市某住宅小區供熱項目為例，該小區位置處于某大型熱源廠供熱末端，該熱源廠目前已接近滿負荷運行，負荷余量相對不足。若采用市政集中供熱方式，高寒期無法滿足供熱需求。考慮到供熱事關千家萬戶、關系百姓冷暖,既是民生工程，更是民心工程，采暖季尤其是高寒期更要保證安全穩定供暖，保障居民溫暖過冬，降低用戶不滿意率，項目可采用市政集中供熱和其他能源聯合供熱的方式為小區提供熱源。經過實地考察發現，距離小區約2 km有一座水質凈化廠，每天污水處理量約5萬t，因此為了保證用戶供熱穩定性，最終項目采用水源熱泵聯合市政集中供熱方式為小區提供熱源。在小區內新建一座供熱能源站，能源站主要設備包括3臺水源熱泵，1臺市政熱網板式換熱器和1臺中介水板式換熱器，可通過站內閥門的切換實現水源熱泵單獨供熱、市政集中熱網單獨供熱、水源熱泵和市政集中熱網并聯運行多種運行模式。

1.1 熱負荷計算

根據建筑圖紙得知小區供熱面積為122668 m2，設計采暖綜合熱指標取35 W/m2，負荷計算如下：濟南市采暖季室外計算溫度為-5.3 ℃，采暖季室外平均溫度為2.1 ℃，采暖季室內計算溫度為18 ℃，1個采暖季為120天。因此平均負荷系數為[2]：(18-2.1)/[18-(-5.3)]=0.6824，最小負荷系數為：(18-5)/[18-(-5.3)]=0.558。因此計算得出采暖季最大、平均、最小熱負荷分別為4293.38、2929.80 、2395.71 kW。

1.2 能源站設備及系統介紹

供熱用戶為住宅小區，用戶供、回水設計溫度分別為60、45 ℃[3]，設計壓力為PN1.6 MPa(PN指代公稱壓力)。能源站內并聯安裝水源熱泵及市政集中熱網供熱系統，兩者相互獨立，可單獨運行，亦可并聯互補運行[4]。市政集中熱網供熱系統和水源熱泵系統并聯安裝，即市政集中熱網供熱系統板式換熱器二次側和水源熱泵冷凝器側并聯安裝，兩者同時運行時，板式換熱器二次側和冷凝器側供水混合后通過能源站二次網循環泵將熱量供給用戶。

水源熱泵系統中水來自水質凈化廠，為了滿足進入熱泵的水源的清潔度，在水質凈化廠設置1臺中水循環泵，將廠內中水送至小區能源站前先通過1臺中介水板式換熱器(5400 kW)將中水的熱量傳遞給中介水，再由中介水循環泵將中介水送入熱泵蒸發器釋熱，水源熱泵從中介水提取熱量，滿足用戶的用熱需求，中水的設計供、回水溫度分別為15、9 ℃，中介水供、回水設計溫度13、7 ℃。通過中水和中介水的換熱過程保障了進入熱泵蒸發器側的水源清潔度，防止因為污水堵塞造成的換熱不足，大大降低熱泵的維修率，保證居民連續供熱，減少技改檢修費用。能源站供熱系統結構圖如圖1所示。

圖1 能源站供熱系統結構圖Fig. 1 Structure diagram of heating system of energy station

1.2.1 水源熱泵系統

水源熱泵是通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術，節能減排效果顯著[5]。項目規劃有二期建設，考慮到擴建后的熱負荷需求，選用3臺額定制熱功率為1800 kW的水源熱泵機組作為熱源。

1.2.2 集中供熱系統

能源站同時接入市政集中熱網供熱系統，一次網熱水通過板式換熱器將熱量傳遞給二次側，二次側同水源熱泵供熱系統并聯給用戶供熱，主要設備為1臺5400 kW板式換熱器。

此外，能源站設計的主要循環設備還包括二次網的3臺循環水泵(流量為330 t/h、揚程為30 m、功率為37 kW)；兩臺補水泵(流量為10 t/h、揚程為66 m、功率為3 kW)；1臺中介水循環泵(流量為1200 t/h、揚程為36 m、功率為160 kW)；1臺中水循環泵(流量為160 t/h、揚程為26 m、功率為18.5 kW)，設備明細表如表1所示。

表1 供熱系統主要設備明細表Table 1 Heating system main equipment list

2 經濟性運行方案分析

能源站使用市政集中熱網供熱系統，需要從熱源廠購買熱量，水源熱泵、水泵等設備消耗電能，有相應的峰谷平電價。根據能源站具體情況，運行方案經過分析可分為兩種，第1種從經濟性方面考慮，第2種綜合考慮經濟性及供熱穩定性。

2.1 分析依據及基本數據

市政集中熱網供熱熱價為52.18元/GJ。能源站水源熱泵、中介水循環泵、水質凈化廠中水循環泵運行時的峰谷平電價不同，峰時段電價為0.8998元/kWh；平時段電價為0.6089元/kWh；谷時段電價為0.318元/kWh。根據設計的用戶供、回水溫度60、45 ℃，設計中介水供、回水溫度13、7 ℃，水源熱泵能效比(COP)取值3.629，水泵效率取0.7[6]，采暖季全天 24 h供熱，采暖季供熱天數 120天，住宅采暖收費標準為26.7元/m2。

2.2 經濟性分析

目前項目一期建設完成，二期未建設，水源熱泵系統或市政集中熱網供熱系統均可單獨承擔本采暖季供熱負荷。經濟性運行方案對比即水源熱泵供熱與市政集中熱網供熱的經濟性對比，集中供熱熱價為52.18元/GJ，水源熱泵供熱對比集中供熱，額外的能耗為水源熱泵電耗、中介水循環泵電耗、中水循環泵電耗，兩種供熱方式以1GJ產熱成本進行對比。

2.2.1 水源熱泵制熱成本E1計算

式中：Pc為水源熱泵能效比；e為電價，元/kWh。

根據式(1)可得水源熱泵供熱峰、平谷時段成本分別為68.67、46.61、24.34元/GJ。

2.2.2 循環水泵輸熱成本E2計算

系統中的中水來自水質凈化廠，通過一臺板式換熱器換熱后將中水的熱量傳遞給中介水，中介水進入水源熱泵蒸發器釋熱，中介水及中水的設計溫差均為6 ℃。

式中：G為水泵流量，m3/h；H為水泵揚程，m。

式中：W為循環水泵耗電量，kWh；Q為水源熱泵供熱量，GJ；Δt為水溫差，℃。

通過計算得出中水循環泵、中介水循環泵峰、平谷時段的輸熱成本分別為3.62、2.45、1.28元/GJ。

2.3 兩種供熱模式的供熱成本對比

兩種供熱模式的供熱成本對比如表2所示。根據表2數據，平電電價時，水源熱泵供熱成本與市政集中熱網供熱成本基本持平，因此，從經濟性運行分析，建議平電、谷電時段采用熱泵供熱，峰電時段(8:30～11:30；16:00～21:00)采用市政集中熱網供熱。

表2 供熱成本匯總表Table 2 Heating cost summary table

3 統籌經濟性及穩定性運行方案分析

以上分析得出了最經濟性的運行方案，但上述方案需要定時開啟、關閉熱泵及板式換熱器進出口閥門，相對耗時耗力。此外還需考慮供熱穩定性、熱源互為備用、響應快速等方面的因素[7]，建議采用市政集中熱網負擔50%熱負荷+水源熱泵系統負擔50%熱負荷的供熱運行模式。

3.1 分析依據及基本數據

因小區第一年供熱時居民入住率較低，戶間傳熱熱損失較大，根據濟南市歷年新小區運行實際情況，單位面積熱指標按照40 W/m2計算，中介水流量校核溫差按6 ℃計算，市政集中熱網水流量校核溫差按30 ℃計算。根據設計供、回水溫度60、45℃，設計中介水溫度13/7 ℃，水源熱泵設備COP取3.629。另外，供熱方案需考慮熱泵運行最低流量，蒸發器冷凝器側均不小于最低流量限值，冷凝器最低流量為105.48 m3/h、蒸發器最低流量64.80 m3/h。

3.2 運行方案

計算本采暖季按照本方案運行時系統各部分運行流量，為運行時調節流量提供參考依據，各部分運行流量數據如表3所示。

表3 各部分運行流量數據Table 3 Running flow data of each part

4 實際運行情況分析

2021—2022年采暖季是本能源站運行的第1個采暖季，居民入住率為35.94%，實際供熱面積為4.41萬m2，根據運行情況分析，為保證第1個采暖季運行穩定，采取市政集中熱網負擔50%熱負荷+水源熱泵系統負擔50%熱負荷的供熱運行模式，采暖季共計運行120天，經統計整個系統耗熱量、耗電量等數據如表4所示。

表4 運行數據分析表Table 4 Running data analysis table

2021—2022年采暖季項目運行平穩，第1個采暖季通過早注水、早排污、早調節等方式保障用戶用熱平衡，維持較低投訴率。由表4可見，采取此運行模式整個采暖季運行效果良好，用戶單位面積耗熱量為0.39 GJ/m2，折合單位面積熱指標為38 W/m2，水源熱泵運行COP為3.73，運行效率較高，切實實現了節能減排降耗的目的。

5 結論

本文分析了水源熱泵聯合市政集中供熱的系統設計及運行模式，結合實際項目進行了研究。結果顯示：經濟性運行方案下，建議平電、谷電時段采用熱泵供熱，峰電時段采用市政集中供熱系統供熱模式；統籌經濟性穩定性運行方案下，建議采用市政集中供熱系統負擔50%熱負荷+水源熱泵系統負擔50%熱負荷的供熱模式，該供熱模式下單位面積熱指標為38 W/m2，水源熱泵能效比為3.73，運行效率較高。