空氣源熱泵採暖升級改造實踐
山西宏源煤業集團技改組 郭書辰 曹忠宏
摘要：山西宏源煤業集團在2017年將燃煤採暖改為空氣源熱泵採暖，改造後的空氣源熱泵存在採暖不達標的問題。2019年採用蓄聯熱泵技術進行升級改造，利用原有的空氣源熱泵與新增的相變蓄能裝置耦合，實現低品位熱能的採集和儲存，再通過增設的溫度提升熱泵實現高溫熱能的供應。經過一個採暖週期的運行，監測數據表明：在嚴寒低溫天氣以及低溫雨雪環境下，蓄聯熱泵系統供水溫度能夠穩定達到60℃以上，供回水溫差15℃，暖氣片表面溫度可達50℃，綜合能效提升20%以上，供暖效果明顯優於原有空氣源熱泵系統，具有良好的可行性和經濟性，為嚴寒地區空氣源熱泵升級改造提供了可借鑑的實際經驗。
關鍵詞：煤礦企業 清潔採暖 空氣源熱泵 壓縮機燒燬 蓄聯熱泵 系統升級優化
0 引言
山西宏源煤業集團自2017年至2018年響應“清潔採暖、減少霧霾”的要求，集團對下轄各廠礦單位的供熱系統進行了改造，由原來的燃煤鍋爐採暖改為電廠集中供熱或空氣源熱泵機組供熱。項目所在地冬季日平均最高氣溫5℃，日平均最低氣溫-9℃，最低氣溫為-23.4℃。煤改空氣源熱泵供暖一年來的實踐表明，改造後的普遍存在採暖效果差，壓縮機大量燒燬等問題，嚴重影響了企業的安全生產。經技改專家組調研，採用蓄聯熱泵技術決定對問題最嚴重的集團500萬噸選煤廠進行試點改造。該500萬噸選煤廠是目前臨汾市規模最大、技術最先進的重介選煤廠之一，該項目自2019年9月施工改造，11月底竣工、調試，正常投運。通過遠程監測系統對2019年12月1日至2020年2月18運行數據進行了採集和分析，供水溫度和室內溫度、能耗均達到了優化設計的各項指標，確保了正常的生產生活，為採暖不達標的空氣源熱泵升級改造提供了真實的決策依據。
1 原空氣源熱泵系統存在的問題
1.1 原設計負荷
500萬噸洗煤廠總供熱面積為48573.8㎡，其中生產區域建築面積為36738.3㎡，建築層高5.4米，設計熱負荷2939KW，熱負荷指標80W/m2，下屬的磅房（224.1m2）、1#門房、2#門房（63.6m2）室內設計溫度為18℃外，其他區域室內設計溫度為12℃。
1.2 原設備配置及裝機功率
原供熱由燃煤鍋爐集中供熱，2018年燃煤鍋爐停用拆除後在鍋爐房北側集中安裝了“某品牌”RS-165Ⅱ/C2空氣源熱泵機組28臺+2臺200KW的電輔熱器，經現場勘查測量，空氣源熱泵主機安裝間距為56㎝，設備排布非常密集，如圖1所示。
圖1 原有空氣源熱泵機組現場照片
1.3 使用情況
2018年冬季實際運行中供水溫度約40℃，能耗費用極高，而且112臺壓縮機年燒燬56臺，維修更換工作繁重。按裝機設備銘牌顯示在室外溫度7℃/6℃下，制熱量170KW/臺，生產區設備供熱量為20臺*170KW=3400KW。在室外溫度-12℃/-14℃下制熱量僅為108KW/臺，生產區設備供熱量為20臺*108KW=2160KW（在環溫-20℃時，空氣源熱泵產生的熱量更低，無法滿足採暖需求）。而生產區末端散熱器總的熱負荷需求為2939KW，按室外溫度-12℃/-14℃條件考慮，單位小時有779KW的供熱缺口，尤其是在此環境溫度條件下，空氣源熱泵的實際出水溫度遠遠低於60℃的合同規定。
1.4 供熱效果
按2018年至2019年度採暖期（2018年11月1日至2019年2月26日）運行情況的統計數據：
（1）供水溫度最高為55℃，室外溫度-12℃以下時，供水溫度均低於50℃。
（2）夜間使用兩臺200KW電輔加熱，2018年12月和2019年1月全天開啟。
（3）28臺空氣源熱泵共計配置112臺壓縮機，燒燬壓縮機56臺，年損毀率約50%。
（4）生活區地暖部分室內溫度可以達到＞18℃，其餘建築物（暖氣片或其他散熱器）均無法達到設計要求，生產區建築物室內溫度均達不到12℃。
1.5 綜合分析不達標原因：
（1）空氣源熱泵機組裝機容量不夠，低溫條件下空氣源熱泵制熱量遠不能滿足供熱負荷需求。
（2）空氣源熱泵機組安裝間距僅為56cm，冷島現象嚴重，不符合工程規範要求。
（3）兩臺200KW電輔加熱在12月和1月期間連續運行，導致採暖運行費用極高。
（4）空氣源熱泵機組在低溫條件下設置高溫出水制熱，壓縮機排氣溫度過高、壓縮比太大，不僅達不到出水溫度的要求，反而導致壓縮機的大量燒燬。
2 蓄聯熱泵系統解決方案
現有的清潔能源採暖/供冷方式中，熱泵技術有著清潔環保、能效比高、運行穩定的優勢，但都存在各自的適用範圍和條件，為了突破單一技術運用的客觀限制，通過綜合技術創新和應用實踐，我們提出了蓄聯熱泵系統，採用空氣源熱泵採集能量、相變蓄能調節和螺桿水水熱泵提溫的“雙級耦合、多能互補”方式，打造“不打井、不做地埋管”的熱泵蓄能複合系統，實現極端嚴寒天氣下穩定、高效的供熱效果。
2.1 負荷設計
500萬噸洗煤廠生產區域建築面積為36738.3㎡，系統配置熱負荷依舊為36738.3m2×80W/m2≈2939KW。與原空氣源熱泵系統採暖負荷設計相同。
2.2 技術原理
蓄聯熱泵系統是成熟的熱泵技術和蓄能技術的交叉互聯、綜合利用形成的創新應用系統，蓄聯熱泵由一次側空氣源蓄能熱泵、二次側變工況溫度提升熱泵組成。通過一次側空氣源熱泵或淺層地熱、太陽能、其他廢熱餘熱等通過相變蓄能進行多源互補的技術耦合，實現自然界所蘊含的低品位熱能的採集和儲存，由二次側溫度提升熱泵系統實現高溫供熱，構建穩定、可靠、節能的採暖系統。
2.3 設備配置及功耗
表1 系統最大功耗表
序號
費用列表
型號
數量
單臺功率KW
總功率KW
1
空氣源蓄能熱泵
原空氣源熱泵+23m3蓄能罐2個
28
臺
25.8
722.4
2
溫度提升熱泵
AWHN4002A螺桿式水水熱泵
2
臺
386.9
773.8
3
供暖循環泵
/
2
臺
22
44
4
熱源循環泵
/
2
臺
37
74
5
蓄聯熱泵功耗
1614
6
原系統最大功耗
不含400KW電輔熱
1678
3 系統優化設計
3.1 優化供熱系統
對原空氣源熱泵系統進行優化升級，將空氣源熱泵系統進行分組聯控、改進控制策略並調整機組的運行工況參數，進行低品質熱能採集，在室內增設相變蓄能裝置進行能量的存儲和調節，再通過暖氣片專用熱泵機組實現高溫供熱。系統設計了單級直供和雙級聯供的節能運行模式，在環溫較低時，採用雙級聯供的模式供熱；在環溫較高時，末端負荷需求減小，採用空氣源熱泵單級直供的模式供熱，最大化提升系統在全採暖季的綜合能效。系統優化設計原理如圖2所示：
圖2 蓄聯熱泵系統優化設計原理圖
3.2 調整空氣源熱泵間距
室外空氣源熱泵從空氣中提取低品質熱量，原工程安裝時設備間距過小，嚴重影響氣流的均一性，多臺設備集中佈置，經實測中心點溫度比周邊環境溫度低5℃左右，大大影響了設備效率。通過工程改造，設備間距調整到1m以上，減少氣流短路現象，使得換熱效果得到進一步提升。工程改造後實景圖如圖3：
圖3 空氣源熱泵工程改造實景圖
3.3 增設相變蓄能裝置
相變蓄能裝置充分發揮了相變蓄能、冷熱均流和調節蓄放的功能。在環境溫度過低時，空氣源熱泵處於自身限制而無法正常供熱的狀態下，蓄能模塊為系統提供補充能量，確保末端系統穩定供熱。按系統需求，增設23m3相變蓄能裝置2個。工程改造實景圖如圖4：
圖4 相變蓄能裝置工程安裝實景圖
3.4 增設暖氣片專用熱泵機組
按熱負荷2939KW設計，溫度提升熱泵配置2臺法凱淶瑪AWHN系列暖氣片專用螺桿熱泵機組AWHN4002A（單臺製熱量1520.4KW/功率386.9KW），在不增加熱泵設備製造費用的前提下，機組可穩定提供60℃供水/45℃回水，大溫差小流量，與現有末端暖氣片適配，取得良好的採暖效果。工程改造實景圖如圖5：
圖5 暖氣片專用螺桿熱泵機組工程改造實景圖
3.5 增設智能控制系統
項目地處山溝，交通不便，現場專業技術力量不足。為此，增設了蓄聯熱泵智能控制系統，能夠實現變工況自適應調節、直供/聯供自動切換，觸摸屏人機交互界面，具備“開機/關機”、“手動/自動”、“運行狀態”、“參數設置”、“報警信息”、“能效分析”等界面。對空氣源熱泵控制器優化升級，與新增設備深度耦合可根據環境溫度的變化自適應調節供水溫度，為溫度提升熱泵提供了穩定熱源。智能控制系統的加入，更適應低溫環境的高效、穩定的供熱運行，實現了遠程控制、無人值守、節能運行的效果。智能控制系統主界面如圖6所示：
圖6 智能控制系統主界面
自2019年12月1日至2019年2月18日，通過智能控制系統對環境溫度、設備耗電量、供回水溫度等做了數據監測，除暖氣片表面溫度和室內溫度採用紅外測溫儀測試外，其餘參數均為實時在線監測、調控。
4 升級改造後供熱效果
4.1 氣象條件
2019年12月1日至2020年2月18日期間，項目地的氣溫監測數據分析如下：
2019年12月平均高溫：5℃，平均低溫：-7℃；極端低溫：-19℃（12月30日）
2020年1月平均高溫：2℃，平均低溫：-12℃，極端低溫：-16℃（1月13日）
2020年2月平均高溫：7℃，平均低溫：-10℃，極端低溫：-13℃（2月15日）
由於煤礦地處山區，項目所在地氣溫比市區氣溫低2至5℃，現場實測的最低氣溫為-23.4℃。
4.2 供熱溫度
（1）嚴寒低溫天氣運行情況
根據監測期間的氣溫統計數據，最低氣溫出現在2019年12月30日，晴天，夜間最低溫度-19℃，白天最低溫度-6℃。蓄聯熱泵系統運行穩定，熱源側溫度25℃左右，供熱側溫度60℃左右。智能控制系統實測運行數據如圖7所示：
T1為熱源溫度；T2為供水溫度；T3為回水溫度；T4為蓄能溫度；T5為蓄能罐內溫度
圖7 智能控制系統12月30日運行數據曲線截圖
由運行曲線可以看出，在00:30至11:00低溫天氣期間，空氣源熱泵加載運行，蓄能裝置釋放熱量補充調節，熱源溫度波動較小，溫度提升熱泵供熱溫度穩定。在11:00至18:00白天環溫較高時段，建築物熱負荷需求降低，蓄聯熱泵系統通過自動調節出水溫度將部分高效富餘制熱能力轉化為熱能蓄存，此期間空氣源熱泵根據環溫和供水溫度進行自適應調節。
（2）低溫雨雪天氣運行情況
根據監測期間的氣溫統計數據，2020年1月4日至1月7日出現不同程度的雨夾雪、大雪天氣，其中1月4日為雨夾雪天氣，1月7日為大雪天氣，全天氣溫都較低為-12℃，溼度較大。蓄聯熱泵系統中，熱源側的空氣源熱泵出現多次化霜現象，空氣源熱泵供水溫度波動幅度加大，此時段，蓄能裝置通過控制調節進行能量補償，實現了熱源側溫度的穩定平衡，確保了使用側穩定供熱。智能控制系統實測運行數據如圖8、圖9所示：
T1為熱源溫度；T2為供水溫度；T3為回水溫度；T4為蓄能溫度；T5為蓄能罐內溫度
圖8 智能控制系統1月4日運行數據曲線截圖
由運行曲線可以看出，在05:00至12:00低溫天氣期間，蓄能裝置釋放熱量補充調節；在12:00至18:00白天環溫較高時段，蓄聯熱泵系統利用富餘制熱能力開始蓄能，蓄能裝置還起到了對化霜能量的補償，在12:30至15:30期間雨雪較大階段，蓄能罐體內溫度上升較慢。
T1為熱源溫度；T2為供水溫度；T3為回水溫度；T4為蓄能溫度；T5為蓄能罐內溫度
圖9 智能控制系統1月7日運行數據曲線截圖
由運行曲線可以看出，受雨雪天氣影響，全天內熱源側溫度波動較大，在01:00至13:00期間，蓄能裝置多次釋放熱量進行溫度補償；在12:00至18:00時段環溫升高，蓄聯熱泵系統利用富餘制熱能力開始蓄能，系統快速完成蓄能，並在18:00後建築物熱負荷提升，實現60℃左右的高溫供熱。
通過上述典型天氣條件下的運行分析，相比原空氣源熱泵系統在12月和1月的兩臺200KW電輔加熱全天開啟情況、低溫天氣仍達不到50℃供水溫度的要求，改造後的蓄聯熱泵系統，供熱溫度可始終保持在60～65℃之間，並且全時段未出現一例壓縮機燒燬的現象。
4.3 末端散熱器溫度
在2019年12月25日對系統運行情況進行抽樣檢測，在凌晨3:00環境溫度為-13℃，對500萬噸洗煤廠建築物及採暖散熱器進行了採樣，散熱器表面溫度可達50.3℃，室內溫度達13℃。相比原空氣源熱泵採暖，同等天氣條件下，散熱器表面溫度提升8℃左右，建築物室內溫度提升5℃左右，均超過採暖設計要求。抽樣檢測實況如圖10所示：
a採樣點1
b採樣點2
圖10 末端散熱器表面溫度實測圖
5 系統運行能效分析
5.1 系統綜合能效比
熱泵機組的能效比COP受到蒸發溫度、冷凝溫度、水流量和負荷率等多種因素的影響，一次側空氣源熱泵機組和二次側螺桿式溫度提升熱泵機組在不同工況下，能效比數值均有所不同。蓄聯熱泵系統機組綜合能效比為總制供熱量和機組壓縮機功耗的比值，以此，根據機組制熱量和功耗關係，我們推導出蓄聯熱泵系統機組綜合能效比的計算公式，如下：
式中 COP為蓄聯熱泵系統機組綜合能效比；η為動態迴歸修正係數,取1；COP1為空氣源熱泵機組能效比；COP2為螺桿式溫度提升熱泵機組能效比。
根據監測數據，對不同環境溫度條件下，對應機組的運行工況數據、水泵流量、供回水溫度等數據，對蓄聯熱泵系統機組綜合能效比進行測算，通過測算和理論推導數據進行修正，得出蓄聯熱泵系統在不同工況的機組綜合能效比，供分析參考，如表2所示：
表2 不同工況機組綜合能效比數據表
注：空氣源熱泵在不同的環境溫度下，對應於出水溫度15℃～45℃的各項數據是依據谷輪Selection software Asia 7.16軟件計算得出（壓縮機型號為VPI144KSE-TFP,製冷劑為R410A,回氣過熱度10K，過冷度5K）；出水60℃對應的數據是使用丹佛斯Coolselector 2軟件計算得出（壓縮機型號為PSH039-4,製冷劑R410A,有效過熱度10K，過冷度5K）。
通過監測數據和機組綜合能效比理論推導的對照分析，蓄聯熱泵系統通過蓄能裝置的耦合，使得設備性能達到最佳，供熱系統改造後綜合能效大幅提升。由能效數據得出結論，為了進一步提升全採暖週期的綜合能效水平，以環溫5℃為界限，系統採用單級直供和雙級聯供自動切換的節能最優模式。
5.2 設備性能
空氣源熱泵改變了出水工況，使得設備運行的冷凝溫度和冷凝壓力降低，最大壓縮比由24.33降至10.57，僅為原空氣源熱泵系統供暖的43.4%。壓縮機始終處在高效、穩定的運行區間運行，設備故障率降低，可靠性提升。不同工況下溫度壓力參數如表3所示：
表3 空氣源熱泵不同工況下溫度壓力（R410A）參數表
注：表中數據來源於R410A熱力性質表，冷凝溫度65℃時冷凝壓力41.11bar，冷凝溫度50℃時冷凝壓力29.52bar，冷凝溫度30℃時冷凝壓力17.86bar。
由於設備運行工況的改善和蓄能裝置的能量蓄存調節，在運行過程中，熱源側配置的28臺空氣源熱泵機組，最佳工況時實際啟動設備數量減少了50%，原電輔熱裝置（2臺200KW）不再使用。
蓄聯熱泵系統中空氣源熱泵出水工況改變，使得壓縮機的排氣溫度降低，相比原空氣源熱泵設定60℃供熱時，排氣溫度降低50%左右，大大降低了低環溫條件運行時壓縮機燒燬的風險，而且大幅提升了設備的使用壽命。空氣源熱泵壓縮機不同工況排氣溫度如表4所示：
表4 原有補氣增焓空氣源熱泵壓縮機（48P）排氣溫度參數表
注：表中數據來源於丹弗斯選型軟件Coolselector®2（版本3.3.1）。一般設計將排氣溫度控制在110℃以內，最高不得超過130度！相關資料表明，壓縮機排氣溫度若超過設計極限溫度，則每升高8℃，壓縮機壽命縮短50%。
5.3 能耗費用
根據數據統計，2019年12月1日至2020年2月18日期間，蓄聯熱泵系統主要設備啟動運行時間計算，採暖的平均負荷係數為60%左右，供暖數據監測時間80天，平均電價0.5652元/KWh，建築面積36738.3m2，單位面積運行費用為：29元/m2。
6 總結
本項目積極響應落實《大氣汙染防治行動計劃》等文件精神，蓄聯熱泵系統立足先進節能技術，低成本、高能效、零排放的解決能源供應問題，增加了供熱的穩定性、降低系統投資、運行節能、設備壽命提高，具備良好的經濟價值和環保效益，對於“推進清潔能源、減少霧霾天氣”有著積極的示範意義，也為嚴寒地區空氣源熱泵升級改造提供了借鑑。工程實踐主要主要體現在幾個方面。
一是採用蓄聯熱泵技術對空氣源熱泵採暖升級改造具有良好的可行性和經濟性。
根據採暖運行數據監測對比分析，蓄聯熱泵系統供暖效果明顯優於原有空氣源熱泵供暖效果。通過採用蓄聯熱泵技術進行優化升級，將原有空氣源熱泵和增設的相變蓄能裝置耦合，實現低品位熱能的採集和儲存，再通過增設的溫度提升熱泵實現高溫熱能的供應。經過一個採暖週期的運行，實踐證明蓄聯熱泵系統的穩定可靠性。該項目升級改造後，蓄聯熱泵系統的配電功率比原空氣源熱泵系統低464KW、運行能效提升20%以上，不僅達到了良好的供熱效果，而且大大減少了採暖運行費用，運行經濟性突出。
二是蓄聯熱泵系統在嚴寒低溫天氣條件下能實現穩定的高溫供暖。
通過運行數據分析，在嚴寒低溫天氣（全年最低環溫-19℃時段）以及低溫雨雪環境下，相變蓄能模塊發揮蓄能調節作用、保障熱源側能量供給，蓄聯熱泵系統供水溫度能夠穩定滿足60℃的高溫供暖，暖氣片表面溫度可達50.3℃。相比原有空氣源熱泵，在供熱溫度和穩定性上具有大幅提升。
三是蓄聯熱泵系統優化了設備技術性能和提升了設備使用壽命。
蓄聯熱泵系統中改變了空氣源熱泵出水工況，使得設備運行的冷凝溫度和冷凝壓力降低，最大壓縮比由24.33降至10.57，僅為原空氣源熱泵系統供暖的43.4%，設備的技術性能充分發揮，始終在穩定高效區間運行。壓縮機的排氣溫度從197.4℃降低至86.9℃，相比原空氣源熱泵設定60℃供熱時，排氣溫度降低50%左右，大大降低了低環溫條件運行時壓縮機燒燬的風險，而且大幅提升了設備的使用壽命。
四是蓄聯熱泵系統實現大溫差供暖更適應暖氣片採暖特性。
蓄聯熱泵系統的溫度提升熱泵配置法凱淶瑪AWHN系列暖氣片專用螺桿熱泵機組，通過智能控制和冷凝器二次提溫，回水進入一級冷凝器，入口側水溫45℃、出口側水溫52.5℃；通過聯通閥進入二級冷凝器，入口側水溫52.5℃、出口側水溫60℃，大溫差、小流量，確保末端暖氣片的採暖效果。原空氣源系統供熱端進出水溫差為5℃，散熱器使用端原設計進出水溫差10～15℃。系統升級改造中設備管徑、水泵選型可做合理調整，降低系統水阻，有待進一步挖掘水泵節能潛力。
五是在同等供熱效果條件下蓄聯熱泵系統總投資低於空氣源熱泵系統。
按該空氣源熱泵供暖系統升級改造的運行效果、投資費用等方面來看，常見的空氣源熱泵系統，若達到同等供熱效果，需大量增加機組數量和電輔助加熱設備來保障低溫衰減和化霜衰減的能量補充，按該項目的現有情況測算，蓄聯熱泵系統總投資低於空氣源熱泵系統，另外，與常見的空氣源熱泵相比，蓄聯熱泵系統從技術上大幅減少了設備維護投入。
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