洪杰南， 屈 蘭

(1. 國(guó)家電力投資集團(tuán)江西能源銷售有限公司，南昌 330096；2.江西水利職業(yè)學(xué)院 公共教學(xué)部，南昌 330000)

當(dāng)前，我國(guó)能源利用普遍存在著利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大等主要問題[1-2]。區(qū)域集中供能具有能源綜合利用效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是典型的資源節(jié)約、環(huán)境友好型的能源生產(chǎn)方式和消費(fèi)模式，受世界各國(guó)青睞[3]。在中國(guó)南方地區(qū)，具有冬季寒冷、夏季炎熱的氣候特點(diǎn)，用戶不僅有集中供熱的需求，同時(shí)也有集中供冷的需求，因此區(qū)域供冷供熱項(xiàng)目一般需要建設(shè)區(qū)域能源站，實(shí)現(xiàn)冷熱源的供應(yīng)。

水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源(如地下水、河流和湖泊)吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻臀粺崮苜Y源，或利用具有熱能資源的電廠循環(huán)水、廢水、中水等，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)[4]。由于水源熱泵的冷熱源溫度全年較為穩(wěn)定，使得系統(tǒng)制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～5.0[5-6]。

為進(jìn)一步挖掘水源熱泵技術(shù)的節(jié)能潛力，充分利用低溫余熱資源，筆者以某利用電廠循環(huán)水余熱進(jìn)行區(qū)域供冷供熱的項(xiàng)目能源站為例，對(duì)能源站機(jī)組串并聯(lián)方式的節(jié)能性能進(jìn)行了研究與對(duì)比分析。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目技術(shù)方案

該項(xiàng)目依托供能區(qū)域附近電廠豐富的循環(huán)水余熱作為區(qū)域能源站的冬季供熱的低溫?zé)嵩?，能源站制熱制冷機(jī)組采用離心式水源熱泵機(jī)組(簡(jiǎn)稱水源熱泵機(jī)組)和離心式冷水機(jī)組(簡(jiǎn)稱單冷機(jī)組)。

冬季利用發(fā)電廠循環(huán)水凝汽器排水余熱作為水源熱泵機(jī)組制熱的低溫?zé)嵩?，冬季供熱回水?jīng)循環(huán)水泵增壓后進(jìn)入水源熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)實(shí)現(xiàn)升溫，空調(diào)熱水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶。由于電廠循環(huán)水水溫較穩(wěn)定，因此能保證系統(tǒng)制熱的高效率。能源站冬季制熱方案流程見圖1。

夏季在能源站屋面設(shè)置機(jī)力冷卻塔作為機(jī)組冷卻水源，空調(diào)冷凍水回水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后進(jìn)入機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)實(shí)現(xiàn)降溫，空調(diào)冷水經(jīng)供能管網(wǎng)輸送至各用戶滿足空調(diào)制冷需求。能源站夏季制冷方案流程見圖2。

該項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)一系列區(qū)域供冷供熱能源站，能源站夏季制備空調(diào)冷水，冬季制備空調(diào)熱水，并同步敷設(shè)循環(huán)水管網(wǎng)和空調(diào)冷熱水管網(wǎng)為建筑供能。能源站夏季供冷設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為4 ℃、13 ℃，冬季供熱設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為48 ℃、38 ℃。冬季電廠循環(huán)水設(shè)計(jì)供、回水溫度分別為25 ℃、10 ℃。

1.2 能源站負(fù)荷情況

能源站設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷熱負(fù)荷見表1、表2。該能源站供能面積約為87.6萬m2，主要用戶負(fù)荷類型為商業(yè)和住宅，能源站設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為39.74 MW，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為23.04 MW。

表1 能源站設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷 MW

表2 能源站設(shè)計(jì)日逐時(shí)熱負(fù)荷 MW

2 機(jī)組串并聯(lián)運(yùn)行方式

2.1 機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行方式

在常規(guī)設(shè)計(jì)情況下，能源站機(jī)組一般并聯(lián)使用，機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水源側(cè)和用戶側(cè)的進(jìn)出口水溫與單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)差別不大，僅整個(gè)機(jī)組流量增加[7]。以制熱為例，并聯(lián)機(jī)組的運(yùn)行流程見圖3。

并聯(lián)機(jī)組的每臺(tái)機(jī)組都是獨(dú)立運(yùn)行的，當(dāng)某臺(tái)機(jī)組故障或總負(fù)荷降低至一定程度以下時(shí)，可以停運(yùn)一臺(tái)機(jī)組，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小，運(yùn)行調(diào)整的靈活性較高，控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。

2.2 機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行方式

對(duì)于采用串聯(lián)形式的能源站機(jī)組，以冬季供熱為例，低溫?zé)嵩此紫冉?jīng)過上游機(jī)組，在蒸發(fā)器釋放完一次熱量后，再進(jìn)入下游機(jī)組的蒸發(fā)器放熱，串聯(lián)機(jī)組的運(yùn)行流程見圖4。

能源站機(jī)組按此運(yùn)行方式，能夠充分利用電廠循環(huán)水的余熱，串聯(lián)機(jī)組的總效率比單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)高，可有效降低能源站的運(yùn)行費(fèi)用[8-9]。但兩臺(tái)機(jī)組需要搭配使用，在運(yùn)行靈活性上不如并聯(lián)形式的機(jī)組。

3 機(jī)組串并聯(lián)性能對(duì)比

為研究機(jī)組串并聯(lián)形式對(duì)能源站機(jī)組運(yùn)行性能的實(shí)際影響，根據(jù)能源站設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷、夏季供冷設(shè)計(jì)供回水溫度、冬季供熱設(shè)計(jì)供回水溫度以及冬季電廠循環(huán)水供回水溫度等邊界條件，對(duì)三個(gè)空調(diào)主機(jī)品牌廠家的產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研。各廠家按照各自能選出的最高能效比的產(chǎn)品，進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)組合后，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)能效比、降低運(yùn)行費(fèi)用為原則分別做了機(jī)組并聯(lián)和機(jī)組串聯(lián)方案的選型，并提供了對(duì)應(yīng)選型機(jī)組的測(cè)試數(shù)據(jù)。具體機(jī)組配備情況見表3。

表3 各廠家機(jī)組配備情況匯總表

各廠家均配備了蓄能系統(tǒng)，通過蓄能系統(tǒng)削峰填谷的運(yùn)行策略，削減了總裝機(jī)容量，降低了設(shè)備投資。

3.1 單冷機(jī)組串并聯(lián)性能比較

對(duì)三個(gè)廠家單冷機(jī)組串并聯(lián)方案的能效比進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。最終，三個(gè)廠家對(duì)于單冷機(jī)組均采用了機(jī)組串聯(lián)方案。

表4 各廠家單冷機(jī)組串并聯(lián)方案性能對(duì)比

從表4可以看出：相比并聯(lián)方式，所有廠家單冷機(jī)組采用串聯(lián)方式后機(jī)組能效比和考慮水泵功耗的系統(tǒng)綜合能效比都有不同程度的提高，但綜合能效比提升沒有機(jī)組能效比提升得明顯，主要是因?yàn)闄C(jī)組串聯(lián)后會(huì)導(dǎo)致阻力增加，影響了機(jī)組的綜合能效比。

3.2 水源熱泵機(jī)組串并聯(lián)性能比較

該項(xiàng)目采用電廠循環(huán)水余熱作為水源熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?，冬季電廠循環(huán)水供、回水設(shè)計(jì)溫度分別為25 ℃、10 ℃，溫差達(dá)15 K，具有較強(qiáng)的供熱潛力。水源熱泵機(jī)組不同于傳統(tǒng)單制冷機(jī)組，通過切換工況，冬天可制熱，夏天可制冷，能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)兩用，有利于降低項(xiàng)目投資和減少能源站占地面積[10]。

水源熱泵機(jī)組串聯(lián)方案由于每個(gè)廠家產(chǎn)品的差異性，有的采用的是單側(cè)串聯(lián)形式，有的采用的是雙側(cè)串聯(lián)形式；有的是機(jī)組內(nèi)部系統(tǒng)串聯(lián)后再用外部水系統(tǒng)串聯(lián)，有的是僅采用了外部水系統(tǒng)串聯(lián)，形式不一。

各廠家水源熱泵機(jī)組制冷、制熱工況串并聯(lián)方案性能對(duì)比情況見表5、表6。

從表5和表6可以看出：所有廠家水源熱泵機(jī)組無論是制冷工況還是制熱工況，相比并聯(lián)方式，采用串聯(lián)方式后機(jī)組能效比和考慮水泵功耗系統(tǒng)綜合能效比都有不同程度的提高，最高可提高約8%。廠家C采用的是雙機(jī)頭水源熱泵機(jī)組，即機(jī)組在內(nèi)部已采用了串聯(lián)的方式。通過能效對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，該廠家機(jī)組能效比和綜合能效比較其他兩家采用單機(jī)頭機(jī)組的廠家要高出許多，說明對(duì)于水源熱泵機(jī)組，機(jī)組內(nèi)部系統(tǒng)串聯(lián)方式優(yōu)于機(jī)組外部串聯(lián)方式。

表5 各廠家水源熱泵機(jī)組制冷工況串并聯(lián)方案性能對(duì)比

4 運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組能效比的影響

4.1 影響機(jī)組能效比的主要因素

熱泵的基本原理是基于逆卡諾循環(huán)，在小部分驅(qū)動(dòng)能量的作用下，將熱量從低溫?zé)嵩磦鬟f到高溫?zé)嵩?，技術(shù)原理見圖5。

對(duì)于該項(xiàng)目而言，熱泵輸入功率Wnet主要是壓縮機(jī)的耗電量。制熱工況下，制熱量是熱泵蒸發(fā)器從低溫?zé)嵩吹奈鼰崃縌2；制冷工況下，制冷量是熱泵冷凝器向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃縌1。

機(jī)組的制熱能效比KCOP,zr可以表示為：

(1)

機(jī)組的制冷能效比KCOP,zl可以表示為：

(2)

因此，影響機(jī)組能效比的主要因素是機(jī)組的制冷(熱)量以及壓縮機(jī)的耗電量。提升機(jī)組能效比的主要途徑是盡量提高機(jī)組的制熱(冷)量，并盡量減少壓縮機(jī)的功耗。

4.2 機(jī)組串并聯(lián)對(duì)能效比的影響

為便于機(jī)組串并聯(lián)能效比的對(duì)比，假定熱泵工質(zhì)進(jìn)行的是理想的逆卡諾循環(huán)，不考慮節(jié)流損失和再熱損失等影響因素，則水源熱泵機(jī)組的理論制熱能效比可表示為：

(3)

理論制冷能效比可表示為：

(4)

式中：Tk為制冷劑冷凝溫度，K；To為制冷劑蒸發(fā)溫度，K。其中，Tk一般比冷凝器出水溫度高5 K，To一般比蒸發(fā)器出水溫度低3 K[11]。

能源站理論計(jì)算邊界條件如下：

(1) 夏季工況：冷源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為13 ℃、4 ℃。

(2) 冬季工況：熱源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為25 ℃、10 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為38 ℃、48 ℃。

4.2.1 機(jī)組并聯(lián)理論能效比計(jì)算

機(jī)組并聯(lián)工況下，夏季冷源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為13 ℃、4 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=274 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。 機(jī)組并聯(lián)方案夏季理論制冷能效比KCOP,zl=6.68。

冬季熱源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為25 ℃、10 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為38 ℃、48 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=280 K，制冷劑冷凝溫度Tk=326 K。機(jī)組并聯(lián)方案冬季理論制熱能效比KCOP,zr=7.09。

4.2.2 機(jī)組串聯(lián)理論能效比計(jì)算

水源熱泵機(jī)組夏季串聯(lián)運(yùn)行流程見圖6。

上游機(jī)組冷源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為13 ℃、8.5 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=278.5 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。上游機(jī)組理論制冷能效比KCOP,zl=7.63。

下游機(jī)組冷源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為32 ℃、37 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為8.5 ℃、4 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=274 K，制冷劑冷凝溫度Tk=315 K。下游機(jī)組理論制冷能效比KCOP,zl=6.68。

機(jī)組串聯(lián)方案夏季理論制冷能效比KCOP,zl=7.16。

水源熱泵機(jī)組冬季串聯(lián)運(yùn)行流程見圖7。

上游機(jī)組熱源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為25 ℃、17.5 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為43 ℃、48 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=287.5 K，制冷劑冷凝溫度Tk=326 K。上游機(jī)組理論制熱能效比KCOP,zr=8.47。

下游機(jī)組熱源側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為17.5 ℃、10 ℃，用戶側(cè)進(jìn)、出水溫度分別為38 ℃、43 ℃，則制冷劑蒸發(fā)溫度To=280 K，制冷劑冷凝溫度Tk=321 K。下游機(jī)組理論制熱能效比KCOP,zr=7.83。

機(jī)組串聯(lián)方案冬季理論制熱能效比KCOP,zr=8.15。

4.2.3 機(jī)組串并聯(lián)理論能效比比較分析

基于上述計(jì)算結(jié)果，機(jī)組串、并聯(lián)工況理論能效比匯總見表7。

表7 機(jī)組串并聯(lián)工況理論能效比對(duì)比表

由表7可知：當(dāng)機(jī)組采用串聯(lián)方案時(shí)，機(jī)組理論能效比夏季可提升0.48，提升率為7.19%；冬季可提升1.06，提升率為14.95%。能效比理論計(jì)算結(jié)果與廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)總體趨勢(shì)一致，說明機(jī)組采用串聯(lián)形式確實(shí)能夠有效提高機(jī)組的能效水平。分析原因可能是主機(jī)采用串聯(lián)形式后，上游機(jī)組和下游機(jī)組進(jìn)出水溫差減小，壓縮機(jī)的總體功耗相比于并聯(lián)機(jī)組有所降低。

5 結(jié)語

筆者以某利用電廠循環(huán)水余熱進(jìn)行區(qū)域供冷供熱的項(xiàng)目能源站為例，對(duì)能源站機(jī)組串并聯(lián)方式的節(jié)能性能進(jìn)行了研究與對(duì)比分析，通過對(duì)三個(gè)空調(diào)主機(jī)品牌廠家提供的能源站機(jī)組搭配方案的性能比較以及串并聯(lián)運(yùn)行方式機(jī)組能效比的理論分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在不考慮節(jié)流損失、再熱損失、電動(dòng)機(jī)效率、機(jī)械傳動(dòng)效率等對(duì)機(jī)組能效比影響的條件下，機(jī)組串聯(lián)后，機(jī)組能效比在夏季、冬季均有所提升，說明機(jī)組串聯(lián)是有一定優(yōu)勢(shì)的。

(2) 對(duì)該項(xiàng)目而言，采用單機(jī)頭機(jī)組時(shí)，夏季蒸發(fā)器側(cè)建議串聯(lián)；冬季蒸發(fā)器側(cè)建議串聯(lián)，冷凝器側(cè)可根據(jù)實(shí)際情況確定。

(3) 雙機(jī)頭機(jī)組內(nèi)部串聯(lián)后機(jī)組能效比有提升，單機(jī)頭機(jī)組外部串聯(lián)后能效比也有提升，但雙機(jī)頭機(jī)組內(nèi)部串聯(lián)的能效比更高。同時(shí)，由于外部串聯(lián)管路系統(tǒng)及控制系統(tǒng)更復(fù)雜，推薦優(yōu)先采用機(jī)組內(nèi)部串聯(lián)機(jī)組，機(jī)組外部并聯(lián)的方案。但由于雙機(jī)頭機(jī)組生產(chǎn)廠家并不多，且價(jià)格普遍比單機(jī)頭機(jī)組高，因此區(qū)域供能能源站機(jī)組的選型應(yīng)綜合考慮機(jī)組能效比、價(jià)格以及采購難度等因素后確定。