吸收式热泵在供热系统中的最佳出水温度确定

王月莺 逯多威

清华同方人工环境有限公司

0 引言

吸收式热泵在蒸汽、热水或燃气、烟气等热源驱动下，能够回收低温余热，进而提高中温侧水温，可为用热场合提供热量，但目前主要用于区域供热较多。在供热系统中，热泵往往全部或部分负担供热负荷，这样热泵在整个供热负荷中的占比问题，即热泵的最佳出水温度的确定，便成为应该关注和解决的问题。

1 吸收式热泵热水出口温度的内在和外在影响因素

吸收式热泵的供热出水温度即指一次网回水经吸收器和冷凝器加热后的出水温度，这一温度的内在影响因素是冷凝压力和吸收器内溶液的最低温度[1]，而外在的影响因素则有余热的好坏、运行的调节方式、热泵在供热系统中的占比问题以及一些人为因素等。正因为影响因素较多，因此寻找一种较科学及简捷的方式来确定热泵热水出水温度是比较迫切的。但是不是说热泵的出水温度越高越好呢？

2 提高热泵设计出水温度对热泵性能和系统造价的影响

在实际工程中，为了尽可能回收余热，因此热泵出水温度往往都是尽可能做到较高，但是实际上，由于COP值的降低，运行的调节方式等，会造成热泵偏离高效区运行，结果回收的热量反而不尽理想。

如图1所示：依据热平衡原理，得

图1 吸收式热泵原理图

从以上公式分析，理论上COP一定时，从回收余热的角度来分析，热泵出水温度trc越高，则回收的热量Qy越多，越节能。但事实上是这样吗？

首先从热泵工作原理来分析，热泵热水出水温度高，就相当于热泵的冷凝温度高，而冷凝温度提高后，热泵的实际COP值是降低的[2]，因此，实际回收的热量并不一定会相应地按比例提高。

下面举例说明：北京地区冬季拟采用热泵加汽水换热器的形式来为某区域供暖，系统采用间接供暖形式，首站设计供回水温度为105/55℃，二级站供回水温度为70/45℃，冬季室外采暖计算温度为-9℃，室外采暖平均温度为-1.9℃，若系统一次管网采用质调节[3]，则调节性能如表1所示。

表1 热网质调节特性表

从表格中看到：热水网路供回水温度是随着室外气温的变化而变化的，在采暖室外平均温度下，热网供水温度为84.5℃，而热泵在余热较好的情况下，最高出水温度可以达到95℃，那是不是就将热泵的出水温度定为95℃呢？显然不是，因为热泵出水温度提高，意味着热泵造价也相应地提高，而热泵造价在供热首站是占主要部分的，同时一次网供水温度随着室外气温的提高是降低的，因此实际上热泵的出水温度是一个应经技术经济论证的最佳温度，热泵在这个温度下运行，一方面可以降低整个系统的投资，另一方面也可以保证热泵尽可能回收余热。

3 热泵最佳供热出水温度的确定

3.1 供热系数

首先定义供热系数α：设室内设计温度为tn，冬季采暖室外计算温度为tw，冬季采暖室外平均温度为twp，则

例北京地区，冬季室外采暖计算温度为-9℃，采暖室外平均温度为-1.9℃，若室内设计温度采用18℃，则供热系数α=(18+1.9)/(18+9)=0.737。

3.2 供热系数与热泵最佳出水温度关系

热泵最佳出水温度与热泵在系统中负担热负荷比例、余热情况、设备造价、回收期、调节方式等均有关系，是一个需经技术经济确定的重要的参数，而技术经济分析方法较多，下面以常用的固定投资回收期来进行分析。

如图2所示：某供热系统，一次网设计供回水温度为tg/th℃、热泵进出口温度为trc/th℃，汽水换热器进出口温度为tg/trc℃，一次网流量为G t/h；单位热泵造价为x万元/MW，热价为y元/GJ。

图2 供热首站简单示意图

这样热泵负担热负荷Qr1（MW）为：Qr1=1.163×G×(trc-th)/1000，据此热负荷选择热泵机组。

通常供热首站热泵造价是占主要比例的，通常以热泵单位热泵热量投资造价来估算首站投资，即首站投资（包括热泵和汽水换热器）E1（万元）为：

系统全年供热平均热负荷Q1p（MW）[4]为：

式中：Z表示采暖天数。

将式（5）代入式（6），推导得出

式中：Qrp1为热泵年平均供热负荷。

设此出水温度下热泵的COP值为COP1，则热泵全年平均回收余热量Qryp1为：

则全年回收的余热价值为

这样固定投资回收期P（年）为

分析上式，当热泵设计出水温度提高时，则COP1值降低，这样则固定投资回收期变长，若热泵设计出水温度降低，由于式（9）仅是考虑回收余热，而并没有综合考虑运行费，因此看似固定投资回收期变短，但是可能会导致热泵后汽水换热器常开，进而使得蒸汽耗量加大，使得运行费增加，因此此情况下必须结合运行调节来确定。

综合以上分析：供热系数α对应的热泵出水温度应该是一最佳出水温度。

3.3 在工程上的应用

3.3.1 例一

唐山某新建项目设计一次网供回水温度为105/55℃，二次网温度为75/50℃，唐山地区冬季采暖室外计算温度为-9℃，冬季采暖室外平均温度为-2.9℃，这样供热系数α=[18-(-2.9)]/[18-(-9)]=0.69，这时对应的热泵出水温度为81℃。

这样确定热泵的进出口温度为81/55℃，热泵负担热负荷比例为(81-55)/(105-55)=69%，热泵后汽水换热器负担比例为(105-81)/(105-55)=31%。

在实际运行中，若热网采用质调节，则当室外气温高于采暖室外平均温度时，热泵后汽水换热器关闭，热泵高效运行，当室外气温低于采暖室外平均温度时，热泵后汽水换热器启动。这样的设计及运行，一方面可以降低系统投资，另一方面可以使热泵高效运行，尽可能多回收余热。

3.3.2 例二

包头某铝厂供热改造项目，该项目上年运行数据已给出，如表2所示。表中冬季采暖室外平均温度的供水温度为88.1℃。

表2 包头某铝厂部分供热运行数据表

包头地区冬季采暖室外计算平均温度为-7℃，采暖室外计算温度为-19℃，这样供热系数为0.6756，这样热泵最佳出水温度为55+0.6756×(105-55)=88.78，比较所给出实际运行调节表知，88.78℃是非常合适的。

3.4 在工程上应用受到的限制

在实际工程中，各种情况都有，因此有些项目并不能完全依照上述方法来确定热泵出水温度，较常见的情况为：多数余热采自电厂冷却塔，而水冷型冷却塔冬季进出塔温度均较低，因此很多情况下会出现热泵的设计热水温度低于热泵最佳出水温度的情况。

例：大唐邯郸马头电厂，余热进出口温度为25/20℃，驱动用蒸汽压力为0.2MPa，一次网回水温度为55℃，这样热泵出水温度只能做到72℃，此时热泵负担热负荷仅占总的供热负荷的42.5%，而供热系数却为0.688，因此在这种情况下则只能按热泵实际能做到的出水温度来设计，此时，热泵投资降低了，但是运行费用却加大了，可能会导致热泵后汽水换热器在室外气温不太低的情况下也需开启，从而加大蒸汽的耗量。

还有一种情况也会遇到，即某地区供热系数较高，但热泵实际出水温度做不到其对应的出水温度。例河北蔚县某项目，一次网设计供回水温度105/55℃，供热系数高达0.813，对应的最佳出水温度应该为95.7℃，但是此项目即使余热很好（空冷岛），但是由于热泵工质和技术原因，此项目的热水出水温度是不可能做到此温度的，此时也只能按照实际的出水温度来确定。

4 结论

1）热泵在供热网中出水温度并非越高越好，在余热较好的情况下，建议依照供热系数来确定，当然若是改造项目，最好结合往年运行数据确定热泵最佳出水温度。

2）在余热不太好或余热很好，但供热系数较大的情况下，则必须依据余热及驱动热源来确定热泵的热水出口温度，这样就会使得热泵后汽水换热器在室外气温高于冬季室外平均温度时也需部分开启，从而导致系统耗用蒸汽量加大。

3）本文仅对于热网和用户采用间接连接形式做出了分析，对于直接连接形式，供热温度都较低，故一般都采用热泵全部负担热负荷的形式，因此热泵设计出水温度均采用实际能够达到的温度。除非余热温度非常低，造成热泵出水温度太低，例55℃，这时才考虑串接热水换热器，但通常此情况下建议对余热温度做出调整，以提高系统的经济性。

4）由于现有一次网较多采用质调节方式，若热网采用的是分阶段改变流量的质调节方式，由于此方式供水温度均较高，故本文观点不并适用。

[1]周小霞.溴化锂吸收式热泵在供暖应用中的参数调节分析[J].资源节约与环保,2012,(2):60-62

[2]王林.小型吸收式制冷机原理与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2011

[3]刘学来主编.城市供热工程[M].北京:中国电力出版社,2009

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.城镇供热管网设计规范(CJJ34-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010