离心式热泵在三联供系统中的应用

柴小峰（华东建筑设计研究总院，上海200002）



离心式热泵在三联供系统中的应用

柴小峰
（华东建筑设计研究总院，上海200002）

摘要：该文总结了离心式热泵的一些基本技术特点和适用范围。在三联供系统中应用离心式热泵机组，应考虑项目的热源情况、系统需求、运行模式（冷热兼用还是仅供热）等，进行技术经济分析后作出最优化的选择。结合上海某商务区能源中心的设计案例分析后发现，与采用市电和燃气锅炉的常规能源系统相比，全年用电量可减少19.7%，用气量减少41.1%，碳排放量减少达26.5%。

关键词：离心式热泵；三联供；节能环保

0　引言

三联供系统作为建筑领域新兴的绿色能源应用技术正日益得到重视和推广。但是对于区域供能型三联供系统来说，电能的自发自用对于夏季时段尚可实现，如系统发出的电力可用于驱动电制冷机组供冷。在目前电力上网受到制约，若冬季发出的电力无处可用，必然会大幅缩减系统运行的时间。另外大多数工程仅利用高温余热进行供冷供热，并未对低温余热进行充分回收利用，这也将影响能源综合利用率的提高，同时减弱了三联供系统节能减排环保作用的效果。

三联供系统中应用离心式热泵机组，既可以充分利用三联供系统冬季发出的电力，又可以对系统排出的低温余热加以提升利用。保障三联供系统能够连续运行的最佳经济性时长的同时，也提高了能源的综合利用效率，特别适合应用于大型三联供区域供能系统中，必将在今后的工程项目中得到广泛应用。

1　离心式热泵分类

按热泵供水温度范围来分，通常可分为低温热泵（≤46℃）、中温热泵（46～55℃）和高温热泵（55～85℃）；按照用途分为仅供热热泵、冷热兼用热泵和热回收热泵等类型。除了按照热泵通用的方法进行分类外，离心式热泵还可以按照压缩机的压缩级数分为单级、双级和多级。

（1）单级压缩式热泵。单级压缩能提供的温度提升（冷凝器热水出水温度和蒸发器热源水出水温度的差值）通常不大于39℃[1]。

（2）双级压缩式热泵。双级压缩可以在压缩机内通过两级叶轮实现，也可以利用两个单级叶轮压缩机串联实现。与单级压缩相比，双级压缩机转速降低，功耗减小，且大大拓展了压缩比和适应的工况范围。

（3）三级及多级压缩离心式热泵。与双级压缩类似，需要增加压缩的次数。多级压缩机组较多应用于生产工艺中，由于其制造成本高，目前在暖通空调领域应用较少，主要局限在三级压缩。

通过对国内几家主要空调热泵厂商的现有成熟产品调研发现：单级离心式热泵较适合应用在热泵温度提升为30℃左右的工况，可提供的最高热水温度为45℃左右；双级压缩热泵可提供的热水出水温度范围在45～60℃，仅用于热泵工况时，最大温度提升可达50℃，热水最高出水温度为65℃左右；三级压缩可提供的热水出水温度范围在55～85℃。

在实际的工程应用中，也有采用两台或多台单级离心式热泵机组进行水系统交叉串联，即将低压机组冷凝器侧出水与高压机组蒸发器侧进水相连，高压机组蒸发器侧出水与低压机组冷凝器侧进水相连，实现双级（或多级）压缩机组，可达到较高出水温度，如图1所示。当然，低压侧的机组也可采用风冷热泵机组。

出水温度、压缩级数分类及一般使用功能的对应关系可简单归纳见表1[2]。

表1　离心热泵压缩级数与出水温度的对应关系

2　离心热泵应用要点

空气源热泵是以环境大气为冷热源，运行工况的变化范围大，要求机组应对恶劣工况的能力要强。而离心式热泵机组一般能提供的制冷（热）量比较大，但允许的运行工况范围相对要窄，因此一般无法采用空气源方式，考虑采用运行工况相对稳定的水源形式，即水-水热泵方式。相对于空气源的方便易得，热源水一般需花费成本进行构建。随着三联供系统应用的逐渐增多，其低温余热可作为离心式热泵适宜的热源，为离心式热泵提供了良好的应用条件。

离心式热泵机组自身及在系统中的综合能效是工程应用中重点关注的对象。《蒸气压缩式循环水源高温热泵机组》GB/T 25861-2010将热泵机组按热水出水温度分为H1～H4四类：在规定试验工况下，机组实测制热COP分别不应小于3.8，3.8，3.4，3[3]。从某种程度上来说，机组出水温度的选择是至关重要的因素，它直接影响着系统流程、设备选择和系统的综合性能。

影响系统综合能效的另外一个重要参数是系统温差，温差越大则输送能耗越低。系统温差除了受出水温度的制约之外，还受到机组冷凝器换热性能和工作模式的影响。目前市场上空调用离心式热泵机组的冷凝器一般采用单壳程多管程的壳管式换热器：单管程冷凝换热器可提供3～5℃左右温差；双管程可提供5～10℃；三管程提供10～15℃，最大不会超过20℃。理论上管程数量越多，换热越充分，温差会越大，但是通过壳管的水压降也会随之增加。实际工程应用中，四管路以上的冷凝换热器很少采用。工作模式方面，如果热泵机组仅用于供热工况，温差采用可以尽可能大些，如果是冷热兼用，为简化系统，就需兼顾冷凝器供冷工况的流量情况而不能把温差做得很大。

总之，热泵机组的出水温度、进出水温差和能耗系数等技术参数对供热系统流程、设备配置和综合性能等方面有着至关重要的影响，应根据具体项目情况进行技术经济分析后进行最优化选择。

3　三联供系统余热形式和用途

三联供系统中能源利用的一个重要原则就是按照能源品质的高低而进行梯级利用，尽可能提高能源的利用效率。此外，三联供系统还应尽量做到系统内能量的自产自用平衡。一般来说，能源梯级利用方式如图2所示[4]。

三联供系统采用的原动机不同，余热形式也不尽相同。燃气内燃机的余热形式主要为400～550℃的高温烟气、90～110℃的缸套冷却水、50～80℃的中冷器冷却水和润滑油冷却水；燃气轮机的余热形式主要为450～600℃的高温烟气；微燃机的余热形式主要为200～300℃的高温烟气。根据能源的梯级利用原则：一般来说，温度高于150℃的余热，可驱动双效吸收式空调机组制冷，或者通过余热锅炉产生蒸汽；温度介于80～150℃间的余热，可驱动单效吸收式空调机组制冷；温度介于60～80℃间的余热，可直接用于供热（采暖和生活热水）；温度低于60℃的余热，可与热泵技术相结合，利用热泵技术回收提升后用于供热。需注意的是，高温余热利用后的尾热和中冷水都是很好的低温余热资源，可以被再次利用。吸收式热泵虽然也可以达到回收低温余热的目的，但其属于热驱动机组，不能利用三联供系统中发电机生产的电能。如果三联供系统发出的电力没有使用对象，势必会缩减三联供系统运行的时长，进而影响其经济性。故而在冬季时，可考虑采用电驱动的热泵机组来回收余热制取热水，是解决该问题的良好途径。

冬季使用热泵供热时，低温热源的选择很重要，一般常有的低温热源有可再生能源（地下水，土壤，空气等）和余热等。从能源利用的先后顺序上来说，往往优先考虑余热的利用，其次再考虑可再生能源（地下水，土壤，空气等）的利用。三联供系统有大量的低温余热资源可以利用，并可以为热泵机组提供电能，因此可以考虑把三联供系统和离心式热泵机组结合起来用于冬季供热。主要应用形式有：

（1）离心式热泵回收低温烟气余热；

（2）离心式热泵回收低温中冷水余热；

（3）离心式热泵回收冷却塔冷凝热；

（4）离心式热泵结合空气源热泵。

4　工程应用案例

上海某商务区3号能源站采用4台单机发电容量4.5MW的燃气内燃机组作为区域能源站的主要供能系统，发电系统采用并网不上网方式，主要设备及参数见表2。能源站的峰值小时冷/热负荷为108457kW/30462kW，典型日冷/热负荷为1086042kWh/338960kWh，全年累计冷/热负荷为11987 万kWh/4293万kWh。

该项目供热系统包括：

1）烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组供热系统。

2）低温烟气换热器+离心式水/水热泵机组串级供热系统。

3）风冷热泵+离心式水/水热泵机组串级供热系统。

4）备用燃气热水锅炉+板式换热器供热系统。

表2　主要设备及参数

该项目制冷系统包括：

1）烟气热水型溴化锂吸收式冷热水机组供冷系统。

2）离心式冷水机组供冷系统。

3）风冷热泵供冷系统。

4）冰蓄冷+水蓄能复合蓄能系统。

该项目采用烟气换热器+离心式热泵两级串联、风冷热泵+离心式热泵两级热泵串联的方式来实现供热，主要是考虑到过低的热水供水温度会给供热系统设计和设备选型带来一定困难。

低温烟气换热器+离心式水/水热泵机组两级串联供热系统

首先由低温烟气换热器制取40℃的热水，然后再由离心式水/水热泵机组以该热水为低温热源制取62℃的供暖热水，各节点温度工况和流程如图3所示。

风冷热泵机组+离心式水/水热泵机组两级串联供热系统首先由风冷热泵机组制取35℃的热水，然后再由离心式水/水热泵机组以该热水为低温热源制取62℃的供暖热水，各节点温度工况和流程如图4所示。

与采用市电和燃气锅炉的常规能源系统相比，一年耗电量下降19.7%，达696万kWh，耗气量下降41.1%，达252万m3，合计碳排放量减少26.5%，达到11218t，取得了良好的节能减排效果，见表3。

表3　常规系统与三联供系统的年耗电、耗气以及碳排放量对比

5　结语

离心式热泵机组近年来在我国发展迅速，相关厂家已经有了多种类型的离心热泵产品，并且价格适中，已经具备大量推广使用的条件。与三联供系统结合，可以很好地解决系统低温余热利用和发电上网难的问题。既充分利用了系统冬季发出的电力，又可以对系统的低温烟气和中冷水等低温余热加以提升利用，实践证明可以取得很好地节能减排效果。

参考文献：

[1]诸琛.双级离心式高温水源热泵设计应用分析[A].中国制冷学会2009学术年会论文集[C]：691～697.

[2]于红霞，杜国良.离心式热泵机组的设计与应用[J].发电与空调，2012，（3）：59～64.

[3] GB/T 25861-2010，蒸气压缩式循环水源高温热泵机组[S].

[4]张春鑫.冷热电联产系统节能分析[D].北京：华北电力大学，2012.

修回日期：2016-01-26

Application of Centrifugal Heat Pump in CCHP

CHAI Xiao-feng
（East China Architecture Design Institution，Shanghai 200002，China）

Abstract：The article concludes several centrifugal heat pump’s basic technical points and its correspondent applicable condition. During the design period of centrifugal heat pump in CCHP project，the best plan should be made case by case based on the evaluation of owner requirements，available heat sources，and operation modes（heating only or heating/cooling both）. Through the analysis of an actual engineering project in Shanghai，the total usage of electricity，gas and co2 emission within a year could reduce 19.7%，41.1% and 26.5% respectively.

Key words：centrifugal heat pump；CCHP；energy conservation and environment protection

收稿日期：2016-01-11

作者简介：柴小峰（1984-），男，湖北荆州人，硕士，工程师，主要从事建筑暖通空调系统的设计工作。

中图分类号：TU831.4

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0073-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.017