冷热联供能源站机组串并联性能研究

洪杰南， 屈 兰

(1. 国家电力投资集团江西能源销售有限公司，南昌 330096；2.江西水利职业学院 公共教学部，南昌 330000)

当前，我国能源利用普遍存在着利用效率低、经济效益差、生态环境压力大等主要问题[1-2]。区域集中供能具有能源综合利用效率高、节能环保等优势，是典型的资源节约、环境友好型的能源生产方式和消费模式，受世界各国青睐[3]。在中国南方地区，具有冬季寒冷、夏季炎热的气候特点，用户不仅有集中供热的需求，同时也有集中供冷的需求，因此区域供冷供热项目一般需要建设区域能源站，实现冷热源的供应。

水源热泵技术是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)吸收的太阳能和地热能而形成低位热能资源，或利用具有热能资源的电厂循环水、废水、中水等，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术[4]。由于水源热泵的冷热源温度全年较为稳定，使得系统制冷、制热系数可达3.5～5.0[5-6]。

为进一步挖掘水源热泵技术的节能潜力，充分利用低温余热资源，笔者以某利用电厂循环水余热进行区域供冷供热的项目能源站为例，对能源站机组串并联方式的节能性能进行了研究与对比分析。

1 项目概况

1.1 项目技术方案

该项目依托供能区域附近电厂丰富的循环水余热作为区域能源站的冬季供热的低温热源，能源站制热制冷机组采用离心式水源热泵机组(简称水源热泵机组)和离心式冷水机组(简称单冷机组)。

冬季利用发电厂循环水凝汽器排水余热作为水源热泵机组制热的低温热源，冬季供热回水经循环水泵增压后进入水源热泵机组冷凝器侧实现升温，空调热水经供能管网输送至各用户。由于电厂循环水水温较稳定，因此能保证系统制热的高效率。能源站冬季制热方案流程见图1。

夏季在能源站屋面设置机力冷却塔作为机组冷却水源，空调冷冻水回水经循环水泵增压后进入机组蒸发器侧实现降温，空调冷水经供能管网输送至各用户满足空调制冷需求。能源站夏季制冷方案流程见图2。

该项目规划建设一系列区域供冷供热能源站，能源站夏季制备空调冷水，冬季制备空调热水，并同步敷设循环水管网和空调冷热水管网为建筑供能。能源站夏季供冷设计供、回水温度分别为4 ℃、13 ℃，冬季供热设计供、回水温度分别为48 ℃、38 ℃。冬季电厂循环水设计供、回水温度分别为25 ℃、10 ℃。

1.2 能源站负荷情况

能源站设计日逐时冷热负荷见表1、表2。该能源站供能面积约为87.6万m2，主要用户负荷类型为商业和住宅，能源站设计冷负荷为39.74 MW，设计热负荷为23.04 MW。

表1 能源站设计日逐时冷负荷 MW

表2 能源站设计日逐时热负荷 MW

2 机组串并联运行方式

2.1 机组并联运行方式

在常规设计情况下，能源站机组一般并联使用，机组并联运行时，水源侧和用户侧的进出口水温与单台机组运行时差别不大，仅整个机组流量增加[7]。以制热为例，并联机组的运行流程见图3。

并联机组的每台机组都是独立运行的，当某台机组故障或总负荷降低至一定程度以下时，可以停运一台机组，对整个系统的影响较小，运行调整的灵活性较高，控制系统较为简单。

2.2 机组串联运行方式

对于采用串联形式的能源站机组，以冬季供热为例，低温热源水首先经过上游机组，在蒸发器释放完一次热量后，再进入下游机组的蒸发器放热，串联机组的运行流程见图4。

能源站机组按此运行方式，能够充分利用电厂循环水的余热，串联机组的总效率比单台机组运行时高，可有效降低能源站的运行费用[8-9]。但两台机组需要搭配使用，在运行灵活性上不如并联形式的机组。

3 机组串并联性能对比

为研究机组串并联形式对能源站机组运行性能的实际影响，根据能源站设计冷热负荷、夏季供冷设计供回水温度、冬季供热设计供回水温度以及冬季电厂循环水供回水温度等边界条件，对三个空调主机品牌厂家的产品进行了调研。各厂家按照各自能选出的最高能效比的产品，进行串联或并联组合后，以进一步提升系统能效比、降低运行费用为原则分别做了机组并联和机组串联方案的选型，并提供了对应选型机组的测试数据。具体机组配备情况见表3。

表3 各厂家机组配备情况汇总表

各厂家均配备了蓄能系统，通过蓄能系统削峰填谷的运行策略，削减了总装机容量，降低了设备投资。

3.1 单冷机组串并联性能比较

对三个厂家单冷机组串并联方案的能效比进行对比，结果见表4。最终，三个厂家对于单冷机组均采用了机组串联方案。

表4 各厂家单冷机组串并联方案性能对比

从表4可以看出：相比并联方式，所有厂家单冷机组采用串联方式后机组能效比和考虑水泵功耗的系统综合能效比都有不同程度的提高，但综合能效比提升没有机组能效比提升得明显，主要是因为机组串联后会导致阻力增加，影响了机组的综合能效比。

3.2 水源热泵机组串并联性能比较

该项目采用电厂循环水余热作为水源热泵机组的低温热源，冬季电厂循环水供、回水设计温度分别为25 ℃、10 ℃，温差达15 K，具有较强的供热潜力。水源热泵机组不同于传统单制冷机组，通过切换工况，冬天可制热，夏天可制冷，能够实现一机两用，有利于降低项目投资和减少能源站占地面积[10]。

水源热泵机组串联方案由于每个厂家产品的差异性，有的采用的是单侧串联形式，有的采用的是双侧串联形式；有的是机组内部系统串联后再用外部水系统串联，有的是仅采用了外部水系统串联，形式不一。

各厂家水源热泵机组制冷、制热工况串并联方案性能对比情况见表5、表6。

从表5和表6可以看出：所有厂家水源热泵机组无论是制冷工况还是制热工况，相比并联方式，采用串联方式后机组能效比和考虑水泵功耗系统综合能效比都有不同程度的提高，最高可提高约8%。厂家C采用的是双机头水源热泵机组，即机组在内部已采用了串联的方式。通过能效对比可发现，该厂家机组能效比和综合能效比较其他两家采用单机头机组的厂家要高出许多，说明对于水源热泵机组，机组内部系统串联方式优于机组外部串联方式。

表5 各厂家水源热泵机组制冷工况串并联方案性能对比

4 运行方式对机组能效比的影响

4.1 影响机组能效比的主要因素

热泵的基本原理是基于逆卡诺循环，在小部分驱动能量的作用下，将热量从低温热源传递到高温热源，技术原理见图5。

对于该项目而言，热泵输入功率Wnet主要是压缩机的耗电量。制热工况下，制热量是热泵蒸发器从低温热源的吸热量Q2；制冷工况下，制冷量是热泵冷凝器向高温热源放出的热量Q1。

机组的制热能效比KCOP,zr可以表示为：

(1)

机组的制冷能效比KCOP,zl可以表示为：

(2)

因此，影响机组能效比的主要因素是机组的制冷(热)量以及压缩机的耗电量。提升机组能效比的主要途径是尽量提高机组的制热(冷)量，并尽量减少压缩机的功耗。

4.2 机组串并联对能效比的影响

为便于机组串并联能效比的对比，假定热泵工质进行的是理想的逆卡诺循环，不考虑节流损失和再热损失等影响因素，则水源热泵机组的理论制热能效比可表示为：

(3)

理论制冷能效比可表示为：

(4)

式中：Tk为制冷剂冷凝温度，K；To为制冷剂蒸发温度，K。其中，Tk一般比冷凝器出水温度高5 K，To一般比蒸发器出水温度低3 K[11]。

能源站理论计算边界条件如下：

(1) 夏季工况：冷源侧进、出水温度分别为32 ℃、37 ℃，用户侧进、出水温度分别为13 ℃、4 ℃。

(2) 冬季工况：热源侧进、出水温度分别为25 ℃、10 ℃，用户侧进、出水温度分别为38 ℃、48 ℃。

4.2.1 机组并联理论能效比计算

机组并联工况下，夏季冷源侧进、出水温度分别为32 ℃、37 ℃，用户侧进、出水温度分别为13 ℃、4 ℃，则制冷剂蒸发温度To=274 K，制冷剂冷凝温度Tk=315 K。 机组并联方案夏季理论制冷能效比KCOP,zl=6.68。

冬季热源侧进、出水温度分别为25 ℃、10 ℃，用户侧进、出水温度分别为38 ℃、48 ℃，则制冷剂蒸发温度To=280 K，制冷剂冷凝温度Tk=326 K。机组并联方案冬季理论制热能效比KCOP,zr=7.09。

4.2.2 机组串联理论能效比计算

水源热泵机组夏季串联运行流程见图6。

上游机组冷源侧进、出水温度分别为32 ℃、37 ℃，用户侧进、出水温度分别为13 ℃、8.5 ℃，则制冷剂蒸发温度To=278.5 K，制冷剂冷凝温度Tk=315 K。上游机组理论制冷能效比KCOP,zl=7.63。

下游机组冷源侧进、出水温度分别为32 ℃、37 ℃，用户侧进、出水温度分别为8.5 ℃、4 ℃，则制冷剂蒸发温度To=274 K，制冷剂冷凝温度Tk=315 K。下游机组理论制冷能效比KCOP,zl=6.68。

机组串联方案夏季理论制冷能效比KCOP,zl=7.16。

水源热泵机组冬季串联运行流程见图7。

上游机组热源侧进、出水温度分别为25 ℃、17.5 ℃，用户侧进、出水温度分别为43 ℃、48 ℃，则制冷剂蒸发温度To=287.5 K，制冷剂冷凝温度Tk=326 K。上游机组理论制热能效比KCOP,zr=8.47。

下游机组热源侧进、出水温度分别为17.5 ℃、10 ℃，用户侧进、出水温度分别为38 ℃、43 ℃，则制冷剂蒸发温度To=280 K，制冷剂冷凝温度Tk=321 K。下游机组理论制热能效比KCOP,zr=7.83。

机组串联方案冬季理论制热能效比KCOP,zr=8.15。

4.2.3 机组串并联理论能效比比较分析

基于上述计算结果，机组串、并联工况理论能效比汇总见表7。

表7 机组串并联工况理论能效比对比表

由表7可知：当机组采用串联方案时，机组理论能效比夏季可提升0.48，提升率为7.19%；冬季可提升1.06，提升率为14.95%。能效比理论计算结果与厂家提供的测试数据总体趋势一致，说明机组采用串联形式确实能够有效提高机组的能效水平。分析原因可能是主机采用串联形式后，上游机组和下游机组进出水温差减小，压缩机的总体功耗相比于并联机组有所降低。

5 结语

笔者以某利用电厂循环水余热进行区域供冷供热的项目能源站为例，对能源站机组串并联方式的节能性能进行了研究与对比分析，通过对三个空调主机品牌厂家提供的能源站机组搭配方案的性能比较以及串并联运行方式机组能效比的理论分析，可以得出以下结论：

(1) 在不考虑节流损失、再热损失、电动机效率、机械传动效率等对机组能效比影响的条件下，机组串联后，机组能效比在夏季、冬季均有所提升，说明机组串联是有一定优势的。

(2) 对该项目而言，采用单机头机组时，夏季蒸发器侧建议串联；冬季蒸发器侧建议串联，冷凝器侧可根据实际情况确定。

(3) 双机头机组内部串联后机组能效比有提升，单机头机组外部串联后能效比也有提升，但双机头机组内部串联的能效比更高。同时，由于外部串联管路系统及控制系统更复杂，推荐优先采用机组内部串联机组，机组外部并联的方案。但由于双机头机组生产厂家并不多，且价格普遍比单机头机组高，因此区域供能能源站机组的选型应综合考虑机组能效比、价格以及采购难度等因素后确定。