高温热泵冷热联供系统的控制与应用

杨晓新， 吾海鹏， 张 磊

(1.西安航空学院 能源与建筑学院， 西安 710000； 2.江苏必领能源科技有限公司， 江苏 太仓 215400)

在许多工业生产中同时有制冷制热需求，如啤酒生产[1]、牲畜屠宰[2]等企业既需要制冷冷藏，又需要制备热水。常规冷凝热被排放，热负荷通过锅炉满足。针对这种能量浪费现象，孙浩森等[3]研究了冷凝热回收原理，理论分析了冷凝热回收的节能效果，舒建国等[4]、魏洪生等[5]提出采用冷凝热回收及高温热泵技术生产60～90 ℃热水，提高能源利用。

但是由于生产期用热和制冷冷藏错时进行，在能源需求和废热可用性方面，冷凝热与热水负荷不能达到逐时匹配[4]，热泵耗电量大，冷凝热回收不足40%[6]，制冷压缩机耗能无法有效降低，这些始终是节能的瓶颈问题。

因此合理设计系统组成，匹配系统容量，通过对管道流量及冷热联供负荷的自适应控制，智能化管理设备投运显得尤为重要。

1 冷热联供系统设计

将冷凝蒸发器与热回收换热器结合组成冷热联供系统，采用两组换向装置控制供能的最佳匹配。在热负荷大时，由冷凝器吸热补偿；在冷负荷大时，由冷凝器分流散热；在不同工作负荷时，由冷库压缩机和高温热泵联合满足制冷和供热需求。

以屠宰企业为例。加工生产线需要45、56、87 ℃热水；保鲜排酸、速冻冷藏等冷链环节需要4、-38 ℃的低温冷量。生产线的热水不能循环使用，补水加热的温差大于20 ℃，用热温度最高达90 ℃。屠宰企业一般为两班运转，每班工作8 h，工艺用热水时段分为生产准备期、生产期和清洁期。根据实际调研，冷库冷凝热排放与工艺热水逐时负荷如图1所示。其白天生产期用热需求高，热负荷有45 ℃冲洗热水、56 ℃漂烫机补水，此时冷负荷较低，仅低温通风和冷藏排酸；夜班时制冷机组全开进行速冻，持续6～8 h，此时冷负荷最大，热负荷为少量消毒用87 ℃热水。

根据企业用热特殊性，整合系统工艺，提高制冷、制热能效比。选择工质R134a高温热泵，其具有控制简单、工况调节范围宽、能效比高等优点[7]；选用不锈钢(2205镍合金)材质的壳管式换热器进行氨冷凝热回收，满足耐高压防腐蚀要求[8]。

由图1可见，冷库冷凝排热与热泵制热需求运行时间不同步，不能直接使用冷库冷却水作为热泵的一次热源[9]。常规是采用并联换热器[4-5,10]，提取部分冷凝热与锅炉共同生产热水，但随着燃煤锅炉的取缔，这种方法无法完全满足工艺水需求。本设计采用图2所示的热回收换热器3与蒸发式冷凝器9串联复合式系统，其特点是通过自适应控制器实时控制两组换向装置、流量阀等，实现制热、制冷灵活切换，同时满足冷凝热回收与热水制备中各种冷热生产匹配过程的节能控制，系统用高温热泵替代锅炉，满足制备87 ℃高温水需求。

如图2所示，该系统主要由冷库压缩机1、油分离器2、热回收换热器3、换向装置4和8、高压储液器5、电磁阀6、节流阀7、蒸发式冷凝器9、冷库10、气液分离器11、高温热泵机组12、热水循环泵13等设备组成。

图2中热回收装置3由壳管式换热器、导热介质、泵及管道组成。导热介质吸收氨蒸汽冷凝热，经泵推动，进入热泵机组一次端(蒸发器)。

图2 高温热泵冷热联供系统

系统通过换向装置4与换向装置8的开关控制，改变系统中制冷工质流通方向，从而最大限度回收冷凝热，降低压缩机工质温度，合理排放余热量，使热泵保持其较高的COP值，减少制冷压缩机耗电量，实现热回收与制热量匹配。

2 不同工况下的运行方式

2.1 冷热联供运行模式

运行过程中，为保持热泵和制冷压缩机的最佳工况，系统功率和运行模式需要根据冷热负荷进行调节[11-12]。高温热泵的热负荷Q热由式(1)计算；氨工质在制冷循环中排出的冷凝热Q冷由式(2)计算，即

Q热=cpGΔt

(1)

Q冷=(Qq+Nεη′m)ε

(2)

式中：cp为工质质量定压比热容， J/(kg· ℃)；Q热为热负荷量，由热泵出水质量流量G和二次端温差Δt计算；Q冷为冷凝负荷，是压缩机制冷量Qq与压缩机有效功率Nεη′m之和；ε为修正系数。

通过对冷、热负荷比较，判断制冷与制热匹配程度，将系统的工作状态分为以制热为主、以制冷为主、制冷制热同时进行的3种状态。通过两组换向装置切换和蒸发式冷凝器的流量、风量变化控制，实现热泵和制冷压缩机独立运行。

当Q热=Q冷时，制冷与制热同时进行。如图2所示的系统，换向装置4的B阀与换向装置8的D阀开，其余阀关闭。经压缩机压缩的高温高压气态制冷剂流入换热器3，热泵工质吸热，制冷剂冷却，放热后制冷剂通过换向装置4流入节流装置7，绝热膨胀后处于低压低温状态的气液混合态制冷剂通过换向装置8流入冷库10。此时冷库压缩机和热泵机组负荷匹配，达到同时制冷与制热。

当Q热>Q冷时，系统以制热运行模式为主。图2系统中换向装置4、8的B、C阀开，制冷剂经热回收换热器3后达到过冷态，经换向装置4流入节流装置7，绝热膨胀后处于低压低温气液混合态，再经换向装置8流入冷凝器9，从室外空气吸热补偿后，低温低压制冷剂经换向装置4、8的C阀流入冷库10，如此满足较小冷负荷状态下制取热水。蒸发冷凝器9向室外空气排放冷量。

当Q热

2.2 系统控制装置

自适应控制具有在过程环境变化范围较大的情况下，在线优化控制参数[13]，使整个系统在满足负荷要求下获得最小耗电量，可同时满足热泵和制冷压缩机都工作在高COP范围内。图2系统中按热负荷变化控制换向装置上阀门改变工质流向，冷凝器9的流量阀、风扇转速由自适应控制器设定，使控制偏差达到最小，即获得最匹配的制热制冷量。

冷热联供控制系统如图3所示。通过对Q热、Q冷进行比较，可判断出制冷与制热匹配程度，按上述3种工况确定工质流向，再以热回收换热器3的换热量Qk与Q热的差值作为指标函数J的参考量。控制系统启动后，对蒸发器的流量、温度建模，采用支持多变量多工况模型无忧切换的广义预测控制算法(GPC)，结合高温热泵和冷凝器协调联动控制策略，实现同时制冷制热的冷热联供。

图3 冷热联供控制系统

设控制系统指标函数J的计算公式[14]为

(3)

令

(4)

可得自适应控制器预测方程为

(5)

为使当前时刻的输出y(k)尽可能平稳到达设定值yr，广义预测器使被控对象的输出yr(k+j-1)尽可能靠近yd(k+j-1)[15-16]。

2.3 系统控制策略

结合上述控制算法，对冷凝器工质流量、温度、系统冷热负荷的对象模型，实现基于多变量的预测控制优化策略。冷凝器运行中冷热不平衡时的过冷量或剩余热量，通过改变冷却水的流量、风扇转速，实现冷热联供时热泵和冷库压缩机最佳COP工况。

1)Q热=Q冷时，为平衡状态，此时仅控制换向器开关量，冷凝器的流量和风扇转速设置趋近于0。

2)Q热>Q冷时，控制器偏差e变大，冷凝器9的流量设定值增加，风扇转速设定值加大，直至满足系统制冷制热平衡运行。

3)Q热

4)换热装置3中，在保障高温热泵一次端稳定运行和机组最佳能效比的前提下，通过对热泵机组进出口工质温差Δt1、流量m1、冷库进出口工质温差Δt2、流量m2等信号采集，计算制冷工质的过冷量或过热量，以此为前馈信号，设置冷凝装置9的工作状态。装置9的优化控制策略如图4所示。

图4 冷凝装置优化控制策略

系统热负荷由高温热泵二次端热水换热器的出口控制阀13按用热量需求控制，冷负荷由制冷工质进入冷库的电磁阀6控制流量，最终实现冷热联供系统运行状态的平衡。

3 以屠宰场为例的应用分析

江苏必领能源科技有限公司将以上设计应用于江苏益客食品集团某屠宰厂。该工厂日均家禽屠宰量10万只，供水温度为60 ℃，供热水量为200 t/d，有冷藏库、冷冻库和保鲜库，制冷量为1 023.5 kW；采用6台活塞式压缩机(含备用)，制冷剂为氨R717，压缩机冷凝压力为8～12 bar。压缩机排气温度≤150 ℃，高压系统由两级压缩机串联：一级吸气温度+5～-25 ℃；二级吸气温度为-25～-45 ℃，供速冻车间鼓风通道和成品冷库排管。

3.1 热泵供热水系统组成

为最大限度回收冷凝热[18]，采用图5所示热泵供水系统。白天热泵蒸发器从热回收换热器3吸收热量(过热氨蒸汽冷却)，一次端工质由30 ℃升温至35 ℃，热泵3出水45 ℃；热泵2采用EPRC0600螺杆式机组(30～100无级调速，制冷剂R134a)，将工艺热水升温至56 ℃；晚上利用谷电时间启动超高温热泵机组1(制冷剂R245fa)，水源侧进出水温度30～35 ℃，二次端出水90 ℃，储存在保温水箱中，以满足杀菌和白天工艺需求。

图5 热泵供水系统示意图

由于热泵1采用了谷电期间蓄热运行，大幅降低白天热泵负荷，根据冬季运行参数绘制工作曲线，图6可见热泵制热量在9：00前后略大于冷凝放热，冷凝器9需补充排冷，其他时间均为冷却散热状态。同时由图7可见，热泵冬季白天COP略高于晚上，全天能保持在4.23的高性能区工作；制冷压缩机保持平稳运行在能效比2.5左右，其晚上效率更高些。 从系统运行的负荷参数和机组的能效比数据反映，该自适应控制系统能按预期管理阀门运行，保持系统在稳定状态连续运行，达到冷热联供的要求。

图6 系统实际运行冷热负荷

图7 热泵与制冷压缩机实际运行能效

3.2 冷热联供系统节能分析

由表1制冷压缩机运行参数可知，当6台活塞式压缩机全部满载运行时，制冷负荷为1 900 kW，最大可回收冷凝热795.9 kW,在日常运行中只开JZY8AS17、JZY812.5和JZY612.5各一台，回收余热397.95 kW。

表1 制冷压缩机运行参数

表2为江苏必领EPR系列高温热泵运行参数，额定出水温度60 ℃，冬季设备平均冷凝温度25 ℃，夏季平均冷凝热温度35 ℃，热泵机组冬季COP为4.23，夏季COP为5.6。企业采用峰谷电价，谷电价0.322元/(kW·h),平电价0.667元/(kW·h)，生产期避开峰值电价，冬季平均每吨水耗电为12.8 kW·h，折6.32元/m3，夏季热水折4.36元/m3，供水量满足企业用热需求。

综合耗能比对可见表3，该热回收控制系统运行达到较好节能效果：

1)冷热联供双效系统综合能效保持在较高水平。从现场设备运行数据表2可见，夏季高温热泵机组的运行综合能效，高于冬季机组运行效果，其总制热量高于冬季33.94%，蒸发冷节能效率高出冬季工况43.3%；但制冷压缩机的耗能量和运行效果正相反。在额定工况下，冷、热机组均能保持较高COP值，冬夏总能耗基本相同。

表2 EPRC0600型热泵机组运行参数

2)生产成本大幅降低。按照燃料价格和综合能效计算，由表3可见，热泵制热费用，略高于燃煤锅炉，但比燃油、燃气锅炉成本降低60%，是最佳的燃煤锅炉替代设备。

表3 不同制热方案耗能

4 高温热泵冷热联供的节能控制系统应用前景

通过实践证明，本设计高温热泵与制冷机组串联式冷热联供系统，在自适应控制下能满足冷热负荷需求，使热泵工作在高效段，压缩机达到节能稳定运行，其解决了企业热水需求及低温制冷节能问题。通过合理控制阀门和水泵运行制取热水，回收低温制冷的冷凝热，达到提高经济效益目的。

2011—2020年的统计数据显示，国内粮食烘干、屠宰企业数量以每年0.8%～1.2%的速度增长，企业利润受能源价格上升影响，利润率以0.2%～0.4%逐年递减[19]。随着“碳达峰”临近，国家提出“碳中和”，燃料价格持续上升，企业运行成本还将增加。合理配置冷热联供系统制备热水，将大幅降低生产成本，屠宰企业利润可由5.4%提升到5.8%。因此冷热联供系统的节能设计适应中国现阶段企业制热制冷需求，响应节能降耗发展的主题，节能效果明显，可复现性强，应用前景广泛。