分布式水源热泵区域供热系统的能耗特性研究

杜芳会 尚有海

1 广东艾科技术股份有限公司

2 恒大地产集团建筑设计院

0 引言

《“十四五”公共机构节约能源资源规划》[1]提出了低碳转型的实施路径，将进一步加大太阳能、风能、地热能等可再生能源和热泵技术推广力度。然而技术节能不代表真正的运行节能，热泵系统的运行节能成为了现阶段较为突出的问题。作者已从热经济学理论角度对水源热泵的经济性做了全面的评价[2-3]，魏庆芃[4]等人开展大量的热泵系统运行实测研究。机组的组合方式、区域管网系统优化设计，以及运行管理水平[5]，是影响热泵系统的能耗水平的重要因素。

为了研究水源热泵项目实际的能耗水平以及影响系统能耗的因素，本文从近几年的实际运行工况出发，对多个热泵系统能耗水平的差异进行了定量的分析，对影响热泵系统能耗的主要因素进行了分析。

1 项目概况

本项目的源水侧采用开式的分布式动力输配系统，即城市污水处理后的中水通过集中的提升泵站加压，升压之后通过长输管线将中水输送至各个分布式热泵站，该项目冬季总中水流量约6000 t/h，中水在热泵机组的蒸发器放热之后最终排入退水渠。冬季中水温度约13～20 ℃，水量充足，水质稳定。目前总供热面积已达200 万m2，已投入使用10 个分布式热泵站。用热建筑的性质、热泵机组的类型、二次网水力情况等相关条件均有差别，所有热用户均位于寒冷地区，均属于65%节能型建筑。表1 为各末端热用户建筑的概况表。

表1 各末端热用户建筑概况表

分布式水源热泵区域供热系统原理图具体如图1所示：

图1 分布式水源热泵供热系统原理图

2 输配系统能耗分析

为降低换热损失，将中水直接输送至各个热泵站的蒸发器内。源水系统属于开式水系统，中水输送采用分布式动力系统，即在首站设中水提升泵，克服中水去程到最不利点的阻力损失，在各用户处的热泵站内设一次侧加压泵，克服中水站内及回程的阻力。首站中水提升泵和各个热泵站内的中水提升泵均采用变频控制，前者是为了适应每年系统总负荷的增加，后者是为了适应每个采暖期内末端负荷随天气的变化产生的中水量的小幅变化。

项目自运行五年以来，随着负荷的增加，管网阻力增加以及供热半径的变大，都使得输送能耗增加，目前本项目的一期工程已达产，输送能耗随负荷变化情况如表2 所示：

表2 首站输送能耗随负荷变化情况表

由表2 可知，该项目源水的输送能耗占系统总耗电量的比值小于8%，随着负荷的加大，输送的水量增大，输送能耗占系统总能耗的比例并没有按比例增加，在经济比摩阻范围内，阻力增加不明显。

3 热泵站运行分析

根据历年的气象资料，冬季最冷月为1 月份，2013-2014 年供暖季与2014-2015 供暖季的室外气温差别不大，最冷月的最低气温平均值为-3.55 ℃与-3.68 ℃，如图2 所示，该项目地2014 年1 月份与2015年1 月份最低气温以及趋势基本一致，可以挑选该段时间进行能耗对比分析：

图2 1 月份室外最高气温与最低气温（2014 年，2015年)

供暖期间，各个站运行情况良好，大部分热用户室温能达到设计要求。2014-2015 供暖季，用户A、E 小区的入住率约为50%，用户H 小区入住率约80%，用户D 是办公楼，入住率为100%，用户J 入住率约30%。

3.1 机组配置方案及运行策略

各个分布式热泵站的机组配置以常规的螺杆式水源热泵机组为主，主要是考虑供热项目的负荷变化特性，即新项目运行初期到负荷稳定到70%以上约需要经过3 个采暖季，而且每个采暖季根据室外气候的变化也分为三个阶段，初寒阶段、寒冷阶段、末期阶段。整个采暖季的运行策略按照室外天气情况划分为3 个阶段，初期阶段与寒冷阶段采用连续运行的质调节，热水供水温度在37～42 ℃，回水温度在30～34 ℃时，户内温度较舒适。末期阶段采用间歇运行控制目标为出水水温，依据室外气温的变化调整出水水温[7]。

一个区基本配置两台同型号的热泵机组，个别区热负荷大的配置三台。在供暖期之前的一个月进行了系统的调试运行，机组调试之前先进行二次网的冲洗和水力平衡调节，机组的运行方案以室外天气以及入住率相结合为依据来调整设备投入量。

3.2 能耗分析

由于各个站内都有两个或三个独立的系统，每个热泵站内都有多台热泵机组，本文选取1 月份期间10天的运行数据进行分析，以热泵站的供热工况为分析对象，对六个热泵站进行能耗对比，单位面积的耗电功率如表3 所示：

表3 2015 年1 月15 日-1 月24 日系统能耗

从表3 中可以看出单位耗电量最少的D 机房，主要原因是由于该机房所服务的建筑是办公楼，办公时间是早8 点至晚6 点，因此根据末端的负荷特点，任然采用连续运行的方式，下班以后的时间内，将机组出水温度调低，使室内温度维持在14～16 ℃，这样做的好处是末端不会集气，且管道不会有冻坏的风险。

对于J 小区，能耗很高的原因是热泵机组配置和末端负荷的不匹配。该小区包含一期地块和二期地块，两个地块的供暖均由J 热泵站提供，由于房屋投入使用的时间不一致，2014-2015 年实际参加供暖的只有约5 万m2，负荷率约为30%，而该机房选用的是变频离心式热泵机组，为了避免喘振的发生，机组运行时的最低负荷设定为60%，机组约1 小时自动卸载，压缩机频繁的启停，造成了高能耗，而且有损机组寿命。这也说明了采用热泵系统为住宅小区供暖时，在热泵机房面积一定的情况下，机组配置方面应尽可能的考虑到部分负荷的特点。

H 小区的能耗水平比A 和E 分别少8.2%和16.4%，H 小区和A 小区的平均供水温度和回水温度相同，户内温度均在18 ℃～20 ℃，A 小区的二次网系统水力不平衡率较高，而H 小区经过多次的水力平衡的调节后节能显著。

H 小区的二次网系统及中水系统都比较理想，本文选取本站最冷月中的1 月15 日的运行数据进行了分析，室外气温范围为-4.6 ℃至3 ℃。

表4 是1 月15 日H 小区热泵系统在供暖期间的运行参数，机组负载侧为定流量运行，在不考虑源水侧输送能耗的情况下，站内系统的运行参数如下所示：

表4 2015 年1 月15 日H 热泵站运行参数

1 月15 日H 机房总的耗电量是46980 kWh，该值包含了机房内的所有用电设备的耗电量，并且含变压器及所有电机的无功损耗。根据上表可以计算出H 热泵系统的能效比：

制热能效比EER 是用热泵系统一天24 小时的总制热量除以这一天该机房所耗的电量得到的，通过上述分析可知，在不考虑源水输配能耗的情况下，分布式热泵系统能效比较高。将水源热泵机房供热与小区内的锅炉房供热相比较，则中水源热泵的一次能源利用效率[7]为：

式中：E—一次能源利用率；Q—水源热泵站的总制热量；N—水源热泵站内的总耗电量；β—发电厂的输配电效率，这里参考文献[7]中的数据，取0.284。

将用户H 机房能效比EER 代入式（2）可以得到H 热泵系统的一次能源利用率为1.187，相比于锅炉房的一次能源利用率0.65，能源利用率提高了82.6%，定量的说明了分布式水源热泵区域供热系统比锅炉房供热系统节能明显。

3.3 二次网特性对系统能耗的影响

对于所有的供热系统来说，最终的目的是将热量送到各个采暖房间，二次网的水力平衡直接影响了该区域的供热效果，也影响了热力系统的能耗水平，热泵系统的实际功率与蒸发温度和冷凝温度都有关系，一般的热泵系统供热运行的控制目标是冷凝器出水温度，为了达到同样的供热效果，没有进行水力平衡调节的热系统需要更高的出水温度，来弥补水量不平衡带来的热量不平衡，而冷凝温度越高机组的能效则越低。

结合1 月份项目地区的气象资料，同时期的平均最高温和最低温度比较接近，如表5：

表5 该地区1 月份不同时期室外温度平均值

H 小区从2013 年11 月15 日开始供暖，由于二次系统设计不合理，系统水力失调严重，在供暖期结束后对二次网进行了改造，主要分支安装了静态平衡阀来改善各个分支的不平衡率。通过两个采暖季的同期实际耗电量对比，可以得到以下数据（图3）：

图3 H 小区热泵站1 月同期耗电量对比

从表5 可以得知，1 月的上旬、中旬室外气温最近接，2015 年的1 月下旬气温比2014 年同期低2～3 ℃，热负荷必然相差较大。系统能耗经过水力平衡调节后的系统能耗比未进行水力平衡调节的系统能耗低。节能量分别是21.27%和22.12%，节能量是非常大的，在热泵集中供热系统运行初期首要解决的就是二次网水力平衡问题。

3.4 机组运行调节方案对能耗的影响

热泵机组的能耗占整个系统能耗的80%以上，不仅与源水侧中水的温度及冷凝器出水温度有关，还与全天、整个采暖季的调节方案有关，因此对于多台机组并联运行的热泵系统，运行调节方案对节能与否影响巨大。热泵机组的最高效率的负荷值是额定值的70%～80%。

A 小区由于二次系统施工质量问题，二次管网漏水情况严重，且供暖期间无法调节，需要进行二次网的改造。为使用户室内供暖效果较好，不得不将机组出水温度调高，在1 月份以后供暖基本平稳，二次网不平衡增加约20%的能耗，从表6 中可以看出，A 站比H站增加的能耗约在10%，那么少增加的这部分主要是由于机组运行方式的不同以及机组本身的性能起主要的作用了。

表6 2015 年1 月份不同时期A 热泵站与H 热泵站耗电量比较

4 总结

本文对分布式水源热泵区域供热系统的能耗实测数据进行了分析，通过对两个采暖季的实际运行数据分析，从系统能耗分析方面得出了系统的能耗水平及主要影响因素。通过分析可以知道，水源热泵区域供热系统的一次能源利用率较高，相比于传统的锅炉房供热方式，整个系统的一次能源利用率提高了82.6%。加入源水输配能耗后，输送能耗占总系统的能耗低于10%。

通过对H 站在两个采暖季中的能耗分析可知，用户的二次网系统的水力不平衡，至少会增加水源热泵区域供热系统的能耗在20%以上，因此二次系统的平衡问题是首要解决的问题。另外一个影响系统能耗的因素是热泵机组的运行调节方案以及机组性能，好的运行方案至少会节省10%的能耗。该项目由于能源站内的设备电量分项计量装置不够完善，主要设备没有实现分项计量，在控制策略方面，末端的供热质量仍然没有很精细的监测，后续需要将末端供热质量与主机的运行调节形成联动，在系统各个环境均达到高效的前提下，实现运行的按需供热，从而进一步挖掘节能潜力。