热泵技术与变频调速技术应用效益分析

李德智，糜欣平，李涛永，王红梅，王 鹤，闫华光

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.南京供电公司，南京 210000）

热泵技术与变频调速技术应用效益分析

李德智1，糜欣平2，李涛永1，王红梅1，王 鹤1，闫华光1

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.南京供电公司，南京 210000）

我国在电力供需紧张时期引入了电力需求侧管理的概念，使大多数人误以为电力需求侧管理只是解决“电荒”的临时措施，很大程度上制约了电力需求侧管理在我国的发展。通过对余热源热泵和变频调速项目的实际运行情况进行计算和分析，从提高能效和增加供电量2个方面说明项目实施为企业带来较好的经济效益，同时电力公司也可实现增供扩销，提高售电收入，而绿色能源使用的增加与常规能源消耗的减少也为社会带来了巨大的环境效益，从而证实电力需求侧管理是当前节能减排大环境下应长期坚持的一项重要措施。

电力需求侧管理；热泵；变频调速；能源效率

热泵与变频调速项目是电力需求侧管理项目的重要内容。热泵技术是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、地表水、河流、湖泊）或者利用人工再生水源（工业废水、地热尾水等）或者空气源的低位热能资源，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技术。热泵机组供热时省去了传统的锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排尘污染；供冷时省去了冷却塔噪音及霉菌污染以及向大气中排放热量而造成的“热岛效应”，是一种真正的节能环保绿色产品。

据统计，全世界的用电量中约有60%是通过电动机来消耗的。考虑启动、过载、系统安全等原因，高效的电动机经常在低效状态下运行，采用变频器对交流异步电动机进行调速控制，可使电动机重新回到高效的运行状态，这样可节省大量的电能。

余热源热泵和变频调速项目可带来多方面的效益。对于电力公司来讲，开拓了电力市场，可以增加售电量，提高经济效益；对于用户来讲，可减少经营成本，增加利润空间；对于全社会来讲，可以降低能源消耗，有利于提高能源使用效率，促进资源优化，保护环境。

本文以余热源热泵技术和变频调速技术为例，通过计算和分析项目的实际运行情况，定量地分析电力需求侧管理项目的实际经济和社会效益。

1 余热源热泵技术应用

我国能源紧缺，一次能源及各种余热资源利用水平较低，特别是对于温度在30～60℃的余热资源的能量利用水平和利用效率更低。

本节通过对余热资源现状及热泵实际运行情况进行计算分析，直观地反映了所带来的实际效益。

1.1 余热利用潜力分析

在分析热泵项目的效益之前，首先需要认清当前余热利用的潜力，分析热泵市场的广阔前景。

目前，我国的余热资源主要有以下2种。

（1）生活热水

大多数城市的生活用热水，如刷碗、洗澡用热水，是由电加热器进行加热后，在使用一次后就直接浪费掉，仍含有大量热值。

图1是淋浴水温降值测试结果，将热水出水温度尽可能稳定在42℃左右，温度波动不超过±1℃。从测试结果可以看出，热水洗浴后，废水温度仍然达36℃左右，热回收潜力相当大。

图1 淋浴水温降值测试（水流量6 L/min）

以6 L/min流量的热水器为例，42℃标准热水出水热功率在1.0～1.6 kW左右，而随废水外排热功率则达0.8～1.2 kW左右，热量损失高达80%。

即，每分钟的有效热量为

每分钟损失热量约为6.05×105J。

现有绝大部分热水器不具备外排废水热能回收功能，能源利用效率低下，而且热废水外排对环境造成了一定的热污染。

由于热水排水温度大于冷水温度，这样就为实现热水排水的能量回收提供了有利条件。生活热水具有用水点分散、用水量变化大、用水的随机性大、水质污染、重力排水、排水温度低、热水温度降低速度快、热水的一次性使用等特点，增加了热水排水能量回收利用的难度。

（2）工业余热

我国工业余热的资源很丰富，可利用的潜力很大，分布也很广，如：化工工业占8.8%，石化工业占30.9%，轻纺工业占4.0%。主要来源于各种工业炉窑、热能动力装置、热能利用设备、余热利用装置和各种有反应热产生的化工过程等。

我国钢铁行业1 000 m3以上高炉约110余座，有30座以上尚未配套炉顶压（TRT）发电设备；有大型转炉的企业19家，中型转炉的企业42家，只有7家使用转炉负能炼钢技术。我国焦化炉干熄焦比例较低，干熄焦产量仅占机焦总产量17.4%。低热值煤气燃气轮机可充分利用副产煤气，但一次性投资较大。我国现有日产2 000 t以上新型干法窑水泥生产线225条，只有少数配装了余热发电装置，合理充分利用工业余热可以降低单位产品能耗，取得可观的经济效益。

1.2 余热源热泵基本原理

高温水源热泵可将各类30～60℃的余热水直接利用，经热泵机组进行能量提升，将温度升到70～90℃，适用于各种供暖方式，被利用后的余热水排水温度最低可低于10℃，符合环保的要求。制热工况COP可达到3.5以上。余热回收水—水型热泵原理见图2所示。

图2 余热回收水—水型热泵原理图

图2中采用二级压缩，供给蒸发器水温为32℃，经一级压缩后变为54℃的水。为了提高循环效率，将水箱中部分水引至第二级压缩机中，经二次压缩后得到93℃的水。此水在冷凝器中冷凝时放出热量，将低温水加热至82℃供热用户使用，该热泵可用于许多工业部门。

1.3 增供电量及技术特点分析

将常用燃煤炉、燃焦炉、燃气炉、燃油炉、电锅炉与余热回收热水机组的费用进行比较，以日产热水量为20 t计，运行经济分析与对比如表1所示。

表1 各类加热方式费用对比表

对于用户来讲，选择不同的供热方式，运行费用每年最多可节约16.7万元；对于电力公司来讲，通过推广余热回收热水机组的使用，每年可增售电量67 963 kWh。

相对于其他常规能源，热泵技术还具有以下优势：

（1）高效节能。由于吸收水体中的热能，大大减少了电能消耗，热泵的能效比无论在制冷或制热工况下都高于传统制热、制冷方式，投入1 kW的电能，可获得4 kW左右的热能或冷量。

（2）环保安全。以水为介质，系统运行无燃烧过程，无污染排放，水源水循环封闭无利用，不会造成水源污染。

（3）一机多用。一套设备既可供热、供冷，还可以提供生活热水。作为制冷机使用时还可以回收余热。

（4）运行费用低。节能特点决定其运行费用低于燃煤锅炉，仅占传统中央空调的30%～50%。

（5）节约投资。因其多功能的特性，其总投资额仅为传统空调系统的60%，且系统运行寿命长，易安装，工期短，更改方便。

（6）占地面积小。机组体积小，且省去冷却塔和锅炉房，甚至可不设机房。

（7）应用范围广。可广泛应用于工农业生产、商业楼宇、医院、学校以及体育场馆、别墅区、住宅小区、公共场所等民用建筑。

2 电能源替代

电能源替代市场是通过改造和更新企业的技术和工艺，用电能替代其他能源而形成的用电市场，电力的清洁环保和可再生性决定了其将替代其他能源，使电力的潜在需求增加，有着非常广阔的前景。

福建省是我国开展电能源替代典型省份，据了解，2008年福建省电力公司大力开拓自供区、自备电厂、能源替代、家庭用电和跨省区交易等五大市场，新增小水电上网装机容量154 MW；促使造纸、水泥等行业自备电厂减发电量397 GWh；推广应用电窑炉、电锅炉、热泵等电力设备，新增替代容量51.8 MW；外送电量2.91 TWh。

2009年，福建省电力公司继续推进增供扩销工作，深入挖掘自备电厂、能源替代等五大市场潜力，可拉动售电量增长2.05 TWh。推动出台自备电厂减发电政策，实现减停发电量700 GWh。重点推广应用热泵技术和蓄冷、蓄热设备，实现新增替代容量63.3 MW。

与其他化石能源相比，在生产工艺中利用电能供热可以提供均匀的温度保证，方便电脑实时控制温度，有利于保证产品质量。

3 电动机调速技术

风机和水泵占电力传动系统应用的60%。常规恒频电源下大部分风机与水泵系统实际运行效率仅为30%～50%，其电能损耗占总发电量的38%以上。应用电动机调速技术可以有效降低电动机空载能耗，达到节能降耗的目的。

由流体传输设备的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的3次方成正比（即与电源频率的3次方成正比）。其频率变化与节能量变化的关系如图3所示。

由图3可知，用变频器进行流量（风量）控制时，可节约大量电能。中央空调系统在设计时一般按现场最大冷量需求考虑，其冷却泵、冷冻泵按单台设备的最大工况考虑，在实际使用中冷却泵、冷冻泵有90%的时间都工作在非满载状态下。而用阀门、自动阀调节不仅增大了系统节流损失，而且由于对空调的调节是阶段性的，造成整个空调系统工作在波动状态。而通过在冷却泵、冷冻泵上加装变频器，不仅能够解决该问题，还可实现自动控制，且通过变频改造带来的节能可收回投资。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长机组及网管的使用寿命。

因此，随冷负荷变化改变循环水流量的变流量空调水系统显示了巨大的优越性，得到越来越广泛的应用。采用变频器调节水泵的转速，可以方便地调节水的流量，根据负荷变化的反馈信号经PID（比例、积分、微分控制）调节与变频器组成闭环控制系统，使泵的转速随负荷变化，这样就可以达到节能的目的，其节能率通常在20%以上。但是改造后的节电率与用户的使用情况密切相关，一般情况下，春、秋2季运行节电率较高，可达40%以上，夏季由于用户本身需要的电能就大，可节省的空间有限，一般在20%左右。

以中央集中空调系统为例，其水泵系统的变频改造原理如图4所示。

图4 变频原理示意图

某大厦集中空调系统的冷却泵循环系统参数如表2所示。

表2 水泵运行参数

（1）节能量计算

根据GB/T 12497—2006《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，可得1号冷却水泵进行变频改造后的消耗功率P1为19.45 kW。

通过现场测试数据分析，该大厦集中空调系统的冷却泵运行的平均功率为65.63 kW，则改造后节约的功率为（65.63-19.45）kW=46.18 kW。

（2）节省电费计算

该大厦执行北京地区商业分时电价，执行电价情况见表3。

表3 电价执行情况

由表2可近似计算出平均电价0.873元/kW，则冷却泵改造后每月可节约的电费为

由于变频改造对空间要求不高，技术简单易行，可以很快收回投资并长期受益。本例以工程改造费用为8万元为前提，在2.76个月内即可收回投资。

4 结论

通过计算分析可以看出，电力需求侧管理项目能够为企业、电力公司、社会带来较好的效益，实现三赢的局面。新的节能减排目标要求全社会参加到节能减排的巨大工程之中，而电力需求侧管理项目为该目标的实现提供了技术手段。因此，需要提高全社会对电力需求侧管理在提高电能效率方面的认识，推广电力需求侧管理技术的应用，降低全社会能源消耗，建设节约型社会。

但是电力需求侧管理新技术应用也需要因地制宜，建立健全相关管理与监督机制，避免出现负面作用，保证工作顺利开展。如：热泵技术的应用，尤其是地下水源热泵，必须制定相应的保护措施，加强监督管理，要有计划地推行，不能走先破坏后治理的道路；变频改造，也要考虑谐波对电网及其他设备运行产生的影响。

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The benefit analysis of heat pump and frequency conversion technology

LI De⁃zhi1，MI Xin⁃ping2，LI Tao⁃yong1，WANG Hong⁃mei1，WANG He1，YAN Hua⁃guang1
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.Nanjing Electric Power Supply Company，Nanjing 210000，China）

DSM was introduced in China during power short⁃age.Most of people mistakes that DSM is only a temperary measure to solve power shortage which restricts the development of DSM.In this paper，the projcets of heat pump and frequency conversion are analyzed on the efficiency and benefit.They can improve the energy efficiency and enhance the power supply，which can not only bring in favorable economic benefit，but also can increase the revenue of power company.The application of new green energy and reduction of conventional energy consumption can bring in considerable envi⁃ronment benefit.As one of the important measures in energy⁃saving and emissions reduction，DSM should be applied chronically.

DSM；heat pump；frequency conversion；ener⁃gy efficiency

F407.61；TK018

C

1009-1831（2010）06-0038-04

2010-05-11；修回日期：2010-06-12

李德智（1982—），男，河北唐山人，硕士，从事能效测评与节能技术、电力需求侧管理研究工作。