利用高温热泵的区域供热热扩容技术实验与分析

王 莹，张于峰

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

高温热泵技术可回收温度为 30～60,℃的低品位余热，并将其高效提升为 70～90,℃的中高品位热量[1]．高温热泵作为一种高效节能、清洁环保并符合可持续发展战略的能源开发和节能技术，被广泛应用在地热尾水、石油开采和输送以及化工、食品、钢铁、制药等行业的工艺流程中[2]．从热泵系统原理及组成的角度来看，由于其蒸发温度及冷凝温度均较高，高温高压和容积制热量的矛盾凸显．因此，高温热泵的关键在于工质的筛选[3-6]．

R22热泵机组所提供的风温或水温一般难以超过45,℃，无法满足散热器采暖的温度要求；R134a热泵机组和串联型热泵机组所提供的温度可达到 60,℃左右，但机组的造价高，运行效率较低[1]．而笔者应用北洋 3号高温制冷剂，使热泵在低温热源温度10～40,℃时，冷凝器可提供 35～80,℃的热水，完全能满足供热和供热水的温度要求．而且技术本身对热泵机组的部件无需改造，只对运行技术参数进行调整，因此其造价成本远低于现有的 R134a热泵机组，而其制热性能则远远高于现有的 R22热泵机组．推广使用这种性能优良的高温热泵，有利于回收低位热能并应用于区域供热和供热水，提高能源的综合利用率，达到节能的目的．

1 高温热泵实验装置

图1为高温热泵实验装置示意，制冷循环系统主要设备详见表 1．整个实验台由 4个系统组成，即工质循环系统、水循环系统、自动控制系统以及测量装置系统．工质循环系统由壳管式蒸发器、壳管式冷凝器、半封闭整体式螺杆压缩机、电子膨胀阀等组成；水循环系统由水泵、膨胀水箱、混水箱、电动阀、截止阀等组成．温度测试分别布置在各个设备的制冷剂和水侧的进出口处；采用电磁流量计进行换热器水侧流量的测试．自动控制系统结合水系统可以使高温热泵机组在设定工况运行．

图1 高温热泵实验系统示意Fig.1 High-temperature heat pump experiment system

表1 制冷循环系统主要设备Tab.1 Parameters of refrigerate cycle system

北洋 3号是一个滑移温度为 6.6,℃的非共沸混合物，其热物理特性见表2，p-h图如图2所示．

制热性能系数(coefficient of performance，COP)表示热泵的单位功率制热量．在相同的工况下，其比值越大说明这个热泵系统的效率越高越节能．因此在做制冷系统 COP值比较之前，首先要确定各个热泵系统是否在相同的工况之下，然后再进行计算比较．图3为北洋3号、R22、R134a、R407c和R152a 5种不同制冷剂的 COP值比较．从图 3可以看出，制冷剂的 COP值随着冷凝温度的升高而下降．冷凝温度小于55,℃时，北洋3号的COP值最低；冷凝温度大于 65,℃时，COP值最高；随着冷凝温度的不断升高，北洋 3号的衰减率最低．因此，与其他制冷剂相比，北洋 3号的能源效率在较高冷凝温度的条件下，具有最佳的性能．

表2 北洋3号热物理特性Tab.2 Thermo-physical properties of BY-3

图2 北洋3号p-h图Fig.2 p-h diagram of BY-3 with several constant temperature lines

图3 不同制冷剂的COP比较Fig.3 COP of different refrigerates

2 实验数据分析

在通常的实验研究中，高温热泵蒸发器、冷凝器进出口水温和机组制热量等变量之间是相互制约的．这些变量之间有一定的关系，但由于情况错综复杂，或存在不可避免的误差等原因，无法用函数形式较为精确地表示出来[7]．应用多元回归分析的方法，可通过大量的实验数据，得到变量间的统计规律，为高温热泵的研发，特别是工质的筛选研究工作提供较为精确可靠的参考依据．

多元回归分析方法是数理统计方法的重要组成部分，是处理和分析变量之间相关关系的数学方法．高温热泵机组运行时能效比COP与机组蒸发器、冷凝器进出口温度和机组制热量等因素有关[8]. 应用多元回归分析方法，建立高温热泵实验COP数学模型，其基本思想是将冷凝器和蒸发器进出口水温、机组制热量视为自变量；将高温热泵的COP等视为因变量；通过多元回归分析的方法建立变量之间的数学表达式，该数学表达式称为样本回归方程，即关于冷凝器和蒸发器进出口水温、机组制热量和高温热泵COP值的函数表达式．数学模型求出后，经多元回归的方差分析，显著性检验，符合要求并与实际结果相符后，就可应用于实验预测、定量能耗分析计算中[9-10]．多元回归分析的主要步骤如图4所示．

图4 多元回归模拟分析步骤示意Fig.4 Multiple regression simulation analysis steps

高温热泵COP的多元回归分析，一方面可以提高实验的预测准确性，为工质的研究筛选工作提供主要的数据支持．已知高温热泵冷凝器和蒸发器的进出口水温、机组制热量，就可通过相应的数学模型求出 COP的预测值．另一方面，通过该COP预测值对高温热泵的耗能状况做出定量的数学计算，进而对高温热泵的燃料耗量等相关经济指标值进行分析计算．

根据原始实验数据做高温热泵实验系统的多变量散布图，见图 5．取因变量为高温热泵的 COP值，记作 COP；自变量分别为蒸发器的进口水温 t1、出口水温t2；冷凝器出口水温t3、进口水温t4；机组制热量Q．通过图 5可观察出各变量之间存在线性关系，因此设因变量 COP与自变量 t1、t2、t3、t4、Q 之间的线性关系为

式中ε、β0、 β1、 β2、 β3、 β4和β5为未知参数．

经过多元回归及显著性检验，得

图5 多变量散布图Fig.5 Multivariable scatter diagram

为进一步证明所求得多元回归方程的正确性，将实验数据和回归分析理论值做比较，如图 6、图 7和图8所示．从建立的影响因素模型结果可知：

(1)蒸发器、冷凝器进出口水温对高温热泵 COP的影响系数为负，说明提高蒸发器、冷凝器进出口水温，高温热泵的COP值会下降；

(2)冷凝器进出口水温对 COP影响系数的绝对值均高于蒸发器进出口水温对COP影响系数的绝对值，这说明冷凝器进出口水温是高温热泵 COP的显著因素，即与 t1、t2相比，t3、t4的大小对 COP的影响更加显著；

图 6 蒸发器、冷凝器进出口水温实验数据与回归分析理论值的比较Fig.6 Comparison of condenser/evaporator temperature on exit and entrance between experimental data and regression analysis

图7 机组制热量实验数据与回归分析理论值的比较Fig.7 Comparison of heating capacity between experimental data and regression analysis

图8 机组耗电量实验数据与回归分析理论值的比较Fig.8 Comparison of power consumption between experimental data and regression analysis

(3)COP对机组制热量的依存度为0.001,759,275，这反映了高温热泵的 COP和机组制热量的相辅相成关系，机组制热量增加时，COP值也会相应提高．

3 高温热扩容技术

高温热扩容技术是指将高温热泵技术与集中供热系统传统模式有效结合在一起，实现城镇供热系统的热扩容技术．城镇集中供热系统的热扩容技术主要是根据热网的工况和热用户的需要，利用高温水源热泵，采用合理的连接方式，对传统热力站系统进行改进，从而提高传统供热系统的供热能力．

传统的水-水热力站主要是热用户与热网通过水-水热交换器进行热交换，传统水-水热力站参数见表3，热力系统见图9．

表3 传统水-水热力站参数Tab.3 Parameters of traditional water-water heating power station

图9 传统水-水热力站系统Fig.9 System of traditional water-water heating power station

热扩容技术水-水热力站主要是热用户与热网一方面通过水-水热交换器进行热交换，另一方面利用高温水源热泵进行制热，从而实现城镇集中供热系统的热扩容技术，热扩容技术水-水热力站参数见表 4，热力系统见图10．

表4 热扩容技术水-水热力站参数Tab.4 Parameters of dilatancy water-water heat power station

高温水源热泵的热扩容技术分 3个子系统．分别为：①一级管网供水至二级换热器，通过换热器将一级管网热能转换至热用户；②二级管网回水通过三级换热器换热，将低温热能送至高温水源热泵；③通过高温水源热泵内循环，将低温热能转换为高温热能供热用户使用，降低二级管网回水温度，从而进一步降低一级管网回水温度，增加供热系统的供热能力．

图10 热扩容技术工艺系统流程Fig.10 System of dilatancy water-water heating power station

4 工程应用

利用北洋3号作为高温热泵制冷剂，一个规模为144,MW的区域供热系统，共有换热站24座，每座换热站负担负荷 6,MW，主要设备详见表 5．经过水力计算区域供热系统管网管径及热损失详见表 6．区域供热系统能耗清单见表7．

表5 6,MW标准换热站设备Tab.5 Parameters of 6,MW dilatancy water-water heating exchanger station

表6 管网热损失Tab.6 Heat loss of insulated pipelines

与传统形式集中供热系统比较，应用热扩容技术的集中供热系统将原有的供回水温差 50,℃(120,℃/70,℃)提高到 70,℃(120,℃/50,℃)．一方面这种技术的应用减小了供回水管网的管径，降低管网初投资．以本工程为例，两种不同供热系统管网比较，详见表 8．经计算，传统技术供热系统管网初投资为6,713万元，热扩容技术供热系统管网初投资为4,955万元，供热系统管网投资节省26.19%．

表7 区域供热系统能耗清单Tab.7 Energy consumption of district heating system

表8 供热管网初投资比较Tab.8 Comparison of heating pipeline costs

热扩容技术提高了集中供热管网的热容量，是传统供热系统的1.4倍，对于城市集中供热规模的扩张起了重要的作用．高温热扩容区域供热系统对热负荷的变化具有较高的适应性、自由性和可操作性，便于系统的运行管理．适合于区域供热负荷发展速度不明确的地区．

另一方面，供热管网循环水量降低，循环水泵能耗减小．

热扩容技术的应用，与单独使用高温热泵集中供热系统相比，省略了与地源水源换热的地埋管系统．

5 结 论

(1) 与其他制冷剂相比，北洋3号在较高蒸发温度条件下，具有最佳性能．

(2) 通过多元回归模拟分析北洋3号实验数据，得出较精确数学模型．随着蒸发器、冷凝器进出口水温的增加，高温热泵的 COP值下降，且冷凝器进出口温度对COP的影响最为显著．高温热泵机组COP值随着制热量的增加而增加．

(3) 热扩容技术是将高温热泵应用于城市集中供热系统中，这种技术的应用不仅提高了供热管网供回水温差，还增加城市供热系统的热容量．

(4) 城市热扩容集中供热系统的特点是：供热系统热容量高，管网初投资低，循环水泵能耗少，对于城市的热负荷变化适应能力强．

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