高效蓄能互联热泵系统技术及应用

周 珏，罗 凡，罗庚玉，陈建平，余承霖，周 强

（1.国网（江苏）电力需求侧管理指导中心有限公司，南京 210019；2.国网甘肃省电力公司，兰州 730050；3.法凯涞玛冷暖设备（杭州）有限公司，杭州 310007；4.国网江苏省节能服务公司，南京 210019；5.国网安徽省电力公司，合肥 230061）

◆能效与负荷管理◆

高效蓄能互联热泵系统技术及应用

周 珏1，罗 凡2，罗庚玉3，陈建平3，余承霖3，周 强4

（1.国网（江苏）电力需求侧管理指导中心有限公司，南京 210019；2.国网甘肃省电力公司，兰州 730050；3.法凯涞玛冷暖设备（杭州）有限公司，杭州 310007；4.国网江苏省节能服务公司，南京 210019；5.国网安徽省电力公司，合肥 230061）

在目前国家大气污染治理工作背景下，针对我国严寒地区及寒冷地区无法使用水地源热泵或地埋管热泵问题，以及使用空气源热泵存在能效比低、故障率高等问题，提出蓄能互联热泵系统清洁采暖方案，通过综合技术创新突破单一技术运用的客观限制，打造“不打井、不做地埋管”的水-水热泵系统，使得常规空气源热泵的使用边界扩大、稳定性增强、投资减少、故障率降低，并且能够在暖气片供暖系统改造中稳定提供60℃热水。以国网兰州建西变电站家属楼暖气片改造项目为例，进行了方案设计、设备选型和运行效果分析，验证了蓄联热泵系统的可靠性、经济性。

蓄能互联热泵系统；清洁供暖；节能减排；暖气片采暖改造

现有的采暖空调技术虽都具有各自的技术优势，但也存在一些技术限制和使用瓶颈，如：水源热泵系统投资小、运行稳定，但在水资源匮乏地区，取水或打井均不被允许；土壤源热泵系统成本高、占地面积大、且容易造成冷堆积等问题；空气源热泵应用非常广泛，但其低温环境下能效低、压缩机高压比运行、故障率高，按最大热负荷要求配置使得投资大、设备闲置率高，发展受到一定制约。此外，很多使用暖气片散热器采暖的改造建筑，在燃煤锅炉拆除后，面临或者因为常规的空气源热泵无法满足“小流量、大温差”的高温供热要求，或者由于“煤改气”管网不具备接入条件或燃气费用高、“煤改电锅炉”需要扩容增容等各种实际问题。

采暖问题面临的严峻形势，使探索可持续发展的清洁采暖技术具有非常现实且重大的意义。蓄联热泵系统是利用空气能和相变蓄能技术耦合水水热泵，推出了“不打井、不埋管”的清洁采暖系统，并专门开发设计了暖气片专用热泵机组，实现了暖气片“小流量、大温差”的供暖技术要求。同时使压缩机的压缩比降低近一半，有效解决了极端寒冷天气下压缩机容易故障并损毁的难题，蓄联热泵系统运行更加稳定可靠，大大节省维护费用，实现节能运行，还可利用峰谷电价差节约电费，开创了“清洁采暖、节能降霾”的新思路。

1 项目概述

我国北方采暖地区，大多主城区采用市政热力管网集中供暖，城区周边分散区域的住宅小区、医院、学校等老旧建筑，仍然使用区域小锅炉房供暖站，室内大都使用暖气片散热器采暖。国家电网兰州供电公司建西110 kV变电站家属楼，建筑面积约为2 000 m2，为5层老式建筑，共有住户30家。采暖方式为老式铸铁暖气片，因采暖效果不佳，部分住户自行改造安装新款暖气片。

国网兰州建西变电站家属楼由于所处地理位置和原先的规划设计，与原兰州机车厂共用燃煤锅炉进行采暖，由于机车厂搬迁改建以及环保部门对燃煤锅炉的禁止使用，且由于不能接入市政热力管网，国网兰州建西变电站为保障家属楼职工的采暖民生问题，结合家属楼外墙无保温，暖气片采暖、热力管网保温条件不佳等各种实际问题，就水地源热泵、空气源热泵等清洁采暖的技术方案进行了调研：

（1）水/地源热泵系统属可再生能源利用技术，水源热泵能效比高，环保效益显著，但禁止打井取水；土壤源热泵系统通过闭式循环吸收浅层地热，北方寒冷地区尤其是暖气片采暖方式下，冬季热负荷大、夏季空调冷负荷小或者无需制冷，地埋管换热系统容易造成冷堆积，导致换热量衰减，在已建项目改造中，地埋管占地面积大、投资高，不具备可行的条件。

（2）空气源热泵系统通过采集空气中的低品位热能实现供暖，系统安装简单、运用广泛，但其低温环境条件下，制取高温热量的能力衰减，制热量小，能耗高，而且仅适合地板采暖和风机盘管的采暖方式，不能满足暖气片的使用要求。此外，由于运行条件恶劣，造成维修费用和故障率居高不下。

这几种常见的冷热源解决方案，都有着各自的使用条件限制，而且常规的水地源热泵主机或是空气源热泵都是按照末端供回水5℃为基本标准来设计换热器的，并据此进行设备核心部件的选型设计和加工制造。无法通过热泵设备本身去满足暖气片大温差供热的技术要求，除非专门设计各关键部件，但结果会导致投资增加、通用性降低的短板。蓄联热泵系统，通过空气源热泵和（或）其它废热余热与相变蓄能技术结合互联，解决了水水热泵源侧低温热源的问题，同时通过系统的设计实现了“小流量、大温差”控制方式，能够满足暖气片大温差供暖散热改造的“节能、可靠、稳定”的要求。图1为国家电网兰州供电公司建西110 kV变电站家属楼。

图1 国家电网兰州供电公司建西110 kV变电站家属楼

2 蓄联热泵方案设计

蓄联热泵系统将空气源热泵、水源热泵的优势通过相变蓄能模块有效组合，是成熟的蓄能技术和热泵技术的综合利用。通过蓄能模块的介入，拓展了水源热泵和空气源热泵的使用条件，克服各自的限制和性能弱点，最大限度利用自然能源（昼夜气温的变化）、“峰谷”电价差以及其它无偿能源等各种有利外界因素，实现多能互补、综合利用，构建可靠稳定、节能省钱的采暖系统。系统原理如图2所示。

图2 蓄能互联热泵系统原理图

蓄能模块不仅可提升空气源热泵动力模块的运行效率、运行可靠性和寿命，还提供各种其它免费能源利用的可能性，如太阳能、废气、废水等，做到多能互补、综合利用，最大限度实现低成本环保运行。

国网兰州建西变电站家属楼暖气片改造项目中，最终采用了蓄联热泵系统，设计供暖温度60℃至65℃，供回水温差15℃，室内温度18±2℃。由于项目所在地近3年最低温度为-18℃，最冷月份夜间温度在-5℃至-15℃之间，白天温度在0℃左右。设计单位面积热负荷指标为80 W，总热负荷为144 kW。系统配置法凯涞玛AWHD0501A4水水热泵主机1台，制热量150 kW；蓄能平台体积4 m3，内部填充的法凯涞玛AC00相变蓄能材料3 m3；FMCH020BH（65模块）低温空气源热泵2台。

3 主要设备选型及性能分析

蓄联热泵系统由一次侧空气源动力模块、二次侧变工况水水热泵和相变蓄能模块组成，通过一次侧空气源动力模块和相变蓄能的技术耦合，实现空气中所蕴含的低品位热能的采集和储存，为二次侧水水热泵系统提供有效热源。相变蓄能模块充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能。图3为国网兰州建西变电所家属楼机房。

图3 国网兰州建西变电所家属楼机房

3.1 一次侧空气源热泵

一次侧空气源热泵模块，在低温环境中只需向相变蓄能模块提供不高于25℃的低品位热能，极端天气状况下，相变蓄能材料放热凝固后，避过几小时低于-20℃的极端气温，一次侧动力模块就可为蓄能模块补充能量，溶解凝固潜热进行储能。在蓄联热泵系统中，空气源热泵在15℃的出水工况下，压缩机始终处于安全、高效、稳定的运行区间。蓄能互联热泵系统在-20℃低温环境运行时，其压缩比仅为12.625，与常规空气源热泵压缩机压缩比28.391相比，降低55.5%，使得设备可靠性大幅提升，故障率降低，后期维修费用极低。根据气象条件，按环温-5℃/出水15℃为计算依据。一次侧空气源热泵选择2台FMCH020BH型模块机组。图4为一次侧空气源热泵。

图4 一次侧空气源热泵

3.2 相变蓄能模块

相变蓄能模块充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能，采用高密度相变储能溶液（phase change material，PCM）灌装的蓄能球，单位体积储能密度高达69.1 kWh/m3，相变蓄能球采用超声波熔焊密封，预留空腔吸收相变膨胀，全面确保系统的稳定性和耐久性。相变蓄能材料由固态转变成液态过程中吸收相变融化潜热，进行逆过程时释放相变凝固潜热。蓄能罐中充填蓄能球及载冷剂，本项目采用方形水箱设计，整体式发泡保温，内置专用布水器，使载冷剂沿着容器分层均匀流动，载冷剂进口为底部扩散器，以保证罐内自然分层和均匀换热。图5为相变蓄能模块。

图5 相变蓄能模块

3.3 二次侧温度提升热泵主机

在暖气片采暖改造项目中，蓄联热泵系统设计采用法凯涞玛暖气片专用温度提升热泵机组，在环境温度过低时，即使一次侧空气源动力模块处于全面自我保护、无法运行的状态下，蓄能模块依然可为温度提升热泵提供相变热能，二次侧温度提升热泵具备变工况恒定水温输出的适应调节能力，源侧温度在0℃至25℃之间变化时设备保持稳定运行。此外，在投资费用不额外增加的前提下，热泵设备可稳定提供供水60℃/回水45℃的大温差小流量控制方式，确保末端暖气片的采暖效果。系统配置温度提升热泵1台，制热量156 kW，功率53.4 kW。图6为二次侧温度提升热泵机组。

图6 二次侧温度提升热泵机组

4 运行效果分析

该项目自2016年10月24日调试投入运行，在2017年1月中旬（最冷时期），对系统的运行情况作了随机调查，设备供水温度为60℃，抽检的2家用户暖气片实测温度为54.6℃和52.1℃，白天环境温度约为-8℃，室内温度20℃。图7为新款暖气片表面温度54.6℃。图8为老款铸铁暖气片表面温度52.1℃。

整个采暖季，对项目的运行能耗及费用情况作了统计，月均采暖价格为4.35元/m2，采暖季按5个月计算，采暖价格21.79元/m2，相比原来锅炉热力管网价格25元/m2，暖气片采暖价格减少13%。各个月的采暖能耗及费用如表1所示。图9为部分电费月结清单。

图7 新款暖气片表面温度54.6℃

图8 老款铸铁暖气片表面温度52.1℃

表1 逐月运行能耗及费用统计表

图9 部分电费月结清单

为了进一步做好节能管理，设计安装了节能诊断数据采集仪，将系统各设备运行数据采集后，通过软件对运行规律、电流数据、启停时间等数据进行节能诊断分析，制定最优的节能控制管理方案，通过供水温度调整和旁通流量修正，系统的节能水平提高，减少了运行电费。节能系统还可以兼具远程控制设备启停、参数设置、报警提示等功能，全面保障系统供暖稳定运行，可以达到无人值守、自动控制的目的。图10为节能诊断数据采集仪。

图10 节能诊断数据采集仪

国网兰州供电公司建西变电站家属楼暖气片改造项目的成功实施，验证了蓄联热泵系统的可靠性、经济性，使得常规空气源热泵的使用边界扩大、稳定性增强、投资减少、故障率降低，AIRCLIMA热泵主机能够在高难度的旧暖气片供暖系统改造中提供60℃热水且运行稳定、可靠。经过实测和对比，蓄联热泵相较常规的空气源热泵供暖空调系统，投资最高可减少32%，相应的配电功率减少29%，运行能耗降低21%。系统不仅一次节省投资、配电费用、运行费用、维护费用，而且可靠性提升，压缩机寿命提高，能解决一些极端低温天气的供暖问题，满足温度高、温差大、流量小的传统暖气片的供暖方式。经过一个采暖季的实践表明：系统运行良好，节能效益显著。

5 结束语

清洁供暖替代燃煤锅炉，已成为治理雾霾和调整能源结构的主要措施。现有的各种采暖技术均存在各自的适用范围和条件，政府低电价补贴等方式对空气能采暖的扶持不可能长期持续，也不能切实保障低环温可靠采暖。蓄能互联热泵系统，在国网兰州供电公司建西变电站家属楼暖气片改造项目中得到了充分的实践，通过综合技术创新有效地突破了单一技术运用的客观限制，打造“不打井、不做地埋管”的水水热泵系统，使得常规空气源热泵的使用边界扩大、稳定性增强、投资减少、故障率降低，使北方寒冷地区因水资源匮乏或政府禁止打井取水或“成本高、占地大、冷堆积严重”而无法使用水地源热泵、地埋管热泵等问题有了新的解决方式。

［1］ 陈建平，白杨，余承霖.蓄能互联热泵系统的理论与实践［J］.地源热泵，2017（3）：5.

［2］ 余承霖，白杨，李洮洮.蓄联热泵在扩建项目中水源梯级利用的经济性分析［J］.地源热泵，2017（7）：24-28.

［3］ 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 赵庆珠.蓄冷技术与系统设计［M］.北京：中国建筑工业出版，2012.

［5］ 马最良.替代寒冷地区传统供暖的新型热泵供暖方式的探讨［J］.暖通空调新技术，2001（3）：31-34.

Technology and application of high efficiency energy storage interconnected heat pump system

ZHOUJue1,LUOFan2,LUOGeng-yu3,CHENJian-ping3,YUCheng-lin3,ZHOUQiang1
（1.State Grid（Jiangsu）DSMInstruction Center Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China;2.State Grid Gansu Electric Power Company,Lanzhou 730050,China;3.Hangzhou Airclima Warmand Cold Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310007,China;4.State Grid Jiangsu Energy Conservation Service Company,Nanjing210019,China;5.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei230061,China）

Under the background of national air-pollution control,aiming at the cold area that can not use heat pump or water source heat pump of buried pipe and low energy efficiency ratio and higher failure rate of the use of air source heat pump,the energy storage heat pump system interconnection clean heating scheme is put forward,which break through the objective limit of single the use of technology through the comprehensive technical innovation,in order to create"no well,no water heat pump system of buried tube".The conventional air source heat pump utility boundary is expanded and the stability is enhanced.The investmentis failure rate are reduced,which can provide stability in the transformation of the radiator heating system in hot water 60 degrees.Taking the heating house reconstruction project of the family building in Lanzhou West substation as an example,the scheme design,equipment selection and operation effect analysis are carried out,and the reliability and economy of theheat pump systemareverified.

energy storage interconnected heat pump system;clean heating;energy saving and emission reduction;radiator heatingtransformation

F407.61；TK018

B

1009-1831（2017）06-0025-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.006

2017-08-04

国家电网科技项目：电网企业电力需求侧管理目标责任考核“十三五”发展路径研究（52110417001F）