河北保定高速某服务区蓄联热泵清洁供暖技术改造研究

崔楚阳,任福松,刘志辉,吴翠姑,马坤茹

摘要：為了提升空气源热泵低温环境中的热效率，解决热泵冬季易结霜、故障率高等问题，提出一种利用相变蓄能装置将空气源热泵和水源热泵组合的蓄联热泵技术。以河北保定高速某服务区蓄联热泵的改造工程为例，设计了蓄联热泵系统改造方案，并将蓄联热泵联合供暖系统的实际运行数据与位于同一地区、相似建筑中使用单一热源供暖的空气源热泵系统运行数据进行对比，考察供水温度、室内温度、单位供暖面积的耗电量和COP值等因素的变化情况。研究结果表明，在相同室外气温、相同单位面积供暖热负荷的条件下，蓄联热泵供暖效果更稳定，室内温度更高，蓄联热泵每平方米耗能相比空气源热泵低15.5%，综合COP提高了20.68%，静态投资回收期为11.89年。蓄联热泵清洁供暖技术具有一定的可靠性和经济性，适用于低温持续时间较长的偏远山区等寒冷地区，研究结果对蓄联热泵的推广具有重要的借鉴意义与应用价值。

关键词：供热工程;空气源热泵;水源热泵;蓄能互联热泵;可靠性;经济性

中图分类号：TU832文献标识码：ADOI：10.7535/hbgykj.2021yx06010

Research on clean heating technology transformation of ESIHP

in a service area of Baoding expressway in Hebei Province

CUI Chuyang 1，2，REN Fusong3，LIU Zhihui4，WU Cuigu5，MA Kunru1，2

（1.School of Architectural Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Technology Innovation Center of Phase Change Thermal Management of Internet Data Center，Cangzhou，Hebei 061001，China;3.Hebei Hongtong Weiye Technology Development Company Limited，Shijiazhuang，Hebei 050051，China;4.Baoding Green Building Development Center，Baoding，Hebei 071051，China;5.Hebei Phoenix Valley Zero Carbon Development Research Institute，Baoding，Hebei 071051，China）

Abstract：In order to improve the thermal efficiency of air source heat pump in low temperature and solve the problems of easy frosting and high failure rate of heat pump in winter，an energy storage interconnection heat pump （ESIHP） technology which combined air-source heat pump （ASHP） and water-source heat pump （WSHP） by phase change energy storage device was proposed.Taking the reconstruction project of the ESIHP in a service area of Baoding expressway in Hebei Province as an example，the retrofit scheme of the ESIHP system was designed，the operating data of the single source ASHP heating and the ESIHP heating were compared in the same area and similar buildings and the changes of water supply temperature，indoor temperature，power consumption per unit heating area and COP value were investigated.The results show that the heating effect of the ESIHP is more stable and the indoor temperature is higher with the same outdoor temperature and the same heating load per unit area.The energy consumption per square meter of the ESIHP is 15.5% lower than that of the ASHP，the comprehensive COP is increased by 20.68%，and the static investment payback period is 11.89 years.The clean heating technology of the ESIHP has certain reliability and economy，and is suitable for cold areas such as remote mountainous areas with long low temperature duration.The research results provide important reference significance and application value for the promotion of ESIHP.

Keywords：heating engineering;air source heat pump;water source heat pump;energy storage interconnected heat pump;reliability;economy

随着供暖技术的不断成熟，电代煤、气代煤、清洁煤、空气源热泵等多种供暖方式逐渐替代了传统燃煤供暖。其中，空气源热泵是一种较受欢迎的供暖方式，具有结构简单、运行维护方便、费用低、供暖效果稳定等优点，但其本身也存在亟需解决的问题，如低温环境下室外侧换热器极易结霜导致其能效降低、故障率升高，而除霜时又会使室内温度降低，影响供暖效果[1-4]。

为了弥补空气源热泵的缺陷，打破单一热泵系统的技术限制，提出了蓄联热泵系统。蓄联热泵系统又称为“蓄能互联热泵系统”，其利用相变蓄能裝置将空气源热泵和水源热泵组合，是蓄能技术与热泵技术的综合应用[5]。蓄联热泵是在空气源热泵蓄能技术的基础上发展而来，蓄热技术现已成为开发新能源、提高能源利用率、协调能量供求在强度和时间上不匹配的关键技术[6-8]，蓄热技术主要有显热蓄热、相变蓄热和热化学反应蓄热3种方式[9]，可将空气源及其他低温热泵方式相结合，提高热泵稳定性[10]。目前国内外对蓄联热泵的理论研究主要还是聚焦在针对空气源热泵的蓄热技术上[11-13]，而中国已经进行了一些蓄联热泵技术的实际改造应用。周珏等[14]介绍了国网兰州建西变电站家属楼的蓄联热泵供暖改造项目，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。操乐成等[15]设计了一套应用于太原地区一家民宿酒店的多能源互补蓄联水环热泵清洁供暖系统，由太阳能集热器和空气源热泵提供低温热源，经相变储能装置恒温调节。

蓄联热泵技术的提出极大地改善了空气源热泵自身的缺陷，充分发挥了空气源热泵与水源热泵各自的优势，在保证供暖效果的同时，降低了能耗，减少了运行费用，机组的故障率也大大降低，同时维护简单，运行也更为可靠。虽然蓄联热泵清洁供暖技术的应用已逐步发展成熟，但目前对其改造后的实际运行COP及经济分析并不多。本文介绍了河北保定高速某服务区蓄联热泵改造项目的应用实例，通过系统方案设计和实际运行数据分析，研究了蓄联热泵在高速服务区的应用效果和经济性，为推广蓄联热泵供暖改造提供了理论和实例基础。

1项目概况

北方城区的供暖方式大多为热力站管网集中供暖，而远离集中供热管网的城市周边老旧小区、高速公路服务区等较为偏僻的大面积供暖区域依然采用燃煤锅炉房集中热源，由制备热水输送到室内暖气片供暖。河北高速管理单位为响应国家大气污染防治与蓝天保卫战的总体要求[16]，对高速服务区的燃煤锅炉进行了全面改造[17-18]。保定高速某服务区最先使用了空气源热泵作为清洁能源供暖设备，但因空气源热泵本身的技术限制，使其在低温环境下供水温度较低，无法满足供暖需求。

服务区位于五台山山脉附近，分为南北两院，建筑面积约3 000 m2，其中南院供暖面积约2 100 m2，北院供暖面积约920 m2。服务区的供暖时间为每年的11月1日—次年3月21日，共141天，其地处山区，冬季平均气温1 ℃，日平均最高气温6.1 ℃，日平均最低气温-5.2 ℃，近10年极端最低气温-20 ℃。建筑为一层平房，墙体为三七墙，窗户为双层玻璃中空保温，建筑较旧，保温效果一般，且超市人流量较大，热损失也较大，供暖末端装置为老式铸铁暖气片。

服务区室外气温较低，以2017年服务区当地平均气温最低的1月份作为温度参考，1月份的最高温度与最低温度检测数据如图1所示。从图中可知，2017年1月份前2天气温相对较高，而后气温开始下降，在1月6日—10日最低气温发生了波动，同样的，1月18日—23日气温也发生了较大波动，最低气温达到了-20 ℃。由数据可知，服务区冬季气温较低，且波动较大。改造前的2017年—2018年供暖季室内温度仅有14～16 ℃，记录供暖耗电达33.4万kW·h，能耗较大且供暖效果不理想。 空气源热泵在低环境温度下能效比低、故障率高，供暖效果差[16]，供水温度无法带动原有暖气片。为了改善供暖效果，对南院进行多热源蓄联热泵清洁供暖改造，并于2018年—2019年供暖季投入使用。因2017年—2018年供暖季的供暖效果并不理想，所以下文重点分析了改造完成后2018年—2019年供暖季的运行数据。

2蓄联热泵系统改造方案设计

2.1蓄联热泵系统原理

蓄联热泵系统原理如图2所示。蓄联热泵系统由两级热泵组成，其充分考虑到空气源热泵优越的提升能量特性，第一级选用空气源热泵，第二级选用水源热泵。在寒冷地区，通过一次侧空气源热泵模块制备15～20 ℃的温水，并利用相变蓄热模块储存温水的热量，为二次侧水源热泵提供稳定热源。随后水源热泵通过水环路提取出蓄能装置的潜热，制备出55～65 ℃的热水，再由热水管输送到供暖系统的暖气片对室内各房间进行供暖。因为一次侧空气源热泵装置只需将水加热到15～20 ℃，不用直接制备高温热水，显著降低了制冷剂的冷凝温度与压缩机的压缩比，提高了空气源热泵在低温环境下的效率。二次侧水源热泵则利用相变蓄热装置的相变潜热，提高制冷剂的蒸发温度，同样降低了压缩机的压缩比，工作效率显著提高，也有效减少了电能消耗。该系统除了可以最大限度地利用自然能源（昼夜温差现象）之外，还可以在电力高峰期间减少设备耗电量，将部分用电需求调整至低谷期，不仅平衡电网运行，还可利用峰谷电价，节省运行费用。

2.2蓄联热泵系统项目改造

2.2.1建筑热负荷

为了得知热泵供暖系统需向房间供给多少热量，根据式（1）分别对南院和北院进行了热负荷计算。

Q=q×F，（1）

式中：Q为总建筑供暖热负荷，kW;q为建筑单位面积供暖热负荷，W/m2;F为建筑供暖面积，m2。

由DesT软件模拟出服务区南北院单位面积供暖热负荷65 W/m2，则总建筑供暖热负荷如表1所示。

2.2.2改造方案

由于服务区分为南北两院，蓄联热泵改造仅针对南院，北院仍使用空气源热泵供暖。南院的蓄联热泵系统设计如图3所示。空气源热泵制备20 ℃左右温水，通过蓄能罐储存热量，水源热泵通过提取蓄能罐内潜热制备55～65 ℃热水，经热水管输送至供暖末端装置。

2.2.3主要设备选型及性能

此次改造所用蓄联热泵系统主要由两级热泵组成，第一级热泵选用的是一台FM040BH空气源热泵，制热量为140 kW，第二级热泵选用的是一台水源热泵，制热量为145 kW，功率为38 kW。蓄热装置选用的是2 m3的相变蓄热装置。末端散热装置没变动，为暖气片。

2.2.4智能控制

蓄联热泵系统中的空气源侧选用低环温空气源热泵，可在环境温度较低时保持一定时间内供暖温度的稳定。整个蓄联热泵采用先进的智能控制系统，能够实现变工况自适应调节、自动切换直供/联供模式，触摸屏需具有人机交互界面，设有“开机/关机”“手动/自动”“运行状态”“参数设置”“报警信息”“能效分析”等界面，便于系统的数据采集、分析和控制管理优化，达到无人值守、自动控制、节能运行的目的。在低温环境的情况下，空气源热泵制热量衰减或化霜时，空气源热泵停止运行，相变蓄能模块充分发挥相变蓄能、冷热均流和调节蓄放等功能。智能控制图见图4。

3运行效果分析

3.1供暖状况

选取自2018年11月1日—2019年3月21日共141天的供暖时间作为数据参考。此时间段内室外平均气温2.4 ℃，日平均最高气温8.1 ℃，日平均最低气温-4.3 ℃，整个供暖时间内的最低气温在12月30日，为-15.6 ℃。本研究对监测时间内的室外温度、室内温度、设备耗电量、供水温度进行了记录。

3.1.1室外温度

2018年11月1日—2019年3月21日的室外温度分布如图5所示。

由图5可知，2018年12月1日—2019年3月1日，室外温度相对较低，最低温度基本都保持在0 ℃以下。期间日平均最低气温约-3.53 ℃，日平均最高气温约为8.52 ℃，最低温度出现在1月1日，为-14 ℃。低温环境持续久，导致普通空气源热泵无法持续满足供暖需求，而蓄联热泵则可以在此环境下高效运行。

3.1.2室内温度

对2018年11月1日—2019年3月21日南院与北院的室内温度进行监测，取早、中、晚各3组室内温度的平均值作为南院与北院室内平均温度。南院与北院室内平均温度分布如图6所示。

由图6可知，南院因使用了蓄联热泵，在气温相对较低的2018年12月1日—2019年3月1日，供暖温度较为稳定且都保持在18 ℃以上;而北院使用空气源热泵，因为其在低温环境下工作不稳定以及因室外侧换热器在低温环境极易结霜，需频繁进行除霜工作等原因，导致空气源热泵对室内供暖效果不稳定，且供暖温度低于18 ℃，供暖效果没有蓄联热泵好。

3.1.3设备耗电量

为了对比分析蓄联热泵与空气源热泵的耗能情况，并对蓄联热泵进行经济性分析，统计了2018年—2019年供暖季服务区南院与北院的设备总耗电量。耗电量情况统计数据如表2所示。

3.1.4供水温度

服务区南院蓄联热泵及北院空气源热泵的供水温度均设定为50 ℃，经数据监测，南院蓄联热泵供水温度在低温环境下也可以达到温度设定值，而北院空气源热泵在低温环境下供水温度却不稳定，且无法达到设定的温度，最高温度值仅有47 ℃。供暖期间，对南北院暖气片温度进行了监测，南院蓄联热泵与北院空气源热泵暖气片温度变化对比如图7所示。

由图7中可以看出，南院使用蓄联热泵供暖，供水温度可以达到设定值，所以室内暖气片温度就较为稳定，在47～48 ℃左右;而北院空气源热泵因为低温环境结霜等因素，达不到设定值，室内暖气片温度仅有37～38 ℃左右，且气温较低的时间段内，暖气片温度更不稳定。在系统供水温度均设定为50 ℃的情况下，蓄联热泵制备热水温度高于空气源热泵10 ℃以上，室内供暖温度较高且更为稳定。故蓄联热泵的供暖效果优于空气源热泵。

3.2蓄联热泵与空气源热泵运行对比分析

3.2.1耗能

根据蓄联热泵系统运行情况的监测数据可知，整个供暖季使用蓄联热泵供暖的服务区南院总耗电量为171 010 kW·h，供暖季共141 d，平均每天耗电量为1 212.84 kW·h;南院供暖面积为2 100 m2，耗能為0.58（kW·h）/（m2·d），供暖季耗能为81.43（kW·h）/m2。北院总耗电量为87 156 kW·h，供暖季同样为141 d，平均每天耗电量为618.13 kW·h;北院供暖面积按920 m2计算，耗能0.67（kW·h）/（m2·d），供暖季耗能为94.73（kW·h）/m2。在相同室外气温、相同单位面积供暖热负荷的条件下，蓄联热泵每平方米耗能相比空气源热泵每平方米耗能约低15.5%。

3.2.2系统平均COP

为得知蓄联热泵在冬季供暖的性能，根据式（2），分别对南院蓄联热泵与北院空气源热泵的制热系数COP进行了计算。

COP=QW，（2）

式中：COP为供暖系统的制热系数;Q为供暖系统输出总热量，kW;W为供暖系统输入总电功率，kW。

自2018年11月1日—2019年3月21日，共141天内，南院总耗电量171 010 kW·h，北院总耗电量87 156 kW·h（详细信息见下文），服务区南北院建筑供暖量、输入电功率与平均制热系数（COP）如表3所示，在不同室外温度下空气源热泵与蓄联热泵COP的详细对比如表4所示。

由表3的数据可看出，整个采暖季中，使用蓄联热泵系统供暖的南院COP比使用空气源系统供暖的北院COP提升了0.38，提高了约16%，说明蓄联热泵系统更为高效节能，且根据图6数据，室内温度也有明显提升。根据表4中数据可知，在低温环境下空气源热泵COP较低，且变化较大，环境温度为-20 ℃时，空气源热泵制备45 ℃热水时COP仅为1.78。而蓄联热泵在不同低温环境下的COP高于空气源热泵，且更为稳定。

3.2.3改造的静态投资回收期

2017年—2018年供暖季使用空气源热泵供暖时，服务区总能耗约为33.4万kW·h，其中南院能耗约为20.5万kW·h，在经蓄联热泵系统改造后，忽略2017年—2018年供暖季与2018年—2019年供暖季的室外气温的差异，2018年—2019年供暖季服务区总能耗降到25.82万kW·h，南院能耗降到了17.10万kW·h，降幅明显，仅为改造前能耗的83.41%，节省了约16.59%，考虑到蓄联热泵利用峰谷电价调整运行策略，除能耗效益外，还带来了更大的经济效益。

改造部分静态投资回收期计算过程如下。

改造费用360 000元，电费按0.89元/度，系统每年净收益相当于每年节约的电费。系统每年节约电费可按式（3）计算。

A=（Qy-Qg）×Cq，（3）

式中：Qy为改造前南院总能耗，万kW·h;Qg为改造后南院总能耗，万kW·h;Cq为电费，（kW·h）/元。

经计算，系统每年可节约约30 260元电费，即系统每年净收益为30 260元。

系统的静态投资回收期可按式（4）计算。

Pt=KA，（4）

式中：Pt为静态投资回收期，年;K为总投资，元;A为每年的净收益，元。

经计算，使用蓄联热泵系统改造后的静态回收期约为11.89年，回收年限较短，经济效益较为显著。

4结语

蓄联热泵系统尤其适用于持续较久低温的偏远山区，系统降低了空气源热泵压缩机的压缩比，具有运行费用低、运行可靠性高、压缩机寿命长、维护费用低等优点，是一种适用性广的清洁能源供暖方式。蓄联热泵改善了空气源热泵自身的缺陷，可以充分发挥空气源热泵与水源热泵各自的优势。研究主要结论如下。

1）在持续的低温环境下，蓄联热泵可以保持稳定高效的供暖，室内温度可维持在18 ℃以上，热泵系统供水温度可以稳定在设定值50 ℃以上，末端装置的供水温度稳定在47～48 ℃，相对空气源热泵的供水温度高出10 ℃以上;

2）改造后系統供暖季耗电量为17.1万kW·h，对比改造前空气源热泵的20.5万kW·h，节省了约16.59%;

3）在相同室外气温、相同单位面积供暖热负荷的条件下，蓄联热泵每平方米耗能相比空气源热泵每平方米耗能约低15.5%，COP仅提高了20.68%，静态投资回收期为11.89年，经济效益较为显著;

4）当制备45 ℃热水时，室外温度越低，系统COP值对比空气源热泵越高，说明蓄联热泵的供热效果更为稳定高效。

本文分析了蓄联热泵系统在保定高速某服务区的改造效果，其在保定某偏远山区的高速服务区的成功应用可对其他服务区等服务型建筑的改造提供参考。目前蓄联热泵系统的实际应用项目不多，在未来的工作中需要对该系统在不同地区、不同工况下的不同类型建筑进行模拟和实际运行分析，以进一步验证其可靠性。另外，由于中国许多高速服务区建成较早，管道与末端散热装置已老化，在进行清洁能源供暖改造的过程中，也需针对实际情况对管道与末端供暖装置进行选择性改造，这样更有利于能源的节约。

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