电动压缩式大温差机组设计实测与分析.pdf
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1、第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023文章编号:0253-4339(2023)05-0001-10doi:10.3969/j.issn.0253-4339.2023.05.001电动压缩式大温差机组设计实测与分析苗 青1 李敏霞1 马一太1 党超镔2 王启帆1 张世钢3(1 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室 天津 300072;2 福井大学 福井 910-8507;3 北京清建能源技术有限公司 北京 100084)摘 要 本文提出利用电动压缩式大温差供热机组与大温差长距离供热技术相结合的“零碳供热
2、”模式,其适应了电网与热网的运行特性,将两者有机的结合,实现了以“绿色电力”为主的供电模式和以零碳的工业余热为主的供热模式,因此成为“热电协同”的关键设备。经过本文论证,其经济性可以达到热电联产相当的水平,可以大幅降低长输网回水温度从而增加热网的输送能力;而且其回水温度可以很低,结构紧凑,工况限制和空间限制更少。为验证该技术路线的可行性,本文对实际应用于运城市的0.5 MW 机组在 20202022 年度两个供热季的运行性能进行了实测与分析。测试结果表明:机组在 0100%运行负荷范围内均能稳定高效运行;仅计算电动压缩式热泵部分的性能时,最小供热 COP 为 6.5,最高供热 COP 为 13
3、.1,全年运行平均供热 COP为 8.3。热网一次网回水温度最低可以降至比二次网回水温度低 33 K,最低回水温度可达 15;相对燃气锅炉投资回收期为4 年。关键词 零碳供热;热电协同;电动压缩式热泵;大温差长距离输送供热;COP中图分类号:TB652;TU995文献标识码:ADesign Measurement and Analysis of Vapor Compression Heat Pump with Large Temperature DifferenceMiao Qing1 Li Minxia1 Ma Yitai1 Dang Chaobin2 Wang Qifan1 Zhang S
4、higang3(1.Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy,MOE,Thermal Energy Research Insti-tute,Tianjin University,Tianjin,300072,China;2.University of Fukui,Fukui,910-8507,Japan;3.Beijing Qingjian Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing,100084,China)Abstract This paper proposes a
5、 zero-carbon heating model that uses the technology of an electric-driven vapor compression heat pump unit with a large temperature difference that can be used for long-distance delivery of heating.The model adapts to the operational characteristics of the power grid and the heating network,which fa
6、cilitates power supply using green electricity and heat supply mainly with zero-carbon industrial waste heat.Hence,it is the key equipment that features the synergy of heat and power.The studied system was equally cost-effective to the conventional cogeneration system since it can significantly redu
7、ce the backwater temperature of the long-distance transmission network and increase the transmission capacity of the heat network;the return water temperature can be very low.The model has a compact structure;therefore,it can adapt to complex working conditions and land requirements.To verify the fe
8、asibility of this technical approach,the operating performance of 0.5 MW units used in Yuncheng in two heating seasons from 2020-2022 was measured and analyzed.The test results showed that the unit can operate stably and efficiently within a range of 0-100%operating load.When only the performance of
9、 the electric-driven vapor compression heat pump was calculated,the minimum and maximum heating COP were 6.5 and 13.1,respectively,while the annual average heating COP was 8.3.The minimum return water temperature of the primary network can be 33 K lower than that of the secondary network,reaching 15
10、.When compared with gas-boilers as the baseline,the payback period was four years.Keywords zero-carbon heating;synergy of heat and power;electric-driven vapor compression heat pump;long-distance heating with large temperature difference;COP基金项目:国家自然科学基金(51876135)资助项目。(The project was supported by th
11、e National Natural Science Foundation of China(No.51876135).)收稿日期:2022-05-29;修回日期:2022-11-12 清华建筑节能研究中心公布的白皮书指出:2017年中国建筑运行的化石能源消耗相关的碳排放为1第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,202321.3 亿 t CO2。其中由于电力消耗带来的碳排放为 9亿 t,占建筑运行相关碳排放总量的 43%。其次,由于北方集中供暖的热力消耗带来的碳排放占 22%,直接燃煤导
12、致的碳排放占 20%1。由此可知,建筑能源的大多数碳排放是由燃煤和发电带来的。随着双碳目标的提出2,我国面临严峻的减碳压力,江亿院士等认为要实现双碳目标,供热行业的目标应该是实现零碳供热3。本文认为要实现零碳供热核心要点是要充分利用供热需求的特点,即能源品位要求低,全天时间范围内负荷变化周期与电网趋势相反。尽可能的利用低品位的余热资源,以其为供热主体;以绿色电力为辅助能源;结合蓄放热储能技术的“零碳”供热模式,将是未来供热行业的主要技术路线。付林等4提出的大温差长输供热技术,是供热行业的一次革命。该技术充分利用了廉价的零碳余热资源,达到了长距离调配余热的目的。不但节能环保还具有很好的经济性,现
13、在正在全国范围内大力推广5-6。在该技术的逐步实施过程中,一些局限性不断反馈,如换热站改造难度或推进力度不一造成改造完成度低于预期,项目收益性打了折扣7。针对上述问题,2020 年付林教授在第一代大温差基础上,提出了清洁供热 2025 的供热模式。该模式引进了蓄热和热电协同的思想,充分利用热网为电网调峰,吸纳绿色电力上网,帮助电力系统减碳。在该模式中电动压缩式大温差机组的作用重大8,其作为热电协同和长输供热的纽带,是关键设备。传统的电动压缩式空调、热泵最开始普遍应用于制冷领域,但随着节能环保要求的增高,逐渐有学者开始研究利用低温余热的热泵技术9,如空气源热泵10、地 源 热 泵11、污 水 源
14、 热 泵12、干 燥 用 热泵13-14及太阳能联合使用的水源热泵15等。利用水源热泵直接把低品位工业余热应用于供热领域的研究也较多16。但将电动压缩式热泵与大温差长输供热的研究工作方兴未艾17-18。该应用的难点在于如何将电动压缩式热泵的特性与长输大温差的应用相匹配,并开发出适用于该场景的电动压缩式大温差专用机组。该机组应用的特点是取热温差大、对 COP 性能要求高、工况波动大不稳定等。针对上述特点,本文提出一种电动压缩式大温差机组的概念,并将其与大温差长输供热技术相合从而实现“零碳供热”的系统。该系统实现了以“绿色电力”为主的供电模式和以零碳的工业余热为主的供热模式,系统如图 1所示。图
15、1 利用余热与绿色电力实现零碳供热系统Fig.1 Zero-carbon heating system using waste heat and green electricity该模式的基本思路是将电动压缩式热泵与大温差长输供热相结合。以工业余热为基础热源,以绿色电力为调峰驱动力提升工业余热品位后用于供热。系统流程如下:首先,利用热源首站的大温差热泵技术,将低品位工业废热提升为高温热源;然后,将其远距离运输至末端换热站;最后,利用绿色电力驱动的电压缩大温差热泵机组(electric large tempera-ture difference unit,ELTD),充分利用末端换热站的一次网回
16、水中的热源,将其深度降温后送回热源首站,使其能直接通过换热即可回收低品位的工业余热。即通过 ELTD 增加供回水和回热源之间的温差。ELTD 与吸收式大温差机组功能相同,通过利用长输网供水的做功能力在一定程度上降低了长输网回水温度。仅从经济性上考虑这种零能耗的设计无疑是优先考虑技术路线。但从碳排放的角度重新评估,ELTD 仍具有技术优势:1)回水温度可以降得很低,理论上可达到 10 以内。这就可以在相同直径的供热管道内传输更多的热量。大幅降低了长距离输电网的供热成本,与吸收式大温差机组联合使用效果更佳。2)更低的回水温度有利于低品位余热源(工业余热通常在 2030)的直接利用,通过简单的直接换
17、热即可收集分散的工业余热资源,有利于增加零碳能源供热的比例。3)在电力低谷期时期,开动 ELTD 供热,大量消纳绿色电力,保证电网负荷稳定,避免弃风弃水造成的浪费,将其变废为宝有助于电力系统实现减碳的目标。同时也是一种零成本的电力调峰工具,充分低廉的绿色电力也提升了“零碳供热”模式的经济性。由此可知,ELTD 作为连接电网和热网的桥梁,是“热电协同”的纽带,有望成为未来零碳供热的核2第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月电动压缩式大温差机组设计实测与分析Vol.44,No.5October,2023心设备。本文将从 ELTD 的理论可行性,其应用场景与普通热泵的异同点,以及由此产生的机
18、组设计特点进行论证,并据此设计进行了实验测试及验证。1 机组介绍1.1 电动压缩式大温差机组原理 本文提出的 ELTD 与吸收式大温差机组类似4,均由热泵和换热器结合组成,系统如图 2 所示。图 2 电动压缩式大温差机组系统流程图Fig.2 Flow chart of electric compression large temperature difference unit system与传统水源热泵不同的是该机组单侧的温升温降一般较大,蒸发温度高,且工况不稳定,需要实时调整。普通的热泵无法适应如此大幅的工况波动,性能和可靠性无法满足需求。ELTD 采用多级串联顺流的系统流程设计,可以兼顾任
19、何使用场景下的工况。以兼顾全年各种使用场景下的工况,如适应环境温度波动引起的剧烈的工况差异,响应实时的变负荷、变流量需求等。1.2 系统经济性指标 目前的热电联产供热模式是公认的经济性最佳的方案,为了说明“零碳供热”模式的经济性,本文将其与抽气热电联产供热模式(图 3)为参照,采用增量法计算其静态投资回收期,作为系统经济性的指标。在热电联产系统中,供出的热量牺牲了发电能力为代价。假定抽气参数为 272 /0.4 MPa,焓值为3 005 kJ/kg,一网供水、回水温度分别为 120、50。根据静态投资回收期的定义,其数值为新增的投资与年收益的比值,则:Pt=IpCH-Ce(1)图 3 抽气供热
20、热电联产供热系统Fig.3 A heating system for heat and power cogeneration by steamextraction式中:Pt 为静态投资回收期,a;Ip为电动压缩式大温差机组投资,元;CH为采用热电联产时消耗的等效电,元;Ce为电动压缩式大温差机组耗电,元。Ce=WPe2(2)CH=WehPe1(3)式中:Pe1、Pe2分别为电厂上网电价和用户侧消费电价,元/(kW h);W、Weh分别为 ELTD 功耗及相应热电联产时的等效电功耗,kW;为年运行时长,h。假定机组全年运行时长=120240.7 h,投资费通常与机组制冷量成正比。Ip=QPp(4
21、)式中:Pp为机组成本及安装费,一般在 0.51 元/W之间;Q 为电动压缩式大温差机组制冷量,W;COP 为机组运行全年平均供热 COP,则:Q=W(COP-1)(5)假设由 Q 引起的一次管网回水的下降温度为dT,一次管网质量流量为 m(kg/s),则:Q=cpmdT(6)式中:cp为水的比定压热容,kJ/(kg);m 为循环水的流量,kg/s;dT 为一次网供回水温差,。热电联产提供同等于电动压缩式热泵的制热量时,由于抽气供热而损失的发电量称为其等效电功率,计算式为:Weh=fh(Q)=kQ(7)式中:k 为等效电与供热量的比值。假定汽轮机发电为等熵过程,则汽轮机发电乏汽焓值则为损失的发
22、电焓差:he=hex-hout=3 000-2 400=600 kJ/kg(8)k=hehex-h0=6003 000-164=0.21(9)式中:he为汽轮机损失发电焓差,kJ/kg;hex为汽轮机抽气焓值,kJ/kg;hout为汽轮机出口焓值,kJ/kg;h0为冷凝水焓值,kJ/kg。将式(9)代入式(10):3第 44 卷 第 5 期2023 年 10 月制 冷 学 报Journal of RefrigerationVol.44,No.5October,2023a=Qe2PpWehPe1-We2Pe2=PpkPe1-1COPPe2(10)若假定 Pe1、Pe2同为 Pe,则:a=PpPe
23、1k-1/COP(11)对于同一个项目,Pp、Pe、k 均为常数,且一般变化较小,因此决定项目经济性的唯一变量即热泵的全年平均供热 COP。假设 Pp=1 000 元/kW,Pe=0.55 元/(kW h),供热时长为 120 d,为了保证投资回收期在 10 a 以内,经过计算可知 COP6.8。换言之,不考虑长输管网输送和碳排放费用的前提下,若要达到抽气供热相当的经济性,需要 COP6.8。若要准确评估项目的经济性,必须准确的得到COP。因此,本文专门制造了电动压缩式大温差机组样机,并进行了实验测试与工程示范项目。2 示范工程及样机设计 为准确评估机组的可行性,需要针对供热工程专门设计制造一
24、个机组进行实验和工程验证。2.1 现场概况 工程验证的地点选择山西省某市,该市位于山西 省西部,采暖季从 11 月 15 日开始,截至次年 3 月 15日,共计 120 d。由于该市供热面积增长迅速,在严寒期(全年环境温度最低时期)内供热能力不足,无法满足用户的热需求。在严寒期一次网供热参数为96 /64,二次网供热参数为 55 /45,根据实用供热空调设计手册可以得到该市采暖季室外计算温度为-4.5 19,设计热指标为 45 W/m2。2.2 原有系统参数 根据当地热力公司提供的数据,将该测试热力站的一、二次网的温度、流量等重要参数整理后,汇总于表 1 中,由于该热力站内在二次网侧无流量监测
25、数据,因此根据极寒期内一次网侧的流量、温度和热平衡的原理,计算得到了极寒期内二次网的流量。站内原有极寒期的基本情况及各点的状态参数如表 1所示。在热力站内加入 ELTD,利用电能将低品位一次网回水中的热量提取至二次网中进行供热。新增设的 ELTD 管网连接方式如下:一次网与其他各区供热系统并联,二次网与某小区的二次网进行并联。该设计的目的是在不增加一次网流量的前提下验证某小区的供热能力提升情况。通过实测值进行计算发现,机组并入某小区后供热能力可以提升约 30%。需要说明的是,由于机组在增加供热能力的同时兼顾了实验工程验证的需求。所以在系统设计方面 表 1 该市某换热站极寒期站内参数Tab.1
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