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1、高效電驅動熱泵供熱系統的評價指標與應避免的問題推進電力供熱健康發展推進電力供熱健康發展21.1 電力為建筑供熱的正確打開方式：貼近終端，高效熱泵數據來源：中國建筑節能年度發展研究報告2019全球：約10%能源用于各類建筑物冬季供暖；我國：北方城鎮建筑供暖每年消耗2億噸標煤（2017：2.01億），并與“霧霾”形成有關；增長：北方城鎮供暖面積2000年以來增加1.8倍；清潔供熱：必然的選擇，關鍵是怎么做大規模市政集中供熱：燃煤熱電聯產、工業余熱利用 效率高，清潔市政熱網難以到達的區域：分散式燃煤鍋爐，小煤爐灶：燃燒效率低，污染嚴重；天然氣鍋爐供熱：也與“霧霾”形成相關，而且對外依存度超過40%；2、太陽能、風能、地熱能：備受關注，但受自然資源稟賦限制；電能：直接電熱不合理（可再生能源發的電，也不應浪費，能量高質低用總是浪費）電力供熱：從低品位熱源中取熱、實現高效供熱的熱泵技術是正確選擇注：本文中熱泵均指電驅動熱泵 供暖能耗：總量大，隨城鎮化進程持續增長 本屆節能周主題：未來城市能源與清潔供熱3 熱泵原理：1份電+從低溫熱源搬運的多份熱量低溫熱源高溫熱匯T0TkHPPQ0QkPQkCOP=例如：建筑物效率：投入產出比1.2 熱泵技術發展應用歷史悠久 地源熱泵應用面積：有限，效果？4實測項目供熱面積340萬m2編號熱源建筑功能建筑面積(m2)末端形式A中水住宅292,700地暖B空氣住宅3,3、000暖氣片C地埋管住宅43,000輻射天棚+新風D海水(直連)住宅+酒店260,000酒店：FCU住宅：地暖+部分暖氣片E地埋管學校18,500風機盤管F地埋管學校32,769教室：風機盤管+新風大空間：全空氣G地埋管辦公實驗室35,024風機盤管H污水住宅40,000暖氣片+地暖I地埋管住宅27,236風機盤管編號熱源建筑功能建筑面積(m2)末端形式J地埋管住宅及輔助141,289風機盤管K地埋管工廠202,000空調箱風機盤管L污水(海水備用)住宅、商業742,000暖氣片M海水(直連)住宅、辦公58,800-N地埋管門診樓、病房67,688大空間：全空氣其他：風機盤管+新風O地埋管住宅4、及輔助112,153風機盤管P地埋管商業-風機盤管Q污水住宅、商業1,360,000風機盤管R海水(間連)辦公8,138風機盤管+新風少量空調箱1.3 對實際工程項目展開實測：運行工況，連續監測51.3 對實際工程項目展開實測：運行工況，連續監測1.4 不是用了“熱泵”就是“節能”：應用效果難言“高效”8 熱泵機組運行性能偏低，大量系統能效不達標 水系統輸送性能不佳：輸送系數低于40，泵耗電大 小區集中供熱：庭院管網熱損失較大 小區集中供熱：水力失調，熱力不平衡，過熱損失存在2電驅動熱泵供熱應避免的問題82.1 電驅動熱泵供熱系統應避免的問題供熱量過高熱損失大庭院管網漏熱樓內管網漏熱存在過量供5、熱水力不平衡樓間不平衡樓內不平衡室內過熱系統能效低主機能效低缺乏驗收調適維護不足選型不當控制不佳輸配電耗高大流量小溫差水泵性能差不合理阻力過濾器臟堵閥門動作不當2.2 精確識別末端供熱需求，避免過量供熱 建筑體圍護結構需要定期維護，減少需熱量；定期維護管網保溫，避免庭院管網漏熱損失；定期調節管網平衡，避免水力失調和熱力失調；根據供暖需求調節供水溫度，避免過量供熱；92.2.1 建筑體圍護結構需要定期維護，減少耗熱量 對于老舊建筑由于建筑材料及保溫技術落后導致維護結構熱性能不佳的情況，需要通過圍護結構保溫改造提升保溫性能，減少冬季耗熱量。如果建筑物保溫性能不佳，供熱末端不能自主調節，電力供熱必然6、成本高、效果差；窗框存在熱橋導致圍護結構漏熱半地下室外窗漏熱情況用戶存在開窗行為10112.2.2 定期維護管網保溫，避免庭院管網漏熱損失 庭院管網過大、保溫維護不佳，導致漏熱損失偏大，20%的熱量白白耗散在輸配管網上；電力供熱：電熱轉換設備越靠近終端用戶，損失越小，應將管網熱損失減到最小4#1#機房11#10#9#13#5#3#2#16#12#15#14#創業大廈21#20#19#18#17#8#7#6#1#支路2#支路2.2.3 定期調節管網平衡：如何避免水力失調和熱力失調12對于不同支路，隨著支路所帶末端數量的增加，水力失調現象會更加嚴重；對于同一支路，隨著干管距離的增長，水力失調現象會7、更加嚴重同理電力供熱：電熱轉換設備應盡量靠近終端用戶，避免失調導致過量供熱損失4#1#機房11#10#9#13#5#3#2#16#12#15#14#創業大廈21#20#19#18#17#8#7#6#1#支路2#支路各樓平均溫差（調適前）2.2.4 根據需求調節供水溫度，避免過量供熱13供水溫度不僅對熱泵機組能效有所影響，還對建筑物耗熱量有較大影響；特別是室外溫度較高時，供水溫度偏高，末端缺乏調節，室內會嚴重過量供熱；如果用熱泵供熱：一定要盡量降低供水溫度（歐洲稱為Low-Temperature Heating），并根據實際供熱需求進行調整，一是能避免末端過量供熱，二是能提升熱泵性能；某熱泵供熱8、系統不同住戶室溫測試某住戶輻射地板紅外圖2.3 熱泵機組實際運行性能普遍偏低，水泵輸配電耗高14 大多數機組實際運行工況下實測的能效比，折算到額定工況：均低于設備標稱的額定值 熱泵供熱系統在低溫熱源側和用戶側至少各有一個水泵（空氣源熱泵是風機），輸配電耗不能忽略，也是非常大的耗電量2.3 熱泵供熱真的節能么：折算一次能源，部分項目節能量很小15 今天不詳細討論提升熱泵機組能效比和水泵效率的問題 按全國火力發電平均供電煤耗0.310kgce/kWh計算，如果熱泵供熱系統供出一份熱量的消耗大于0.440份電量（1kgce熱值按29.3MJ計算，燃煤鍋爐效率90%），那么熱泵供熱并不節能單位制熱量系9、統各環節電耗（kWh電/kWh熱）節能量更浪費能源2.4 小結：如果采用熱泵供熱，需因地制宜，選取合適低溫熱源16 對于熱泵系統，其關鍵在于尋找低溫熱源熱泵類型優點不足空氣源熱泵體積小、安裝靈活、輸配損失少（王建民，2012）特別適合于廣大農村（江億，2016）受室外溫度影響大（王建民，2012），除霜（張楠，2010）海水源熱泵海水溫度較空氣高；水溫波動小，機組運行穩定；腐蝕性；臟堵；取水點深度不夠，水溫低；受可利用條件限制（吳丹，2012）污水源熱泵污水溫度較高；節能環保、綜合利用；（江億，2005）受可利用條件限制土壤源熱泵地下水式土壤溫度全年基本穩定，冬季地下水溫高系統性能受地下水水量10、水溫以及供水穩定性影響較大（張靜波，2011）地埋管式不會對地下水系統造成影響，機組運行更加穩定；地埋管深度較淺，熱源溫度不高（Zhijian Liu，2015）常規熱泵系統，熱源受氣候條件、地理環境影響；為了獲得更加高溫、更穩定的低溫熱源，最直接的方法：增加取熱點深度 中深層地熱3中深層地熱源熱泵供熱系統：地熱能持續高效廣泛利用的方式183.1 地熱能：清潔能源，應用前景好 中深層、深層地熱資源豐富，熱量來自于地心放射性元素衰變；以往對于該熱量的利用，主要集中在發電的應用，全球發電能力總量達到14369MW，我國僅為27.9MW；初期投資高、發電效率低，應用效果不佳；我國北方地區，深度在111、.53km，巖層溫度60120的熱源尚未充分利用：溫度不足以發電，但供熱應用具有可行性；常用地熱發電技術我國地熱資源分布情況193.2 水熱型地熱能供暖直接利用：與資源稟賦有關 水熱型地熱能水熱型地熱資源一般是指4000m以淺、溫度大于25的熱水和蒸汽，可用于供暖、旅游療養、種植養殖、發電和工業利用等方面。據國土資源部2015年發布數據，4000米以淺水熱型地熱資源量折合標煤12500億噸，年可采資源量折合標煤18.7億噸。形成了以天津、河北為代表的地熱供暖，以北京、東南沿海為代表的溫泉旅游與療養等水熱型地熱資源直接利用方式。到2017年底，全國水熱型地熱供暖面積達到1.5億平方米；受資源稟賦12、限制，同時存在諸多環境問題203.3 思路：用間壁式換熱的方法，提取中深層地熱能，用于供暖 地溫梯度普遍存在：不同地點不同，通常為13K/百米垂直深度，在地下23km處巖層溫度70120通過鉆機向地下20004000米深處巖層鉆孔，固井；在鉆孔中安裝封閉的金屬套管（石油套管）換熱器；換熱器外壁與巖層換熱（間壁換熱），將地下深處的熱能取出；通過地面熱泵機組、輸配系統等，向建筑物供熱。熱泵機組絕熱內管石油套管地下金屬換熱器結構示意固井材料密閉換熱器，與巖層“換熱不碰水”，對環境無干擾213.4 從實踐出發：勇于實踐，同時開展深入研究 2012年以來，我國陜西工程科技工作者在國內（國際）率先建成并運13、行多個該技術示范項目 截至2017年底：正在實現供熱運行的項目23個，供暖面積近400萬平方米；設計供暖項目36個，計劃打取熱孔339口，供暖面積607萬平方米；需通過實測數據，客觀評價系統運行性能 需建立合理的評價指標體系，指導系統高效運行 需建立理論分析架構，指導進一步研發 以工程實際問題出發，通過現場實測、長期監測、理論分析以及模擬計算，對中深層地熱源清潔供熱技術進行深入研究，不斷完善22項目名稱ABCDE建筑功能住宅住宅住宅住宅住宅實際供暖面積 6000 18700 38000 1334007560末端形式輻射地板裝機功率 kW1040 1986 2600 56802160取熱孔深度 14、m20002000200025002000取熱孔個數（使用/已有）1/23/35/58/83/3連續監測時長2周2周2個供暖季2個供暖季2周3.5 持續對多個項目進行實測研究233.6 熱源側取熱量大，但項目之間偏差較大ABCDE地埋管深度（m）20002000200025002000單孔日平均取熱量（kW）258158288271122單孔日連續取熱量（GJ）22.313.724.923.410.5 得益于高溫的熱源，單孔取熱量高；1根取熱孔（2000m）取熱量相當于3070根淺層地埋管（100m）取熱量，節省大量占地面積；項目D單孔供暖季取熱量達到了2066GJ，結合熱泵機組，可承擔1.215、萬的居住建筑供暖需求。243.7 系統實際運行性能良好，仍然存在較大的提升空間項目名稱ABCDE熱源側供水溫度（）27.129.820.034.723.3熱泵機組COP5.644.714.354.825.70熱源側輸送系數32.456.646.125.026.1熱源COP4.804.354.014.074.64用戶側輸送系數18.513.539.517.325.7系統COP3.813.283.613.663.51 得益于高溫的熱源，中深層地熱源熱泵供熱系統機組COP接近6，熱源能效在4.04.8之間，遠高于常規供熱系統；熱泵COP、兩側水系統輸送系數仍然存在很大提升空間，理論COP達到12以上16、，實際COP應該到7；對于同一個供暖技術，在系統設計、施工、運維、管理水平不同的情況下，系統運行性能也會存在一定差別；4適用于高溫熱源的高效永磁同步變頻離心熱泵4.1 格力電器專門設計的高效永磁同步變頻離心熱泵26正常工況中間工況嚴寒工況極端工況制熱量kW338430504500COP/9.457.014.764.5功率kW35.861.3105111用戶側供水溫度38.041.045.050.0 采用格力永磁同步變頻離心式熱泵機組，額定制熱量500kW；機組多工況性能設計，在非嚴寒期以保證熱泵高效運行為目的，在嚴寒期以提升供熱量為目的，保證供暖季高效運行；274.2 現場機組實際出熱量大于額17、定值（500kW）該系統于1月29號投入使用，運行期間熱源側水溫高，末端用熱需求大，機組實際出力大于額定值；4005006007008001/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16供熱量（kW）時間新系統供熱量監測用戶側供熱量熱源側取熱量額定制熱量 500kW10203040501/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16水溫（）時間新機組運行水溫用戶側供水溫度用戶側回水溫度蒸發側進水溫度蒸發側出水溫度284.3 熱泵機組在半個采暖季的平均COP達到7.71供熱量62.9 萬kWh熱泵機組8.2 萬kWh熱源側水泵0.64 萬kWh用戶18、側水泵1.10 萬kWhCOP：7.71WTFs：97.6熱源COP：7.15WTFl：57.2系統COP：6.35 該系統于1/29投入使用，運行期間熱源側水溫高，末端用熱需求大，機組實際出力大于額定值；截止3/15號，熱泵機組平均COP達到7.71，熱源側平均COP達到7.15，系統COP達到6.35；4005006007008001/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16供熱量（kW）時間新系統供熱量監測用戶側供熱量熱源側取熱量額定制熱量 500kW4.4 嚴寒期典型日系統供熱情況 時段：2019/2/19，平均室外氣溫：1.2，小雪；新機組超負荷運行，供熱19、量穩定，平均供熱量707kW，實際供熱面積1.5萬，折合單位面積指標 47.1W/；2910203040500:006:0012:0018:000:00水溫（）時間2/19 典型日供回水溫度用戶側供水用戶側回水蒸發器進水蒸發器出水5005506006507007500:006:0012:0018:000:00供熱量（kW）時間2/19 典型日供熱量用戶側供熱量熱源側取熱量4.4 嚴寒期典型日系統運行性能30供熱量1.70 萬kWh熱泵機組0.26 萬kWh熱源側水泵0.02 萬kWh用戶側水泵0.03 萬kWhCOP：6.53WTFs：88.3熱源COP：6.08WTFl：58.9系統COP：20、5.51 新機組超負荷運行，用戶側供熱量大，供水溫度要求高（44）；熱源側取熱量較大，使得系統運行性能下降；熱泵平均COP為6.53，系統平均COP為5.51；4.5 末寒期典型日系統供熱情況 時段：2019/3/9，平均室外氣溫：9.8；新機組超負荷運行，供熱量穩定，平均供熱量500kW，實際供熱面積1.5萬，折合單位面積指標 33.3W/；3110203040500:006:0012:0018:000:00水溫（）時間3/9 典型日供回水溫度用戶側供水用戶側回水蒸發器進水蒸發器出水4004505005506000:006:0012:0018:000:00供熱量（kW）時間3/9 典型日供熱21、量用戶側供熱量熱源側取熱量4.5 末寒期典型日系統運行性能32供熱量1.20 萬kWh熱泵機組0.13 萬kWh熱源側水泵0.01 萬kWh用戶側水泵0.02 萬kWhCOP：9.53WTFs：129.4熱源COP：8.88WTFl：57.9系統COP：7.70 供暖末期，系統供熱量降至500kW，用戶側供水溫度下調，熱源側取熱量降低；熱泵平均COP、系統平均COP分別提升至9.53、7.70，高效運行性能；33總結：指標與約束值，指向問題（適用于各種電力供熱系統）能源費用能耗量供應量能效熱量成本碳排放需求的識別與匹配峰谷電價的利用控制目標終端成本約束手段供熱量總電耗kW熱/kW電總能耗量 碳22、排放因子建筑面積kgCO2/(m2a)供熱量建筑面積kWh熱/(m2a)總能源費總供熱量元/kWh熱總能耗建筑面積kWh電/(m2a)總能源費建筑面積元/(m2a)熱源能效制熱量熱源能耗kW熱/kW電熱水輸送能效制熱量熱水泵能耗kW熱/kW電熱泵能效熱源水輸送能效制熱量熱源水泵能耗kW熱/kW電制熱量熱泵能耗kW熱/kW電能量轉換與輸配效率提升性能指標一次能源消耗量總能耗量 一次能源轉換系數建筑面積kgce/(m2a)需熱量熱損失需熱量建筑面積kWh熱/(m2a)漏熱量+過量供熱建筑面積kWh熱/(m2a)34總結：電力供熱應貼近終端，高效熱泵（適用于各種電力供熱系統）電能源費成本服務需求的識別與匹配能量轉換與輸配效率提升谷電價的利用壓縮機熱源熱源泵負荷水泵管網熱量損失用戶需熱量過量供熱損失末端熱源熱源泵壓縮機節流閥熱泵主機熱源取熱系統熱水泵集水器分水器熱水輸配系統末端蒸發器冷凝器因地制宜，選取合適熱源，推進熱泵供熱健康發展34突出問題管網散熱、水力失調解決方案控制規模，減小庭院管網分布式系統主機分散，熱源集中/分散突出問題施工質量，設備性能與匹配解決方案系統整體設計與制造、驗收與調適工廠預制、模塊化全過程管理與多工況調適突出問題高溫熱源不易獲得解決方案中深層地熱利用與開發高效系統形式與調控策略研究降低建造成本，提升運行性能謝謝大家高效電驅動熱泵供熱系統的評價指標與應避免的問題