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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 魏慶芃 副教授 2019年3月 推進電力供熱健康發展推進電力供熱健康發展 2 1.1 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； 2、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%； 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 T0 Tk HP P Q0 Qk P Qk COP= 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3、？ 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3,000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 4、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 5 1.3 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：5、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 8 2.1 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6、和熱力失調； 根據供暖需求調節供水溫度，避免過量供熱； 9 2.2.1 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 10 11 2.2.2 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7、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#8、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9、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10、 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、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11、（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 18 3.1 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1.53km，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12、 我國地熱資源分布情況 19 3.2 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； 受資源稟賦限制，同時存在諸多環境問題 20 3.3 思路：用間壁式換熱的方法，提取中深層地13、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 21 3.4 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）率先建成并運行多個該技術示范項目 截至2017年底：正在實現14、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 m200020002000 15、25002000 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 23 3.6 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1.2萬的16、居住建筑供暖需求。 24 3.7 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C17、OP達到12以上，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kW338430504500 COP/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18、行； 27 4.2 現場機組實際出熱量大于額定值（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； 400 500 600 700 800 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 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 500kW 10 20 30 40 50 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 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 28 4.3 熱泵機組在半個采暖季的平均COP19、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 用戶側水泵 1.10 萬kWh COP：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； 400 500 600 700 800 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 供熱量（kW） 時間 新系統供熱量監測 用戶側供熱量熱源側取20、熱量 額定制熱量 500kW 4.4 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/； 29 10 20 30 40 50 0:006:0012:0018:000:00 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 500 550 600 650 700 750 0:006:0012:0018:000:00 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 321、0 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kWh COP：6.53WTFs：88.3 熱源COP：6.08WTFl：58.9 系統COP：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/； 31 10 20 30 40 22、50 0:006:0012:0018:000:00 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 400 450 500 550 600 0:006:0012:0018:000:00 供熱量（kW） 時間 3/9 典型日供熱量 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kWh COP：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23、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24、/ 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 魏慶芃 副教授 2019年3月