燕山大學  李文濤 李巖
清華大學  付林

       【摘  要】本文提出一種將熱電聯產乏汽余熱回收與分布式土壤可再生能利用有機結合的新型熱泵供熱系統，通過熱網冬夏兩用，跨季節蓄取電廠乏汽余熱，可顯著提升熱源的供熱能力并大幅降低供熱能耗。新系統熱源以一臺300MW機組為例，與常規熱電聯產系統及太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統進行對比分析。結果顯示，新系統供熱能耗最低，太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統與常規熱電聯熱系統能耗基本相當。新系統蓄熱期間可降低發電影響2512.8萬kWh，在相同土壤蓄熱量下，相比于太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統，整個采暖季新系統可增加供熱量1.4倍，全年供熱能耗降低37.6%，為電廠乏汽余熱回收和土壤可再生能高效利用提供了新的思路。

       【關鍵詞】熱電聯產，乏汽余熱回收，土壤跨季節蓄熱，熱水型吸收式熱泵，能耗分析

1 背景

        “十三五”期間發展清潔供熱、治理城市霧霾得到重點關注，北方各城市正積極探尋電廠乏汽余熱及淺層地熱能的高效利用方式。隨著民生供熱需求迅猛增長，冬季北方城市熱源供熱能力不足的問題日益突出。熱電聯產是北方城市最主要的熱源形式，以目前的裝機容量，三北地區每年產生的乏汽余熱量達到約4萬億kWh^[1],僅利用其中三分之一即可滿足北方城市供熱需求，因此回收乏汽余熱對于提高電廠供熱能力至關重要^[2]。而夏季電廠純凝運行，乏汽余熱量顯著大于冬季，由于難以找到合適的熱用戶，乏汽余熱無法利用，造成能源的巨大浪費，如果將夏季的乏汽余熱蓄存起來用于冬季供熱則可顯著增加電廠供熱能力。

       土壤蓄熱為此提供了有效途徑。但我國北方城市主要位于寒冷或嚴寒地區，由于冷熱負荷失衡，常年持續取熱容易引起土壤“冷堆積”造成熱泵制熱性能持續降低，甚至無法正常工作^[3]。國內外學者對此開展了大量的研究。通常采用太陽能-土壤源熱泵聯合運行的方式，采暖季以太陽能為輔助熱源來減少冬季土壤取熱量以調控土壤熱平衡，在非采暖季通過太陽能為土壤補熱^[4]。然而，太陽能能流密度低，太陽輻射強度受地理氣候等條件限制，且目前太陽能系統的熱利用效率僅為30～80%^[5]，但投資相對較高，經濟性相對較差^[6]。目前常見的土壤源熱泵系統通常采用電動壓縮式熱泵蓄取土壤熱量，由于土壤溫度通常不高于25℃，其制熱性能系數COPh一般僅能達到4左右，系統耗電量大，節能效果有限^[7]。因此，探尋能耗低、經濟性佳的土壤蓄取熱量方式對于提高系統供熱能效意義重大。

       本文通過熱網冬夏兩用，將現有集中供熱與土壤可再生能互補，構建了一種利用土壤跨季節蓄取電廠乏汽余熱的新型熱泵供熱系統。實現了電廠乏汽余熱回收與分布式土壤可再生能利用有機結合，顯著提升了熱源的供熱能力及系統供熱能效。本文擬將新系統與常規熱電聯產供熱系統、太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統的能耗作對比分析。

2 供熱系統介紹

       2.1 常規熱電聯產供熱系統

       該系統將抽汽引入汽-水換熱器，直接加熱熱網回水，供熱系統如圖1所示：

圖1 常規熱電聯產供熱系統

       2.2 太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統

       該系統以太陽能作為輔助熱源，冬季以電動壓縮式熱泵提取土壤蓄熱量供熱，可根據太陽能的使用情況在太陽能熱泵、太陽能-土壤源熱泵、土壤源熱泵三種工況下進行切換。若系統夏季有冷負荷，可為建筑制冷，并以建筑取熱量和太陽能為熱源，將熱量蓄存于土壤實現季節補熱。供熱系統流程如圖2所示：

圖2 太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統流程圖

       2.3 乏汽余熱-熱水吸收式土壤源熱泵供熱系統

       該系統冬季利用城市熱網將一次網高溫熱水送至熱力站驅動熱水型吸收式熱泵機組提取土壤蓄存的乏汽余熱供熱，熱網水經吸收式熱泵發生器、水水換熱器梯級降溫后返回電廠。夏季利用閑置的熱網，將土壤換熱后的低溫熱網回水引入電廠凝汽器回收汽輪機乏汽余熱，然后輸送并蓄存于土壤中，過剩的乏汽余熱量通過冷卻塔排放。供熱系統流程如圖3所示：

圖3 乏汽余熱-熱水吸收式土壤源熱泵供熱系統流程圖

       該系統最顯著的特點在于熱網的冬夏兩用以及跨季節蓄取電廠乏汽余熱。由此可帶來三大優勢：首先，實現了電廠乏汽余熱資源和分布式土壤可再生能資源的高效整合，大幅提高了冬季電廠的供熱能力。其次，充分利用高溫熱網水的可用能提取土壤蓄存熱量，明顯降低了系統的供熱能耗。再次，夏季利用乏汽余熱替代太陽能實現季節性補熱，明顯節省了供熱系統投資。此外，夏季室外濕球溫度較高，導致機組運行背壓偏高，本系統中土壤換熱器可充當輔助散熱冷端，有利于改善系統背壓，提高夏季機組發電量。

3 供熱系統對比分析

       為便于比較分析，以新系統供熱參數為基準計算供熱能耗，對太陽能-土壤源熱泵系統取相同的土壤蓄熱量，對常規熱電聯產系統取相同的抽汽供熱量。

       3.1 新系統能耗分析

       新系統以一臺300MW濕冷機組為例，供熱城市為哈爾濱，供熱系統主要設計參數如表1所示：

表1 供熱系統主要設計參數

       冬季熱網采用分階段質-量調節的方式，即供暖初、末期采用質調節，根據熱負荷，熱網最小流量取設計流量的50%^[8]，供暖中期采用量調節，一方面能保持高溫熱網水的做功能力，另一方面能降低熱網的輸配能耗。本文以單位供熱量影響和消耗的發電量，即供熱等效電來評價系統供熱能耗^[9]。冬季電廠由于抽汽供熱減少了機組發電量，應與系統輸配耗電量一起納入冬季供熱能耗。冬季系統供熱量及影響發電量情況如表2所示：

表2 冬季系統供熱量及影響發電量情況

       夏季需要將土壤提取的熱量重新蓄存于土壤中，為多回收汽輪機乏汽余熱，熱網采用質調節的方式運行，蓄熱期間熱網平均供回水溫差取15℃?？筛鶕傂顭崃亢兔啃r輸送的乏汽熱量得到蓄熱時間，如表3所示：

表3 蓄熱時間計算

       常規熱電廠夏季不回收乏汽余熱，通常機組背壓在7～12kPa運行，而新系統引入土壤換熱后的低溫回水回收機組乏汽余熱，機組仍可保持正常背壓5kPa運行，不影響正常發電，相當于增加了夏季機組的發電量。夏季系統影響發電量情況如表4所示：

表4 新系統夏季系統影響發電量情況

       從全年運行的角度看，系統夏季對發電量的改善也是因供熱產生，因此應納入到供熱能耗的計算中，新系統全年的供熱能耗及供熱量匯總如表5所示：

表5 新系統全年供熱能耗及供熱量匯總

       3.2 太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統能耗分析

       該系統根據熱負荷選擇供熱模式。文獻[10]以哈爾濱地區為例，冬季太陽能熱泵、太陽能-土壤源熱泵、土壤源熱泵三種供熱模式時間占比分別為48.26%、10.07%及41.67%時，能有效恢復土壤溫度場，且經濟性較佳。根據時間分配比例可得到不同供熱模式的供熱量，根據不同供熱模式下熱泵供熱性能系數及系統供熱性能系數可得到熱泵供熱量、熱泵耗電量及系統輸配耗電量。為便于比較分析，該系統的土壤蓄熱量仍為164.8萬GJ。冬季系統的供熱能耗計算如表6所示：  

表6 聯合供熱系統冬季供熱能耗匯總

       文獻[11]針對該系統十年的運行情況進行模擬，土壤換熱器進出口平均溫差冬季約為2℃左右，夏季約為4℃左右。若蓄熱量和取熱量相同，根據泵與風機的相似定律，功率比值與流量比值的立方呈正比，推知夏季輸配耗電量應為冬季的1/8。該系統全年的供熱能耗及供熱量匯總如表7所示：

表7 聯合供熱系統全年供熱能耗及供熱量匯總

       3.3 常規熱電聯產系統能耗分析

       仍以一臺300MW濕冷機組為例，系統供熱能耗匯及供熱量總如表8所示。

表8 常規熱電聯產系統全年供熱能耗及供熱量匯總

       3.4 供熱系統能耗及供熱量對比分析

       三種供熱系統全年供熱能耗及供熱量匯總如表9所示：

表9 全年供熱能耗及供熱量對比

       由表9可以看出，新系統供熱能耗最低，太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統與常規熱電聯產系統供熱能耗基本相當。其原因主要在于：對于太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統，采用電動壓縮式熱泵，其制熱性能系數通常只能達到4左右，折算為供熱等效電的值約為69.4kWh/GJ，基本與抽汽供熱等效電71.8 kWh/GJ相當，因此太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統與常規熱電聯產供熱系統能耗基本相當。而對于新系統而言，一方面因為熱水型吸收式熱泵制熱性能系數為1.7左右，折算為供熱等效電的值約為42.2 kWh/GJ，可見其供熱能耗明顯低于電動壓縮式熱泵，因此系統供熱能明顯降低。另一方面，夏季通過引入低溫熱網回水回收汽輪機乏汽余熱，改善了機組背壓，顯著增加了機組發電量，使得供熱能耗進一步降低。 

       從供熱量上來看，由于新系統回收電廠乏汽余熱供熱，其供熱能力明顯高于常規熱電聯產系統，而對于太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統，雖然從土壤提取的熱量與新系統相同，但以電力作為驅動力，受制熱性能系數影響，系統的供熱量較少。

4 結論

       本文提出的利用土壤跨季節蓄取電廠乏汽余熱的新型熱泵供熱系統實現了電廠乏汽余熱利用與分布式土壤可再生能的有機結合。新系統在供熱能效和供熱能力方面均具有顯著優勢，而太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統則與常規熱電聯產系統供熱能耗基本相當。與太陽能-土壤源熱泵聯合供熱系統相比，在相同土壤蓄熱量下，新系統降低系統供熱能耗37.6%，冬季增加供熱量1.4倍。此外，新系統夏季蓄熱期間增加發電2512.8萬kWh，為電廠乏汽余熱及分布式土壤可再生能的高效利用提供了有效途徑。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。