燕山大學(xué)      李文濤   李    巖
清華大學(xué)      付    林

摘   要：本文提出一種將熱電聯(lián)產(chǎn)乏汽余熱回收與分布式土壤可再生能利用有機(jī)結(jié)合的新型熱泵供熱系統(tǒng)，通過熱網(wǎng)冬夏兩用，跨季節(jié)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(tǒng)熱源以一臺300MW機(jī)組為例，與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，新系統(tǒng)供熱能耗最低，太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)與常規(guī)熱電聯(lián)熱系統(tǒng)能耗基本相當(dāng)。新系統(tǒng)蓄熱期間可降低發(fā)電影響2512.8萬kW·h，在相同土壤蓄熱量下，相比于太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，整個采暖季新系統(tǒng)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(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；乏汽余熱回收；土壤跨季節(jié)蓄熱；熱水型吸收式熱泵；能耗分析

1   背景
“十三五”期間發(fā)展清潔供熱、治理城市霧霾得到重點關(guān)注，北方各城市正積極探尋電廠乏汽余熱及淺層地?zé)崮艿母咝Ю梅绞健ｋS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(lián)產(chǎn)是北方城市最主要的熱源形式，以目前的裝機(jī)容量，三北地區(qū)每年產(chǎn)生的乏汽余熱量達(dá)到約4萬億kW·h[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(guān)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(yán)寒地區(qū)，由于冷熱負(fù)荷失衡，常年持續(xù)取熱容易引起土壤“冷堆積”造成熱泵制熱性能持續(xù)降低，甚至無法正常工作[3]。國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究。通常采用太陽能-土壤源熱泵聯(lián)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(diào)控土壤熱平衡，在非采暖季通過太陽能為土壤補(bǔ)熱[4]。然而，太陽能能流密度低，太陽輻射強(qiáng)度受地理氣候等條件限制，且目前太陽能系統(tǒng)的熱利用效率僅為30~80%[5]，但投資相對較高，經(jīng)濟(jì)性相對較差[6]。目前常見的土壤源熱泵系統(tǒng)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(shù)COPh一般僅能達(dá)到4左右，系統(tǒng)耗電量大，節(jié)能效果有限[7]。因此，探尋能耗低、經(jīng)濟(jì)性佳的土壤蓄取熱量方式對于提高系統(tǒng)供熱能效意義重大。

本文通過熱網(wǎng)冬夏兩用，將現(xiàn)有集中供熱與土壤可再生能互補(bǔ)，構(gòu)建了一種利用土壤跨季節(jié)蓄取電廠乏汽余熱的新型熱泵供熱系統(tǒng)。實現(xiàn)了電廠乏汽余熱回收與分布式土壤可再生能利用有機(jī)結(jié)合，顯著提升了熱源的供熱能力及系統(tǒng)供熱能效。本文擬將新系統(tǒng)與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)、太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)的能耗作對比分析。

2   供熱系統(tǒng)介紹

2.1   常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)將抽汽引入汽-水換熱器，直接加熱熱網(wǎng)回水，供熱系統(tǒng)如圖1所示。

1–冷卻塔；2–汽輪機(jī)組；3–凝汽器；4–汽-水換熱器

圖1   常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)

2.2   太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)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(jù)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(jìn)行切換。若系統(tǒng)夏季有冷負(fù)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(xiàn)季節(jié)補(bǔ)熱。供熱系統(tǒng)流程如圖2所示。

1–太陽能集熱器；2–蓄熱水箱；3、6–分-集水器；4–電動壓縮式熱泵；5–土壤換熱器

圖2   太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程圖

2.3   乏汽余熱-熱水吸收式土壤源熱泵供熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)冬季利用城市熱網(wǎng)將一次網(wǎng)高溫?zé)崴椭翢崃φ掘?qū)動熱水型吸收式熱泵機(jī)組提取土壤蓄存的乏汽余熱供熱，熱網(wǎng)水經(jīng)吸收式熱泵發(fā)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(wǎng)，將土壤換熱后的低溫?zé)峋W(wǎng)回水引入電廠凝汽器回收汽輪機(jī)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(tǒng)流程如圖3所示。

1–冷卻塔；2–汽輪機(jī)組；3–水-水換熱器；4–凝汽器；5–熱網(wǎng)循環(huán)泵；6–汽-水換熱器；7–熱水型吸收式熱泵機(jī)組；8–土壤循環(huán)泵；9–土壤換熱器

圖3   乏汽余熱-熱水吸收式土壤源熱泵供熱系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)最顯著的特點在于熱網(wǎng)的冬夏兩用以及跨季節(jié)蓄取電廠乏汽余熱。由此可帶來三大優(yōu)勢：首先，實現(xiàn)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?zé)峋W(wǎng)水的可用能提取土壤蓄存熱量，明顯降低了系統(tǒng)的供熱能耗。再次，夏季利用乏汽余熱替代太陽能實現(xiàn)季節(jié)性補(bǔ)熱，明顯節(jié)省了供熱系統(tǒng)投資。此外，夏季室外濕球溫度較高，導(dǎo)致機(jī)組運行背壓偏高，本系統(tǒng)中土壤換熱器可充當(dāng)輔助散熱冷端，有利于改善系統(tǒng)背壓，提高夏季機(jī)組發(fā)電量。

3   供熱系統(tǒng)對比分析

為便于比較分析，以新系統(tǒng)供熱參數(shù)為基準(zhǔn)計算供熱能耗，對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)取相同的土壤蓄熱量，對常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)取相同的抽汽供熱量。

3.1   新系統(tǒng)能耗分析

新系統(tǒng)以一臺300MW濕冷機(jī)組為例，供熱城市為哈爾濱，供熱系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1   供熱系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

冬季熱網(wǎng)采用分階段質(zhì)-量調(diào)節(jié)的方式，即供暖初、末期采用質(zhì)調(diào)節(jié)，根據(jù)熱負(fù)荷，熱網(wǎng)最小流量取設(shè)計流量的50%[8]，供暖中期采用量調(diào)節(jié)，一方面能保持高溫?zé)峋W(wǎng)水的做功能力，另一方面能降低熱網(wǎng)的輸配能耗。本文以單位供熱量影響和消耗的發(fā)電量，即供熱等效電來評價系統(tǒng)供熱能耗[9]。冬季電廠由于抽汽供熱減少了機(jī)組發(fā)電量，應(yīng)與系統(tǒng)輸配耗電量一起納入冬季供熱能耗。冬季系統(tǒng)供熱量及影響發(fā)電量情況如表2所示：

表2   冬季系統(tǒng)供熱量及影響發(fā)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(jī)乏汽余熱，熱網(wǎng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)的方式運行，蓄熱期間熱網(wǎng)平均供回水溫差取15℃。可根據(jù)總蓄熱量和每小時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(guī)熱電廠夏季不回收乏汽余熱，通常機(jī)組背壓在7~12kPa運行，而新系統(tǒng)引入土壤換熱后的低溫回水回收機(jī)組乏汽余熱，機(jī)組仍可保持正常背壓5kPa運行，不影響正常發(fā)電，相當(dāng)于增加了夏季機(jī)組的發(fā)電量。夏季系統(tǒng)影響發(fā)電量情況如表4所示：

表4   新系統(tǒng)夏季系統(tǒng)影響發(fā)電量情況

從全年運行的角度看，系統(tǒng)夏季對發(fā)電量的改善也是因供熱產(chǎn)生，因此應(yīng)納入到供熱能耗的計算中，新系統(tǒng)全年的供熱能耗及供熱量匯總?cè)绫?所示：

表5   新系統(tǒng)全年供熱能耗及供熱量匯總

3.2   太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)能耗分析

該系統(tǒng)根據(jù)熱負(fù)荷選擇供熱模式。文獻(xiàn)[10]以哈爾濱地區(qū)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(fù)土壤溫度場，且經(jīng)濟(jì)性較佳。根據(jù)時間分配比例可得到不同供熱模式的供熱量，根據(jù)不同供熱模式下熱泵供熱性能系數(shù)及系統(tǒng)供熱性能系數(shù)可得到熱泵供熱量、熱泵耗電量及系統(tǒng)輸配耗電量。為便于比較分析，該系統(tǒng)的土壤蓄熱量仍為164.8萬GJ。冬季系統(tǒng)的供熱能耗計算如表6所示：

表6   聯(lián)合供熱系統(tǒng)冬季供熱能耗匯總

文獻(xiàn)[11]針對該系統(tǒng)十年的運行情況進(jìn)行模擬，土壤換熱器進(jìn)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(jù)泵與風(fēng)機(jī)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(yīng)為冬季的1/8。該系統(tǒng)全年的供熱能耗及供熱量匯總?cè)绫?所示：

表7   聯(lián)合供熱系統(tǒng)全年供熱能耗及供熱量匯總

3.3   常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能耗分析

仍以一臺300MW濕冷機(jī)組為例，系統(tǒng)供熱能耗匯及供熱量總?cè)绫?所示。

表8   常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)全年供熱能耗及供熱量匯總

3.4   供熱系統(tǒng)能耗及供熱量對比分析

三種供熱系統(tǒng)全年供熱能耗及供熱量匯總?cè)绫?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(tǒng)供熱能耗最低，太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供熱能耗基本相當(dāng)。其原因主要在于：對于太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，采用電動壓縮式熱泵，其制熱性能系數(shù)通常只能達(dá)到4左右，折算為供熱等效電的值約為69.4kW·h/GJ，基本與抽汽供熱等效電71.8kW·h/GJ相當(dāng)，因此太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)能耗基本相當(dāng)。而對于新系統(tǒng)而言，一方面因為熱水型吸收式熱泵制熱性能系數(shù)為1.7左右，折算為供熱等效電的值約為42.2kW·h/GJ，可見其供熱能耗明顯低于電動壓縮式熱泵，因此系統(tǒng)供熱能明顯降低。另一方面，夏季通過引入低溫?zé)峋W(wǎng)回水回收汽輪機(jī)乏汽余熱，改善了機(jī)組背壓，顯著增加了機(jī)組發(fā)電量，使得供熱能耗進(jìn)一步降低。

從供熱量上來看，由于新系統(tǒng)回收電廠乏汽余熱供熱，其供熱能力明顯高于常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，而對于太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)，雖然從土壤提取的熱量與新系統(tǒng)相同，但以電力作為驅(qū)動力，受制熱性能系數(shù)影響，系統(tǒng)的供熱量較少。

4   結(jié)論

本文提出的利用土壤跨季節(jié)蓄取電廠乏汽余熱的新型熱泵供熱系統(tǒng)實現(xiàn)了電廠乏汽余熱利用與分布式土壤可再生能的有機(jī)結(jié)合。新系統(tǒng)在供熱能效和供熱能力方面均具有顯著優(yōu)勢，而太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)則與常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供熱能耗基本相當(dāng)。與太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)相比，在相同土壤蓄熱量下，新系統(tǒng)降低系統(tǒng)供熱能耗37.6%，冬季增加供熱量1.4倍。此外，新系統(tǒng)夏季蓄熱期間增加發(fā)電2512.8萬kW·h，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。

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備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2019年7月刊總第23期。
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