2019第十五届建筑节能学术论坛：高效电驱动热泵供热系统的评价指标与应避免的问题（36页）.pdf

1、高效电驱动热泵供热系统的评价指标 与应避免的问题 魏庆芃 副教授 2019年3月 推进电力供热健康发展推进电力供热健康发展 2 1.1 电力为建筑供热的正确打开方式：贴近终端，高效热泵 数据来源：中国建筑节能年度发展研究报告2019 全球：约10%能源用于各类建筑物冬季供暖； 我国：北方城镇建筑供暖每年消耗2亿吨标煤 （2017：2.01亿），并与“雾霾”形成有关； 增长：北方城镇供暖面积2000年以来增加1.8倍； 清洁供热：必然的选择，关键是怎么做 大规模市政集中供热： 燃煤热电联产、工业余热利用 效率高，清洁 市政热网难以到达的区域： 分散式燃煤锅炉，小煤炉灶 ：燃烧效率低，污染严重；

2、天然气锅炉供热：也与“雾霾”形成相关，而且对外 依存度超过40%； 太阳能、风能、地热能：备受关注，但受自然资源禀 赋限制； 电能 ：直接电热不合理（可再生能源发的电，也不应 浪费，能量高质低用总是浪费） 电力供热：从低品位热源中取热、实现高效供 热的热泵技术是正确选择 注：本文中热泵均指电驱动热泵 供暖能耗：总量大，随城镇化进程持续增长 本届节能周主题：未来城市能源与清洁供热 3 热泵原理：1份电+从低温热源搬运的多份热量 低温热源 高温热汇 T0 Tk HP P Q0 Qk P Qk COP= 例如： 建筑物 效率：投入产出比 1.2 热泵技术发展应用历史悠久 地源热泵应用面积：有限，效果

3、？ 4 实测项目供热面积340万m2 编号热源建筑功能 建筑面积 (m2) 末端形式 A中水住宅292,700地暖 B空气住宅3,000暖气片 C地埋管住宅43,000辐射天棚+新风 D 海水 (直连) 住宅+酒店260,000 酒店：FCU 住宅：地暖+部分暖气片 E地埋管学校18,500风机盘管 F地埋管学校32,769 教室：风机盘管+新风 大空间：全空气 G地埋管 办公 实验室 35,024风机盘管 H污水住宅40,000暖气片+地暖 I地埋管住宅27,236风机盘管 编号热源建筑功能 建筑面积 (m2) 末端形式 J地埋管住宅及辅助141,289风机盘管 K地埋管工厂202,000

4、空调箱 风机盘管 L 污水 (海水备用) 住宅、商业742,000暖气片 M 海水 (直连) 住宅、办公58,800- N地埋管门诊楼、病房67,688 大空间：全空气 其他：风机盘管+新风 O地埋管住宅及辅助112,153风机盘管 P地埋管商业-风机盘管 Q污水住宅、商业1,360,000风机盘管 R 海水 (间连) 办公8,138 风机盘管+新风 少量空调箱 1.3 对实际工程项目展开实测：运行工况，连续监测 5 1.3 对实际工程项目展开实测：运行工况，连续监测 1.4 不是用了“热泵”就是“节能”：应用效果难言“高效” 8 热泵机组运行性能偏低，大量系统能效不达标 水系统输送性能不佳：

5、输送系数低于40，泵耗电大 小区集中供热：庭院管网热损失较大 小区集中供热：水力失调，热力不平衡，过热损失存在 2 电驱动热泵供热应避免的问题 8 2.1 电驱动热泵供热系统应避免的问题 供热量过高 热损失大 庭院管网漏热 楼内管网漏热 存在过量供热 水力不平衡 楼间不平衡 楼内不平衡 室内过热 系统能效低 主机能效低 缺乏验收调适 维护不足 选型不当 控制不佳 输配电耗高 大流量小温差 水泵性能差 不合理阻力 过滤器脏堵 阀门动作不当 2.2 精确识别末端供热需求，避免过量供热 建筑体围护结构需要定期维护，减少需热量； 定期维护管网保温，避免庭院管网漏热损失； 定期调节管网平衡，避免水力失调

6、和热力失调； 根据供暖需求调节供水温度，避免过量供热； 9 2.2.1 建筑体围护结构需要定期维护，减少耗热量 对于老旧建筑由于建筑材料及保温技术落后导致 维护结构热性能不佳的情况，需要通过围护结构 保温改造提升保温性能，减少冬季耗热量。 如果建筑物保温性能不佳，供热末端不能自主调 节，电力供热必然成本高、效果差； 窗框存在热桥导致围护结构漏热 半地下室外窗漏热情况 用户存在开窗行为 10 11 2.2.2 定期维护管网保温，避免庭院管网漏热损失 庭院管网过大、保温维护不佳，导致漏热损失偏 大，20%的热量白白耗散在输配管网上； 电力供热：电热转换设备越靠近终端用户，损失 越小，应将管网热损失

7、减到最小 4# 1# 机房 11#10#9# 13#5# 3#2# 16# 12# 15#14# 创业 大厦 21#20#19#18#17#8#7#6# 1#支路 2#支路 2.2.3 定期调节管网平衡：如何避免水力失调和热力失调 12 对于不同支路，随着支路所带末端数量的增加，水力 失调现象会更加严重； 对于同一支路，随着干管距离的增长，水力失调现象 会更加严重 同理电力供热：电热转换设备应尽量靠近终端用户， 避免失调导致过量供热损失 4# 1# 机房 11#10#9# 13#5# 3#2# 16# 12# 15#14# 创业 大厦 21#20#19#18#17#8#7#6# 1#支路 2#

8、支路 各楼平均温差（调适前） 2.2.4 根据需求调节供水温度，避免过量供热 13 供水温度不仅对热泵机组能效有所影响，还对建筑物耗热量有较大影响； 特别是室外温度较高时，供水温度偏高，末端缺乏调节，室内会严重过量供热； 如果用热泵供热：一定要尽量降低供水温度（欧洲称为Low-Temperature Heating），并根据实际供热 需求进行调整，一是能避免末端过量供热，二是能提升热泵性能； 某热泵供热系统不同住户室温测试 某住户辐射地板红外图 2.3 热泵机组实际运行性能普遍偏低，水泵输配电耗高 14 大多数机组实际运行工况下实测的能效比，折算到额定工况：均低于设备标称的额定值 热泵供热系统

9、在低温热源侧和用户侧至少各有一个水泵（空气源热泵是风机），输配电耗不 能忽略，也是非常大的耗电量 2.3 热泵供热真的节能么：折算一次能源，部分项目节能量很小 15 今天不详细讨论提升热泵机组能效比和水泵效率的问题 按全国火力发电平均供电煤耗0.310kgce/kWh计算，如果热泵供热系统供出一份热量的消耗大于 0.440份电量（1kgce热值按29.3MJ计算，燃煤锅炉效率90%），那么热泵供热并不节能 单位制热量系统各环节电耗（kWh电/kWh热） 节能量 更浪费能源 2.4 小结：如果采用热泵供热，需因地制宜，选取合适低温热源 16 对于热泵系统，其关键在于寻找低温热源 热泵类型优点不足

10、 空气源热泵 体积小、安装灵活、输配损失少（王建民，2012） 特别适合于广大农村（江亿，2016） 受室外温度影响大（王建民，2012），除霜（张楠， 2010） 海水源热泵 海水温度较空气高；水温波动小，机组运行稳定； 腐蚀性；脏堵；取水点深度不够，水温低；受可利用条件 限制（吴丹，2012） 污水源热泵 污水温度较高；节能环保、综合利用；（江亿， 2005） 受可利用条件限制 土壤源热泵 地下水式 土壤温度全年基本稳定，冬季地下水温高 系统性能受地下水水量、水温以及供水稳定性影响较大 （张静波，2011） 地埋管式 不会对地下水系统造成影响，机组运行更加稳定；地埋管深度较浅，热源温度不高

11、（Zhijian Liu，2015） 常规热泵系统，热源受气候条件、地理环境影响； 为了获得更加高温、更稳定的低温热源，最直接的方法：增加取热点深度 中深层地热 3 中深层地热源热泵供热系统： 地热能持续高效广泛利用的方式 18 3.1 地热能：清洁能源，应用前景好 中深层、深层地热资源丰富，热量来自于地心放射性元素衰变； 以往对于该热量的利用，主要集中在发电的应用，全球发电能力总量达到14369MW，我国仅为27.9MW； 初期投资高、发电效率低，应用效果不佳； 我国北方地区，深度在1.53km，岩层温度60120的热源尚未充分利用：温度不足以发电，但供热应 用具有可行性； 常用地热发电技术

12、 我国地热资源分布情况 19 3.2 水热型地热能供暖直接利用：与资源禀赋有关 水热型地热能 水热型地热资源一般是指4000m以浅、温度大于25的热水 和蒸汽，可用于供暖、旅游疗养、种植养殖、发电和工业利 用等方面。 据国土资源部2015年发布数据，4000米以浅水热型地热资 源量折合标煤12500亿吨，年可采资源量折合标煤18.7亿吨。 形成了以天津、河北为代表的地热供暖，以北京、东南沿海 为代表的温泉旅游与疗养等水热型地热资源直接利用方式。 到2017年底，全国水热型地热供暖面积达到1.5亿平方米； 受资源禀赋限制，同时存在诸多环境问题 20 3.3 思路：用间壁式换热的方法，提取中深层地

13、热能，用于供暖 地温梯度普遍存在：不同地点不同，通常为13K/百米垂直深度，在地下23km处岩层温度70120 通过钻机向地下20004000米深处岩层钻孔，固井； 在钻孔中安装封闭的金属套管（石油套管）换热器； 换热器外壁与岩层换热（间壁换热），将地下深处的热能取出； 通过地面热泵机组、输配系统等，向建筑物供热。 热泵 机组 绝热内管 石油套管 地下金属换热器结构示意 固井材料 密闭换热器，与岩层“换热 不碰水”，对环境无干扰 21 3.4 从实践出发：勇于实践，同时开展深入研究 2012年以来，我国陕西工程科技工作者在国内（国际）率先建成并运行多个该技术示范项目 截至2017年底：正在实现

14、供热运行的项目23个，供暖面积近400万平方米；设计供暖项目36个，计 划打取热孔339口，供暖面积607万平方米； 需通过实测数据，客观评价系统运行性能 需建立合理的评价指标体系，指导系统高效运行 需建立理论分析架构，指导进一步研发 以工程实际问题出发，通过现场实测、长期监测、理论分析以及模拟计算，对中深层地热 源清洁供热技术进行深入研究，不断完善 22 项目名称ABCDE 建筑功能住宅住宅住宅住宅住宅 实际供暖面积 6000 18700 38000 1334007560 末端形式辐射地板 装机功率 kW1040 1986 2600 56802160 取热孔深度 m200020002000

15、25002000 取热孔个数（使用/已有）1/23/35/58/83/3 连续监测时长2周2周2个供暖季2个供暖季2周 3.5 持续对多个项目进行实测研究 23 3.6 热源侧取热量大，但项目之间偏差较大 ABCDE 地埋管深度（m）20002000200025002000 单孔日平均取热量（kW）258158288271122 单孔日连续取热量（GJ）22.313.724.923.410.5 得益于高温的热源，单孔取热量高；1根取热孔（2000m）取热量相当于3070根浅层地埋管 （100m）取热量，节省大量占地面积； 项目D单孔供暖季取热量达到了2066GJ，结合热泵机组，可承担1.2万的

16、居住建筑供暖需求。 24 3.7 系统实际运行性能良好，仍然存在较大的提升空间 项目名称ABCDE 热源侧供水温度（）27.129.820.034.723.3 热泵机组COP5.644.714.354.825.70 热源侧输送系数32.456.646.125.026.1 热源COP4.804.354.014.074.64 用户侧输送系数18.513.539.517.325.7 系统COP3.813.283.613.663.51 得益于高温的热源，中深层地热源热泵供热系统机组COP接近6，热源能效在4.04.8之间，远高于常规供热系统； 热泵COP、两侧水系统输送系数仍然存在很大提升空间，理论C

17、OP达到12以上，实际COP应该到7； 对于同一个供暖技术，在系统设计、施工、运维、管理水平不同的情况下，系统运行性能也会存在一定差别； 4 适用于高温热源的高效永磁同步变频离心热泵 4.1 格力电器专门设计的高效永磁同步变频离心热泵 26 正常工况中间工况严寒工况极端工况 制热量kW338430504500 COP/9.457.014.764.5 功率kW35.861.3105111 用户侧供水温度38.041.045.050.0 采用格力永磁同步变频离心式热泵机组，额定制热量500kW； 机组多工况性能设计，在非严寒期以保证热泵高效运行为目的，在严寒期以提升供热 量为目的，保证供暖季高效运

18、行； 27 4.2 现场机组实际出热量大于额定值（500kW） 该系统于1月29号投入使用，运行期间热源侧水温高，末端用热需求大，机组实际出力大于额定值； 400 500 600 700 800 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 供热量（kW） 时间 新系统供热量监测 用户侧供热量热源侧取热量 额定制热量 500kW 10 20 30 40 50 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 水温（） 时间 新机组运行水温 用户侧供水温度用户侧回水温度蒸发侧进水温度蒸发侧出水温度 28 4.3 热泵机组在半个采暖季的平均COP

19、达到7.71 供热量 62.9 万kWh 热泵机组 8.2 万kWh 热源侧水泵 0.64 万kWh 用户侧水泵 1.10 万kWh COP：7.71WTFs：97.6 热源COP：7.15WTFl：57.2 系统COP：6.35 该系统于1/29投入使用，运行期间热源侧水温高，末端用热需求大，机组实际出力大于额定值； 截止3/15号，热泵机组平均COP达到7.71，热源侧平均COP达到7.15，系统COP达到6.35； 400 500 600 700 800 1/302/42/92/142/192/243/13/63/113/16 供热量（kW） 时间 新系统供热量监测 用户侧供热量热源侧取

20、热量 额定制热量 500kW 4.4 严寒期典型日系统供热情况 时段：2019/2/19，平均室外气温：1.2 ，小雪； 新机组超负荷运行，供热量稳定，平均供热量707kW，实际供热面积1.5万，折合单位面积指标 47.1W/； 29 10 20 30 40 50 0:006:0012:0018:000:00 水温（） 时间 2/19 典型日供回水温度 用户侧供水用户侧回水蒸发器进水蒸发器出水 500 550 600 650 700 750 0:006:0012:0018:000:00 供热量（kW） 时间 2/19 典型日供热量 用户侧供热量热源侧取热量 4.4 严寒期典型日系统运行性能 3

21、0 供热量 1.70 万kWh 热泵机组 0.26 万kWh 热源侧水泵 0.02 万kWh 用户侧水泵 0.03 万kWh COP：6.53WTFs：88.3 热源COP：6.08WTFl：58.9 系统COP：5.51 新机组超负荷运行，用户侧供热量大，供水温度要求高（44）； 热源侧取热量较大，使得系统运行性能下降；热泵平均COP为6.53，系统平均COP为5.51； 4.5 末寒期典型日系统供热情况 时段：2019/3/9，平均室外气温：9.8 ； 新机组超负荷运行，供热量稳定，平均供热量500kW，实际供热面积1.5万，折合单位面积指标 33.3W/； 31 10 20 30 40

22、50 0:006:0012:0018:000:00 水温（） 时间 3/9 典型日供回水温度 用户侧供水用户侧回水蒸发器进水蒸发器出水 400 450 500 550 600 0:006:0012:0018:000:00 供热量（kW） 时间 3/9 典型日供热量 用户侧供热量热源侧取热量 4.5 末寒期典型日系统运行性能 32 供热量 1.20 万kWh 热泵机组 0.13 万kWh 热源侧水泵 0.01 万kWh 用户侧水泵 0.02 万kWh COP：9.53WTFs：129.4 热源COP：8.88WTFl：57.9 系统COP：7.70 供暖末期，系统供热量降至500kW，用户侧供水

23、温度下调，热源侧取热量降低； 热泵平均COP、系统平均COP分别提升至9.53、7.70，高效运行性能； 33 总结：指标与约束值，指向问题（适用于各种电力供热系统） 能源费用能耗量 供应量能效热量成本 碳排放 需求的识别与匹配 峰谷电价的利用 控制目标 终端成本 约束手段 供热量 总电耗 kW热/kW电 总能耗量 碳排放因子 建筑面积 kgCO2/(m2a) 供热量 建筑面积 kWh热/(m2a) 总能源费 总供热量 元/kWh热 总能耗 建筑面积 kWh电/(m2a) 总能源费 建筑面积 元/(m2a) 热源能效 制热量 热源能耗 kW热/ kW电 热水输送能效 制热量 热水泵能耗 kW热

24、/ kW电 热泵能效热源水输送能效 制热量 热源水泵能耗 kW热/ kW电 制热量 热泵能耗 kW热/ kW电 能量转换与输配效率提升 性能指标 一次能源 消耗量 总能耗量 一次能源转换系数 建筑面积 kgce/(m2a) 需热量热损失 需热量 建筑面积 kWh热/(m2a) 漏热量+过量供热 建筑面积 kWh热/(m2a) 34 总结：电力供热应贴近终端，高效热泵（适用于各种电力供热系统） 电能源费 成本服务 需求的识别与匹配能量转换与输配效率提升谷电价的利用 压缩机 热源 热源泵 负荷水泵 管网热量损失 用户需热量 过量供热损失 末 端 热源 热源泵压缩机 节流阀 热泵主机热源取热系统 热水泵 集 水 器 分 水 器 热水输配系统 末 端 蒸 发 器 冷 凝 器 因地制宜，选取合适热源，推进热泵供热健康发展 34 突出问题 管网散热、水力失调 解决方案 控制规模，减小庭院管网 分布式系统 主机分散，热源集中/分散 突出问题 施工质量，设备性能与匹配 解决方案 系统整体设计与制造、验收与调适 工厂预制、模块化 全过程管理与多工况调适 突出问题 高温热源不易获得 解决方案 中深层地热利用与开发 高效系统形式与调控策略研究 降低建造成本，提升运行性能 谢谢大家 高效电驱动热泵供热系统的评价指标 与应避免的问题 魏庆芃 副教授 2019年3月