多级热泵耦合应用清洁能源供热实例分析
多级热泵耦合应用清洁能源供热实例分析
李强
（中煤水文局集团（天津）工程技术研究院有限公司，天津300131）
摘要：针对天津地区愈发突出的地面沉降问题，天津环城四区开展了大规模的地热井集中关停，由此所带来的供热缺口和隐患随之产生。结合区域资源属性，大部分供热缺口区域采用了电驱动空气源热泵模式来解决问题。但随着几个采暖季的运行，针对北方极寒地区，空气源热泵应用所产生的一系列问题集中爆发。在极寒天气下，空气源热泵工作效率低，甚至停机所引发的供热矛盾愈发激烈。为了解决某小区冬季采暖问题，提出了多级热泵耦合应用的方案，通过该技术成功应用了清洁能源供热，提高了供热保障度，提升了设备能效比，最终实现高效、经济、稳定、安全的供热效果。0引言
针对天津地区愈发突出的地面沉降问题，天津环城四区开展了大规模的地热井集中关停，由此所带来的供热缺口和隐患随之产生。结合区域资源属性，大部分供热缺口区域采用了电驱动空气源热泵模式来解决问题。
空气源热泵是一种利用高位能使热量从低位热源空气流向高位热源的装置。其工作实质是采用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输对外供热。
关键词：多级热泵；耦合；COP能效比；清洁能源
图1空气源热泵基本原理图
空气源热泵具有使用便捷，运行稳定的特点，但因其低温热源来自于室外空气，因此其工作状态受室外天气影响较大。尤其在北方极寒地区，在深冷季期间，用户供热需求激增，空气源热泵制热量难以满足要求，极易造成供热不达标，用户投诉及其他严重社会问题。
本文针对某小区地热井关停后，如何解决冬季采暖问题展开。通过分析多级热泵耦合模式下供热工况及运行方案，讨论如何实现和保障用户在极寒天气下供热问题，从而探索性地提出更加合理的解决方案。
1项目基本情况
1.1项目现状
本项目为既有居民住宅项目，项目位于天津市环城四区，周边紧邻天津市外环线。原有供热方式为地热井水直供模式，地热井取水段为古近系馆陶组热储
层，其层段为1145.70--1389.00mo水量90.00m3/h，水温56.0C，水位埋深56m。地热井关停后，周边
无其他市政供热资源满足区域供热需求。按照政府要求，考虑采用电能作为清洁能源改造主要方式。考虑到区域室外冬季天气寒冷，对比天津市已建成空气源热泵案例，不采用单独空气源热泵供热模式，拟采用多级热泵耦合应用方案。1.2负荷统计
项目小区内共有建筑物13栋，均为高层建筑，建筑高度约40米，总计供热面积约8万平米。
参照天津市及国家相关规范，考虑项目所在地实际情况，选取供热热指标为40W/m2o经计算，项目总计热负荷约为3.2MW。
表1建筑物采暖热指标推荐表
序号建筑物类型
采暖热指标（W/m2）
未采取节能措施采取节能措施1住宅58〜6440〜45 2居住区综合60〜6745〜55 3学校、办公60〜8050〜70 4医院、托幼65〜8055〜70 5旅馆60〜7050〜60 6商店65〜8055〜70 7食堂、餐厅115〜140100〜130 8影剧院、展览馆95〜11580〜105 9大礼堂、体育馆116〜165100〜150注：①表中数值适用于我国东北、华北、西北地区;
②热指标中已包括5%的管网热损失。
2技术方案
2.1基本思路
项目拟采用多级热泵耦合技术，即结合供热负荷情况，分别配置空气源热泵及水源热泵机组，将两种不同类型热泵以串联模式进行组合，空气源热泵将低温水源提升至30°C，而后由水源热泵继续提温至65-75°C，实现对外供热。此时两级热泵都工作在COP 能效比最高的阶段，不仅有效保障了对外供热，还有效地提升了设备综合能效比。
此外，本套系统还考虑了智能化运行模式，并采用模块化系统配置，在满足用户供热负荷的基础上，进一步压缩了热源站占地空间。本套系统建成后，将电能高效转化为热能，不产生任何碳排放和环保问题，可以保证在-20°C以下温度稳定高效运行。最终实现项目建设三大目标，即100%应用清洁能源供热，高效节能的能源供应模式及对用户安全可靠的供热2.2系统配置
（1）采用智能化多能互补集中供暖模式，为节约能源，降低配电规模和供暖占地规模，综合平衡建设投资费用和供暖运行成本，项目设计采用以自然水体储热能蓄热供暖为平台，搭载空气源、水源热泵等建立多能互补供暖系统。
（2）考虑到用户对供暖在生活中的需求比例有所不同，为进一步降低用户的供暖支出，集中供暖系统
设计采用分户计量供暖模式。分户计量供暖可最大限度减少用户供暖支出，节省用户能耗的同时，同样有效降低系统供暖率。
（3）设计采用分布式热源站模式，拟建立多组模块式热源站供暖，每组模块供暖面积预估约20000m2 o
（4）供热模块单元系统配置清单：（供14000平米面积）
保障。
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表2单模块系统基本配置表
设备名称功能台/套数控制模式热泵系统（空气源+水源热泵机组）降低用电规模，节能4主控制器综合控制柜制热模式转换控制1
主控制器复合节能控制技术1PLC
温度隔离储热能转换工作能1温控器
空间隔离水体隔离，分区供暖16温控器（5）结合模块化配置方案，本项目供热面积约热负荷约560kW计算，需配置6个模块化系统，最8万平米，按照单个供热系统满足1.4万平米，即供终满足供热需求3.2MWo其基本配置参数如下：
表3供热模块系统配置参数表
双级热泵结构输入功率
kw
制热量
kw
水温供暖面积
m2
1#机组104.4344.6-
2#机组74.3215.46514000
1£
輕能热泵
IIIO
水源热泵
1~11~1
嚴隔离系统
F]
图2能源站系统原理图
2.3投资分析
结合两级热泵基本配置要求，粗略选型后进行组合，按照每个模块满足供热面积约1.4万平米考虑，单个模块工程造价约为120万元，8万平米所需6个模块总投资约在720万元。
2.4经济性分析
（1）单位运行成本：按目前的峰谷电价计算单位供暖成本约为18元/平米。
（2）单位利润：按天津市25元/研供暖费计算，每平米净利润约为7元。
（3）投资回收期：按照与地方政府协商，考虑 每平米给予补贴50元，即补贴总额为400万元。其余投资由运行利润回收，经计算项目投资回收期约为6年。项目完全可行。
3实施后与其他供热模式经济对比
项目实施后供热情况良好，并未产生供热中断等不良事故。通过运行数据收集整理，
与同类型其他供
热模式进行经济对比，具体数据如下：
表4多级热泵耦合技术与其他供热模式经济对比表
项目空气源热泵蓄热式电锅炉水源热泵多级热泵耦合单位面积投资额（元/Itf）508020090能效比（COP值）20.943占地面积大适中小适中
施工难度小中等较大小
单位面积配电量（w/itf）20351512电力增容大极大小小
运行稳定一般较稳定稳定稳定
使用寿命中等短中等长运行环境要求-15"C以上无无-30"C以上是否结霜经常无无极少
是否电辅热需要-偶尔无
运行成本偏高偏高较低适中
通过研究、对比，最终我们不难发现，多级热泵耦合技术经济优势明显，建设难度小于其余几个供热模式，未来发展前景广阔。
4结论供暖投诉
通过多级热泵耦合技术的应用，成功弥补了天津环城四区部分地热井关停后供热的空白。该技术一方面解决了如何优质高效使用电能作为清洁能源供热的问题，同时也有效地规避了单一空气源热泵无法保障北方极寒地区冬季采暖需求的问题。但也应该看到，新技术的应用仍存在一定的难点，如：在政府无法给予建设补贴时，建设成本如何覆盖，项目建设投资回收期过长，经济性难以保障；项目中无峰谷电价时，运行成本将会大幅度上涨，影响项目可行性等。总之，多级热泵耦合技术作为电能供热新方向，未来将会进一步丰富供热技术应用的市场，为更好解决冬季清洁供热，实现碳中和发挥更大的作用。
参考文献
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