热泵系统对大管网建设的优化分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 26 日 作者简介：路翔（1996），男，汉族，河南新乡人，硕士研究生学历，郑州市热力集团有限公司职工，从事工作为供热部门。-13-热泵系统对大管网建设的优化分析 路 翔 郑州热力集团有限公司，河南 郑州 450000 摘要：摘要：在全国供暖行业倡导低碳、零碳供热的背景下，热泵系统的利用成为一项重要举措。随着郑州热力“一城一网”供热系统的建立，热泵系统对大管网的建设能够起到一定的优化作用。本文从局部到整体，阐述了三种应用热泵系统的方式：热泵系统基站点优化方案、大型热泵系统单独提供热源以及模块化热泵机组区域供热。不仅能够促进能源利用的多元化，有效应对爆管等突发状况，提升大管网稳定性，还可以填补市政主管网无法敷设到的空白区域，进一步完善“多能互补，绿色高效”的热源体系，助力郑州市集中供暖事业高质量发展。关键词：关键词：低碳供热；零碳供热；热泵系统；热泵系统基站点；大管网建设 中图分类号：中图分类号：TK01+8 双碳战略背景下，能源领域正在发生革命性变化，尤其是能源转换链条将由“燃料产热、用热发电”变为“绿电生产、由电制热”，终端用能电气化态势显著1。在“碳中和”目标下，供热作为重要的终端能源消费领域，也正加快低碳转型的步伐2。郑州热力集团“十四五”规划明确提出：供热热源多样化发展，低碳、零碳供热未来供热行业的发展趋势，在“十四五”期末，要实现低碳、零碳供热热源在郑州热力的热源结构中占比达到 6.5%的发展目标。目前，郑州热力“一城一网”供热系统已经建立，实现了郑州市主城区供热“1+N”格局（即一个大管网，N 个热源），能够充分发挥统筹调度的优势，合理利用各类热源。此外引热入郑项目工程推进完善，打造热电联产为主导、燃气区域锅炉为调峰的供热模式，实现了无燃煤供热，“多能互补，绿色高效”的热源体系初步建立。热泵作为一种可再生能源利用装置，一种补充热源，是电制热的最有效方式3，能够为稳定管网运行，优化供热结构，提升供热质量，实现供热领域碳中和目标提供更为可靠的路径选择。1 热泵系统的运行原理与分类 1.1 热泵系统的运行原理 热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，热泵的功能与泵类似，可以把不能直接利用的低位热能（如土壤、水、空气中所含的热量）转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能（如煤、燃气、油、电能等）的目的4。热量可以自发地从高温物体传递到低温物体中去，但不能自发地沿相反方向进行。热泵系统的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的5。热泵系统主要由压缩机、膨胀阀、蒸发器与冷凝器组成，以空气源热泵为例，从低品位的空气中吸取能量，并以低温低压气体的形式进入压缩机，被压缩机压缩成高温高压蒸汽后再进入冷凝器。同时，冷凝器一侧的循环水将蒸汽的热量带走对外提供能量。制冷剂在经过等温膨胀、绝热压缩等一系列过程后以液体的形式进入膨胀阀，经过节流降压后再次流入蒸发器吸热，如此往复循环。1.2 热泵系统的分类 按照热泵机组驱动方式的不同，热泵分为电驱动热泵、燃气驱动式热泵和吸收式热泵。按照热源种类可分为空气源热泵、水源热泵和地源热泵等。空气源热泵是以空气为热源的热泵，优势明显，如安置比较自由、不需要单独设立冷热源设备和机房、减少了有害物质的排放、不用设立锅炉房以及安全性更高等。然而，空气源热泵机组占地面积大，不太适合城市的大面积集中供暖。水源热泵作为一项可再生能源利用技术具有高效节能、环保洁净、用途广泛、运行可靠、灵活安全的优点，近几年得到快速的发展6。常见的水源热泵系统中国科技期刊数据库 工业 A-14-有地下水和地表水系统。李文等7认为地热资源是绿色、可再生清洁能源的典型代表，其储量大、分布广、稳定性好、利用系数高的特点，使其在现今可利用的清洁能源中具有相当强的竞争力。张继隆等人8在河南省地源热泵示范项目检测研究与分析中指出，河南省平原区广泛分布浅层地下水，浅层地下水资源量达131.79108 亿 m3，十分有利于水源热泵和地源热泵的发展。由图表 1 和 2 可得，郑州市适宜利用地埋管热泵技术和地下水源热泵技术应用的区域比较大，水源热泵和地源热泵技术在郑州市供暖还有很大的推广应用空间，对实施浅层地热能开发，十分有利于实现绿色供暖的目标。表 1 郑州市城市地埋管热泵技术应用适宜性评价结果 城市 适应性 面积/km2 分布范围 郑州 适宜区 500.74 市区东部黄河冲积平原 较适宜区 399.88 市区西部塬间平原 不适宜区 110.53 西南部黄土台塬（下伏基岩）注：数据来源：河南省地源热泵示范项目检测研究与分析。表 2 郑州市城市地下水源热泵技术应用适宜性评价结果 城市 适应性 面积/km2 分布范围 郑州 适宜区 158.9 黄河岸边，京广铁路东、东风渠南的城区 较适宜区 628.8 除适宜区外的黄河冲积平原和塬间平原 不适宜区 67.21 西南部和西北部的黄土台塬 注：数据来源：河南省地源热泵示范项目检测研究与分析。热泵供暖技术要取得理想的节能效果，必须因地制宜，结合当地气候条件、资源禀赋、经济条件和用户采暖需求特点等，选择相应的热泵采暖技术方式。2 热泵系统的具体利用 本章节将详细介绍三种利用热泵系统优化大管网的方式：热泵系统基站点优化方案、大型热泵系统单独提供热源以及模块化热泵机组区域供热。2.1 热泵系统基站点优化方案 热泵系统基站点是本文的核心观点，它是一种小型热力站，将热泵系统与市政管网相连接，该系统能够合理优化市政管网的供热能力，灵活应对如管网爆管、热源厂热源不足等突发状况，降低因应突发状况给居民用热带来的不良影响，提升供热稳定性，同时也可以通过增加热泵基站点的建设，加之科学计算，精确地将各基站点与热源厂互补运行，优化能源使用，提高能源利用率，减少运行费用。如图 1 所示，1 是热泵站点，2 是热泵系统，3 是供水截止阀，4 是回水截止阀。其具体运行分为三种状态：市政管网供热、热泵基站单独供热和市政管网热泵基站同时供热。当市政管网供热时，主管网的供水和回水截止阀打开，与热泵系统相连的供水和回水截止阀关闭，此时热泵系统不工作，仅由市政管网进行供热；当热泵基站前部市政管网端出现爆管或其他突发情况，导致市政管网无法正常供热时，3 号和 4 号主管网供水和回水截止阀关闭，热泵系统运行，通过对管网所需热量进行计算后，合理提高系统负荷，以减少突发事件对管网供热热量的影响；当气温骤降或者出现热源供应不足情况时，可以将热泵基站点作为补充热源与市政管网同时供热，提高供热能力。1.热泵站点2.热泵系统3.供水截止阀4.回水截止阀1234 图 1 热泵基站点原理示意图 通过建设多个热泵基站点，与市政主管网相结合，能够使大管网的稳定性大幅提升。图 1 是多个热泵基站点连接的示意图，在突发状况出现时，通过关闭 3号和 4 号市政主管网的供水和回水截止阀，减小主管网供热受影响的范围，将供热中断区域压缩到两个基站点之间。在中断区域之前，仍然由热源厂进行供热，同时在计算好减少的供热范围之后，合理地降低热源厂的供热负荷，同时在中断区域之后，由热泵基站点进行辅助加热，根据所需供热总热量，科学地启用之后的基站点，将温度影响降低至最小。对于各个热泵基站点的建设与使用，可以在建设前期就进行科学规划，统计好每个基站点之间所供应的总热量，选择最优的热泵系统负荷进行建设，距离热源厂近的区域可选择热功率较小的热泵系统，在距离热源厂较远或者所需总供热热量较高的区域，选择建设热功率较高的热泵系统。同时，应该根据不同类中国科技期刊数据库 工业 A-15-型的热泵机组特点因地制宜地选择最优方案，最大效率地提高所选机组的适应性与效率值。比如传统水冷机组可以放置在有条件的地面空间；对于空气源热泵机组和太阳能热泵机组可以优先考虑设置在有空间的建筑楼顶处；水源热泵可以用于能够利用的地理位置等，将不同类型的热泵系统的优势最大化，提升能源使用效率，增强供热能力，优化大管网的稳定性。2.2 大型热泵系统单独提供热源 大型热泵系统可以发挥出燃气锅炉厂相同的供暖作用，并且能够发挥出热泵系统特有的优势：高效、节能、环保等。但是，大型热泵机组受地质因素的影响较大，占地所需面积较大，前期投资也会相对较高，在对机组建设的选址上存在较大的困难，不但要保证所选周边的地质符合机组的需求，同时也需要避免对周边生态环境造成影响；不过机组的低运行费用会缩短项目的投资回报周期，摆脱对天然气等一次能源的使用。通过因地制宜地选择出合适的大型机组，例如地源热泵机组、水源热泵机组、污水源热泵机组的单独和组合使用，合理地利用并充分发挥出他们的能力，增加新能源系统在供暖事业的比重，减少运行费用较高的天然气锅炉的使用，减小热力集团对一次能源的依赖，使能源利用更加多元化发展，促进热力集团在碳中和与碳达峰企业规划的执行为，推进供热事业全面转型与升级提供战略支撑。2.3 模块化热泵机组 在城市的边缘处，由于居住人口较少、房屋密度较低以及小区分布较散，常常会出现市政主管网无法敷设到的情况，致使这些区域无法使用集中供暖，影响居住生活质量。此时，应用模块化热泵机组能够有效解决上述问题。通过局部建设模块化热泵机组，仅需要为有限的供热区域提供热源，从而脱离市政主管网局限，减小市政主管网的敷设长度，有效减少热源在主管网流动时的能量损耗，缩减建设成本，同时促提升市政主管网的稳定性。虽然模块化系统的前期投资较高，但长远来看，随着全球能源逐步紧缺，其节能经济优势将逐渐凸显，并且可搭配太阳能、风能等新能源，大大减少运行费用。对于模块化热泵系统的选择，也可以根据区域具体情况，因地制宜选择合适的热源方式。上述提及，此类区域都处于城市密度低的地区，因而可选择的类型更加灵活。同时模块化热泵机组可以在夏季为区域内用户提供空调服务，不仅能够大大提升住户的居住体验，增强区域内小区的竞争力，更能拓宽热力公司的业务范围，属于共赢举措。3 结语 热泵系统在供热领域还有着很大的发展空间，充分利用热泵系统的优势，可以减少一次能源的消耗，降低空气污染和碳排放。本文的三种方案从局部到整体，阐述了热泵系统的具体应用方式：（1）热泵系统基站点的建设，将极大地优化大管网的稳定运行，通过基站点的调节，能够减小因突发状况受影响的区域范围，使受影响区域以外的管网正常运行。并且可以与热源厂相互配合共同运行，合理配置运行负荷，优化能源利用，使大管网首端和末端供水温差减小。（2）大型热泵系统单独提供热源，可以发挥出燃气锅炉厂相同的供暖作用，更加节能高效，通过因地制宜地选择出合适的大型机组，例如地源热泵机组、水源热泵机组、污水源热泵机组的单独和组合使用，使能源利用更加多元化。（3）模块化热泵机组能够解决市政主管网无法敷设区域的供暖需求，填补大管网建设的空白区域。通过与风能、太阳能等新能源结合利用，减少运行费用，同时能够提供空调服务，缩短投资回报周期。综上，热泵系统的利用，能够拓宽郑州热力实现低碳、零碳供热渠道，优化能源配置，提升大管网的稳定性，进一步完善“多能互补，绿色高效”的热源体系，有力支撑起供热事业的高质量发展。参考文献 1江亿.我国可尝试直接向电气化时代转型J.中国石油企业,2020(10):11-12,110.2刘满平.我国实现“碳中和”目标的挑战与政策建议J.当代石油石化,2021,29(4):1-9.3江亿.“光储直柔”助力实现零碳电力的新型建筑配电系统J.暖通空调,2021,51(10):1-12.4龙惟定,武涌.建筑节能技术M.上海:中国建筑工业出版社,2009.中国科技期刊数据库 工业 A-16-5黄汉江.建筑经济大辞典M.上海:上海社会科学院出版社,1990-08:588 6李文磊,张悦,范垚,等.水源热泵供暖系统性能分析及优化建议J.节能,2017,36(8):4.7李文,孔祥军,袁利娟,等.中国地热资源概况及开发利用建议J.中国矿业,2020,29(S1):22-26.8张继隆,马校飞,凡延光.河南省地源热泵示范项目检测研究与分析J.建设科技,2013(20):34-37.