利用高溫?zé)岜玫膮^(qū)域供熱熱擴(kuò)容技術(shù)實(shí)驗(yàn)與分析

王 瑩，張于峰

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

高溫?zé)岜眉夹g(shù)可回收溫度為 30～60,℃的低品位余熱，并將其高效提升為 70～90,℃的中高品位熱量[1]．高溫?zé)岜米鳛橐环N高效節(jié)能、清潔環(huán)保并符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的能源開(kāi)發(fā)和節(jié)能技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在地?zé)嵛菜?、石油開(kāi)采和輸送以及化工、食品、鋼鐵、制藥等行業(yè)的工藝流程中[2]．從熱泵系統(tǒng)原理及組成的角度來(lái)看，由于其蒸發(fā)溫度及冷凝溫度均較高，高溫高壓和容積制熱量的矛盾凸顯．因此，高溫?zé)岜玫年P(guān)鍵在于工質(zhì)的篩選[3-6]．

R22熱泵機(jī)組所提供的風(fēng)溫或水溫一般難以超過(guò)45,℃，無(wú)法滿(mǎn)足散熱器采暖的溫度要求；R134a熱泵機(jī)組和串聯(lián)型熱泵機(jī)組所提供的溫度可達(dá)到 60,℃左右，但機(jī)組的造價(jià)高，運(yùn)行效率較低[1]．而筆者應(yīng)用北洋 3號(hào)高溫制冷劑，使熱泵在低溫?zé)嵩礈囟?0～40,℃時(shí)，冷凝器可提供 35～80,℃的熱水，完全能滿(mǎn)足供熱和供熱水的溫度要求．而且技術(shù)本身對(duì)熱泵機(jī)組的部件無(wú)需改造，只對(duì)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因此其造價(jià)成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的 R134a熱泵機(jī)組，而其制熱性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的 R22熱泵機(jī)組．推廣使用這種性能優(yōu)良的高溫?zé)岜茫欣诨厥盏臀粺崮懿?yīng)用于區(qū)域供熱和供熱水，提高能源的綜合利用率，達(dá)到節(jié)能的目的．

1 高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)裝置

圖1為高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)裝置示意，制冷循環(huán)系統(tǒng)主要設(shè)備詳見(jiàn)表 1．整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由 4個(gè)系統(tǒng)組成，即工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及測(cè)量裝置系統(tǒng)．工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由殼管式蒸發(fā)器、殼管式冷凝器、半封閉整體式螺桿壓縮機(jī)、電子膨脹閥等組成；水循環(huán)系統(tǒng)由水泵、膨脹水箱、混水箱、電動(dòng)閥、截止閥等組成．溫度測(cè)試分別布置在各個(gè)設(shè)備的制冷劑和水側(cè)的進(jìn)出口處；采用電磁流量計(jì)進(jìn)行換熱器水側(cè)流量的測(cè)試．自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合水系統(tǒng)可以使高溫?zé)岜脵C(jī)組在設(shè)定工況運(yùn)行．

圖1 高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 High-temperature heat pump experiment system

表1 制冷循環(huán)系統(tǒng)主要設(shè)備Tab.1 Parameters of refrigerate cycle system

北洋 3號(hào)是一個(gè)滑移溫度為 6.6,℃的非共沸混合物，其熱物理特性見(jiàn)表2，p-h圖如圖2所示．

制熱性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)表示熱泵的單位功率制熱量．在相同的工況下，其比值越大說(shuō)明這個(gè)熱泵系統(tǒng)的效率越高越節(jié)能．因此在做制冷系統(tǒng) COP值比較之前，首先要確定各個(gè)熱泵系統(tǒng)是否在相同的工況之下，然后再進(jìn)行計(jì)算比較．圖3為北洋3號(hào)、R22、R134a、R407c和R152a 5種不同制冷劑的 COP值比較．從圖 3可以看出，制冷劑的 COP值隨著冷凝溫度的升高而下降．冷凝溫度小于55,℃時(shí)，北洋3號(hào)的COP值最低；冷凝溫度大于 65,℃時(shí)，COP值最高；隨著冷凝溫度的不斷升高，北洋 3號(hào)的衰減率最低．因此，與其他制冷劑相比，北洋 3號(hào)的能源效率在較高冷凝溫度的條件下，具有最佳的性能．

表2 北洋3號(hào)熱物理特性Tab.2 Thermo-physical properties of BY-3

圖2 北洋3號(hào)p-h圖Fig.2 p-h diagram of BY-3 with several constant temperature lines

圖3 不同制冷劑的COP比較Fig.3 COP of different refrigerates

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在通常的實(shí)驗(yàn)研究中，高溫?zé)岜谜舭l(fā)器、冷凝器進(jìn)出口水溫和機(jī)組制熱量等變量之間是相互制約的．這些變量之間有一定的關(guān)系，但由于情況錯(cuò)綜復(fù)雜，或存在不可避免的誤差等原因，無(wú)法用函數(shù)形式較為精確地表示出來(lái)[7]．應(yīng)用多元回歸分析的方法，可通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到變量間的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為高溫?zé)岜玫难邪l(fā)，特別是工質(zhì)的篩選研究工作提供較為精確可靠的參考依據(jù)．

多元回歸分析方法是數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的重要組成部分，是處理和分析變量之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)方法．高溫?zé)岜脵C(jī)組運(yùn)行時(shí)能效比COP與機(jī)組蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出口溫度和機(jī)組制熱量等因素有關(guān)[8]. 應(yīng)用多元回歸分析方法，建立高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)COP數(shù)學(xué)模型，其基本思想是將冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫、機(jī)組制熱量視為自變量；將高溫?zé)岜玫腃OP等視為因變量；通過(guò)多元回歸分析的方法建立變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，該數(shù)學(xué)表達(dá)式稱(chēng)為樣本回歸方程，即關(guān)于冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫、機(jī)組制熱量和高溫?zé)岜肅OP值的函數(shù)表達(dá)式．?dāng)?shù)學(xué)模型求出后，經(jīng)多元回歸的方差分析，顯著性檢驗(yàn)，符合要求并與實(shí)際結(jié)果相符后，就可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)、定量能耗分析計(jì)算中[9-10]．多元回歸分析的主要步驟如圖4所示．

圖4 多元回歸模擬分析步驟示意Fig.4 Multiple regression simulation analysis steps

高溫?zé)岜肅OP的多元回歸分析，一方面可以提高實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，為工質(zhì)的研究篩選工作提供主要的數(shù)據(jù)支持．已知高溫?zé)岜美淠骱驼舭l(fā)器的進(jìn)出口水溫、機(jī)組制熱量，就可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型求出 COP的預(yù)測(cè)值．另一方面，通過(guò)該COP預(yù)測(cè)值對(duì)高溫?zé)岜玫暮哪軤顩r做出定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，進(jìn)而對(duì)高溫?zé)岜玫娜剂虾牧康认嚓P(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)值進(jìn)行分析計(jì)算．

根據(jù)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做高溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多變量散布圖，見(jiàn)圖 5．取因變量為高溫?zé)岜玫?COP值，記作 COP；自變量分別為蒸發(fā)器的進(jìn)口水溫 t1、出口水溫t2；冷凝器出口水溫t3、進(jìn)口水溫t4；機(jī)組制熱量Q．通過(guò)圖 5可觀察出各變量之間存在線(xiàn)性關(guān)系，因此設(shè)因變量 COP與自變量 t1、t2、t3、t4、Q 之間的線(xiàn)性關(guān)系為

式中ε、β0、 β1、 β2、 β3、 β4和β5為未知參數(shù)．

經(jīng)過(guò)多元回歸及顯著性檢驗(yàn)，得

圖5 多變量散布圖Fig.5 Multivariable scatter diagram

為進(jìn)一步證明所求得多元回歸方程的正確性，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸分析理論值做比較，如圖 6、圖 7和圖8所示．從建立的影響因素模型結(jié)果可知：

(1)蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出口水溫對(duì)高溫?zé)岜?COP的影響系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明提高蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出口水溫，高溫?zé)岜玫腃OP值會(huì)下降；

(2)冷凝器進(jìn)出口水溫對(duì) COP影響系數(shù)的絕對(duì)值均高于蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫對(duì)COP影響系數(shù)的絕對(duì)值，這說(shuō)明冷凝器進(jìn)出口水溫是高溫?zé)岜?COP的顯著因素，即與 t1、t2相比，t3、t4的大小對(duì) COP的影響更加顯著；

圖 6 蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出口水溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸分析理論值的比較Fig.6 Comparison of condenser/evaporator temperature on exit and entrance between experimental data and regression analysis

圖7 機(jī)組制熱量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸分析理論值的比較Fig.7 Comparison of heating capacity between experimental data and regression analysis

圖8 機(jī)組耗電量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸分析理論值的比較Fig.8 Comparison of power consumption between experimental data and regression analysis

(3)COP對(duì)機(jī)組制熱量的依存度為0.001,759,275，這反映了高溫?zé)岜玫?COP和機(jī)組制熱量的相輔相成關(guān)系，機(jī)組制熱量增加時(shí)，COP值也會(huì)相應(yīng)提高．

3 高溫?zé)釘U(kuò)容技術(shù)

高溫?zé)釘U(kuò)容技術(shù)是指將高溫?zé)岜眉夹g(shù)與集中供熱系統(tǒng)傳統(tǒng)模式有效結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)的熱擴(kuò)容技術(shù)．城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的熱擴(kuò)容技術(shù)主要是根據(jù)熱網(wǎng)的工況和熱用戶(hù)的需要，利用高溫水源熱泵，采用合理的連接方式，對(duì)傳統(tǒng)熱力站系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的供熱能力．

傳統(tǒng)的水-水熱力站主要是熱用戶(hù)與熱網(wǎng)通過(guò)水-水熱交換器進(jìn)行熱交換，傳統(tǒng)水-水熱力站參數(shù)見(jiàn)表3，熱力系統(tǒng)見(jiàn)圖9．

表3 傳統(tǒng)水-水熱力站參數(shù)Tab.3 Parameters of traditional water-water heating power station

圖9 傳統(tǒng)水-水熱力站系統(tǒng)Fig.9 System of traditional water-water heating power station

熱擴(kuò)容技術(shù)水-水熱力站主要是熱用戶(hù)與熱網(wǎng)一方面通過(guò)水-水熱交換器進(jìn)行熱交換，另一方面利用高溫水源熱泵進(jìn)行制熱，從而實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的熱擴(kuò)容技術(shù)，熱擴(kuò)容技術(shù)水-水熱力站參數(shù)見(jiàn)表 4，熱力系統(tǒng)見(jiàn)圖10．

表4 熱擴(kuò)容技術(shù)水-水熱力站參數(shù)Tab.4 Parameters of dilatancy water-water heat power station

高溫水源熱泵的熱擴(kuò)容技術(shù)分 3個(gè)子系統(tǒng)．分別為：①一級(jí)管網(wǎng)供水至二級(jí)換熱器，通過(guò)換熱器將一級(jí)管網(wǎng)熱能轉(zhuǎn)換至熱用戶(hù)；②二級(jí)管網(wǎng)回水通過(guò)三級(jí)換熱器換熱，將低溫?zé)崮芩椭粮邷厮礋岜茫虎弁ㄟ^(guò)高溫水源熱泵內(nèi)循環(huán)，將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為高溫?zé)崮芄嵊脩?hù)使用，降低二級(jí)管網(wǎng)回水溫度，從而進(jìn)一步降低一級(jí)管網(wǎng)回水溫度，增加供熱系統(tǒng)的供熱能力．

圖10 熱擴(kuò)容技術(shù)工藝系統(tǒng)流程Fig.10 System of dilatancy water-water heating power station

4 工程應(yīng)用

利用北洋3號(hào)作為高溫?zé)岜弥评鋭?，一個(gè)規(guī)模為144,MW的區(qū)域供熱系統(tǒng)，共有換熱站24座，每座換熱站負(fù)擔(dān)負(fù)荷 6,MW，主要設(shè)備詳見(jiàn)表 5．經(jīng)過(guò)水力計(jì)算區(qū)域供熱系統(tǒng)管網(wǎng)管徑及熱損失詳見(jiàn)表 6．區(qū)域供熱系統(tǒng)能耗清單見(jiàn)表7．

表5 6,MW標(biāo)準(zhǔn)換熱站設(shè)備Tab.5 Parameters of 6,MW dilatancy water-water heating exchanger station

表6 管網(wǎng)熱損失Tab.6 Heat loss of insulated pipelines

與傳統(tǒng)形式集中供熱系統(tǒng)比較，應(yīng)用熱擴(kuò)容技術(shù)的集中供熱系統(tǒng)將原有的供回水溫差 50,℃(120,℃/70,℃)提高到 70,℃(120,℃/50,℃)．一方面這種技術(shù)的應(yīng)用減小了供回水管網(wǎng)的管徑，降低管網(wǎng)初投資．以本工程為例，兩種不同供熱系統(tǒng)管網(wǎng)比較，詳見(jiàn)表 8．經(jīng)計(jì)算，傳統(tǒng)技術(shù)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)初投資為6,713萬(wàn)元，熱擴(kuò)容技術(shù)供熱系統(tǒng)管網(wǎng)初投資為4,955萬(wàn)元，供熱系統(tǒng)管網(wǎng)投資節(jié)省26.19%．

表7 區(qū)域供熱系統(tǒng)能耗清單Tab.7 Energy consumption of district heating system

表8 供熱管網(wǎng)初投資比較Tab.8 Comparison of heating pipeline costs

熱擴(kuò)容技術(shù)提高了集中供熱管網(wǎng)的熱容量，是傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的1.4倍，對(duì)于城市集中供熱規(guī)模的擴(kuò)張起了重要的作用．高溫?zé)釘U(kuò)容區(qū)域供熱系統(tǒng)對(duì)熱負(fù)荷的變化具有較高的適應(yīng)性、自由性和可操作性，便于系統(tǒng)的運(yùn)行管理．適合于區(qū)域供熱負(fù)荷發(fā)展速度不明確的地區(qū)．

另一方面，供熱管網(wǎng)循環(huán)水量降低，循環(huán)水泵能耗減?。?/p>

熱擴(kuò)容技術(shù)的應(yīng)用，與單獨(dú)使用高溫?zé)岜眉泄嵯到y(tǒng)相比，省略了與地源水源換熱的地埋管系統(tǒng)．

5 結(jié) 論

(1) 與其他制冷劑相比，北洋3號(hào)在較高蒸發(fā)溫度條件下，具有最佳性能．

(2) 通過(guò)多元回歸模擬分析北洋3號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出較精確數(shù)學(xué)模型．隨著蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)出口水溫的增加，高溫?zé)岜玫?COP值下降，且冷凝器進(jìn)出口溫度對(duì)COP的影響最為顯著．高溫?zé)岜脵C(jī)組COP值隨著制熱量的增加而增加．

(3) 熱擴(kuò)容技術(shù)是將高溫?zé)岜脩?yīng)用于城市集中供熱系統(tǒng)中，這種技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了供熱管網(wǎng)供回水溫差，還增加城市供熱系統(tǒng)的熱容量．

(4) 城市熱擴(kuò)容集中供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)是：供熱系統(tǒng)熱容量高，管網(wǎng)初投資低，循環(huán)水泵能耗少，對(duì)于城市的熱負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)．

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