燕山大学      李文涛   李    岩
清华大学      付    林

摘   要：本文提出一种将热电联产乏汽余热回收与分布式土壤可再生能利用有机结合的新型热泵供热系统，通过热网冬夏两用，跨季节蓄取电厂乏汽余热，可显著提升热源的供热能力并大幅降低供热能耗。新系统热源以一台300MW机组为例，与常规热电联产系统及太阳能-土壤源热泵联合供热系统进行对比分析。结果显示，新系统供热能耗最低，太阳能-土壤源热泵联合供热系统与常规热电联热系统能耗基本相当。新系统蓄热期间可降低发电影响2512.8万kW·h，在相同土壤蓄热量下，相比于太阳能-土壤源热泵联合供热系统，整个采暖季新系统可增加供热量1.4倍，全年供热能耗降低37.6%，为电厂乏汽余热回收和土壤可再生能高效利用提供了新的思路。

关键词：热电联产；乏汽余热回收；土壤跨季节蓄热；热水型吸收式热泵；能耗分析

       1   背景
     “十三五”期间发展清洁供热、治理城市雾霾得到重点关注，北方各城市正积极探寻电厂乏汽余热及浅层地热能的高效利用方式。随着民生供热需求迅猛增长，冬季北方城市热源供热能力不足的问题日益突出。热电联产是北方城市最主要的热源形式，以目前的装机容量，三北地区每年产生的乏汽余热量达到约4万亿kW·h[1]，仅利用其中三分之一即可满足北方城市供热需求，因此回收乏汽余热对于提高电厂供热能力至关重要[2]。而夏季电厂纯凝运行，乏汽余热量显著大于冬季，由于难以找到合适的热用户，乏汽余热无法利用，造成能源的巨大浪费，如果将夏季的乏汽余热蓄存起来用于冬季供热则可显著增加电厂供热能力。

     土壤蓄热为此提供了有效途径。但我国北方城市主要位于寒冷或严寒地区，由于冷热负荷失衡，常年持续取热容易引起土壤“冷堆积”造成热泵制热性能持续降低，甚至无法正常工作[3]。国内外学者对此开展了大量的研究。通常采用太阳能-土壤源热泵联合运行的方式，采暖季以太阳能为辅助热源来减少冬季土壤取热量以调控土壤热平衡，在非采暖季通过太阳能为土壤补热[4]。然而，太阳能能流密度低，太阳辐射强度受地理气候等条件限制，且目前太阳能系统的热利用效率仅为30~80%[5]，但投资相对较高，经济性相对较差[6]。目前常见的土壤源热泵系统通常采用电动压缩式热泵蓄取土壤热量，由于土壤温度通常不高于25℃，其制热性能系数COPh一般仅能达到4左右，系统耗电量大，节能效果有限[7]。因此，探寻能耗低、经济性佳的土壤蓄取热量方式对于提高系统供热能效意义重大。

     本文通过热网冬夏两用，将现有集中供热与土壤可再生能互补，构建了一种利用土壤跨季节蓄取电厂乏汽余热的新型热泵供热系统。实现了电厂乏汽余热回收与分布式土壤可再生能利用有机结合，显著提升了热源的供热能力及系统供热能效。本文拟将新系统与常规热电联产供热系统、太阳能-土壤源热泵联合供热系统的能耗作对比分析。

       2   供热系统介绍

       2.1   常规热电联产供热系统

       该系统将抽汽引入汽-水换热器，直接加热热网回水，供热系统如图1所示。

1–冷却塔；2–汽轮机组；3–凝汽器；4–汽-水换热器

图1   常规热电联产供热系统

       2.2   太阳能-土壤源热泵联合供热系统

       该系统以太阳能作为辅助热源，冬季以电动压缩式热泵提取土壤蓄热量供热，可根据太阳能的使用情况在太阳能热泵、太阳能-土壤源热泵、土壤源热泵三种工况下进行切换。若系统夏季有冷负荷，可为建筑制冷，并以建筑取热量和太阳能为热源，将热量蓄存于土壤实现季节补热。供热系统流程如图2所示。

1–太阳能集热器；2–蓄热水箱；3、6–分-集水器；4–电动压缩式热泵；5–土壤换热器

图2   太阳能-土壤源热泵联合供热系统流程图

       2.3   乏汽余热-热水吸收式土壤源热泵供热系统

       该系统冬季利用城市热网将一次网高温热水送至热力站驱动热水型吸收式热泵机组提取土壤蓄存的乏汽余热供热，热网水经吸收式热泵发生器、水水换热器梯级降温后返回电厂。夏季利用闲置的热网，将土壤换热后的低温热网回水引入电厂凝汽器回收汽轮机乏汽余热，然后输送并蓄存于土壤中，过剩的乏汽余热量通过冷却塔排放。供热系统流程如图3所示。

1–冷却塔；2–汽轮机组；3–水-水换热器；4–凝汽器；5–热网循环泵；6–汽-水换热器；7–热水型吸收式热泵机组；8–土壤循环泵；9–土壤换热器

图3   乏汽余热-热水吸收式土壤源热泵供热系统流程图

       该系统最显著的特点在于热网的冬夏两用以及跨季节蓄取电厂乏汽余热。由此可带来三大优势：首先，实现了电厂乏汽余热资源和分布式土壤可再生能资源的高效整合，大幅提高了冬季电厂的供热能力。其次，充分利用高温热网水的可用能提取土壤蓄存热量，明显降低了系统的供热能耗。再次，夏季利用乏汽余热替代太阳能实现季节性补热，明显节省了供热系统投资。此外，夏季室外湿球温度较高，导致机组运行背压偏高，本系统中土壤换热器可充当辅助散热冷端，有利于改善系统背压，提高夏季机组发电量。

       3   供热系统对比分析

       为便于比较分析，以新系统供热参数为基准计算供热能耗，对太阳能-土壤源热泵系统取相同的土壤蓄热量，对常规热电联产系统取相同的抽汽供热量。

       3.1   新系统能耗分析

       新系统以一台300MW湿冷机组为例，供热城市为哈尔滨，供热系统主要设计参数如表1所示。

表1   供热系统主要设计参数

       冬季热网采用分阶段质-量调节的方式，即供暖初、末期采用质调节，根据热负荷，热网最小流量取设计流量的50%[8]，供暖中期采用量调节，一方面能保持高温热网水的做功能力，另一方面能降低热网的输配能耗。本文以单位供热量影响和消耗的发电量，即供热等效电来评价系统供热能耗[9]。冬季电厂由于抽汽供热减少了机组发电量，应与系统输配耗电量一起纳入冬季供热能耗。冬季系统供热量及影响发电量情况如表2所示：

表2   冬季系统供热量及影响发电量情况

       夏季需要将土壤提取的热量重新蓄存于土壤中，为多回收汽轮机乏汽余热，热网采用质调节的方式运行，蓄热期间热网平均供回水温差取15℃。可根据总蓄热量和每小时输送的乏汽热量得到蓄热时间，如表3所示：

表3   蓄热时间计算

       常规热电厂夏季不回收乏汽余热，通常机组背压在7~12kPa运行，而新系统引入土壤换热后的低温回水回收机组乏汽余热，机组仍可保持正常背压5kPa运行，不影响正常发电，相当于增加了夏季机组的发电量。夏季系统影响发电量情况如表4所示：

表4   新系统夏季系统影响发电量情况

       从全年运行的角度看，系统夏季对发电量的改善也是因供热产生，因此应纳入到供热能耗的计算中，新系统全年的供热能耗及供热量汇总如表5所示：

表5   新系统全年供热能耗及供热量汇总

       3.2   太阳能-土壤源热泵联合供热系统能耗分析

       该系统根据热负荷选择供热模式。文献[10]以哈尔滨地区为例，冬季太阳能热泵、太阳能-土壤源热泵、土壤源热泵三种供热模式时间占比分别为48.26%、10.07%及41.67%时，能有效恢复土壤温度场，且经济性较佳。根据时间分配比例可得到不同供热模式的供热量，根据不同供热模式下热泵供热性能系数及系统供热性能系数可得到热泵供热量、热泵耗电量及系统输配耗电量。为便于比较分析，该系统的土壤蓄热量仍为164.8万GJ。冬季系统的供热能耗计算如表6所示： 

表6   联合供热系统冬季供热能耗汇总

       文献[11]针对该系统十年的运行情况进行模拟，土壤换热器进出口平均温差冬季约为2℃左右，夏季约为4℃左右。若蓄热量和取热量相同，根据泵与风机的相似定律，功率比值与流量比值的立方呈正比，推知夏季输配耗电量应为冬季的1/8。该系统全年的供热能耗及供热量汇总如表7所示：

表7   联合供热系统全年供热能耗及供热量汇总

       3.3   常规热电联产系统能耗分析

       仍以一台300MW湿冷机组为例，系统供热能耗汇及供热量总如表8所示。

表8   常规热电联产系统全年供热能耗及供热量汇总

       3.4   供热系统能耗及供热量对比分析

       三种供热系统全年供热能耗及供热量汇总如表9所示：

表9   全年供热能耗及供热量对比

       由表9可以看出，新系统供热能耗最低，太阳能-土壤源热泵联合供热系统与常规热电联产系统供热能耗基本相当。其原因主要在于：对于太阳能-土壤源热泵联合供热系统，采用电动压缩式热泵，其制热性能系数通常只能达到4左右，折算为供热等效电的值约为69.4kW·h/GJ，基本与抽汽供热等效电71.8kW·h/GJ相当，因此太阳能-土壤源热泵联合供热系统与常规热电联产供热系统能耗基本相当。而对于新系统而言，一方面因为热水型吸收式热泵制热性能系数为1.7左右，折算为供热等效电的值约为42.2kW·h/GJ，可见其供热能耗明显低于电动压缩式热泵，因此系统供热能明显降低。另一方面，夏季通过引入低温热网回水回收汽轮机乏汽余热，改善了机组背压，显著增加了机组发电量，使得供热能耗进一步降低。

       从供热量上来看，由于新系统回收电厂乏汽余热供热，其供热能力明显高于常规热电联产系统，而对于太阳能-土壤源热泵联合供热系统，虽然从土壤提取的热量与新系统相同，但以电力作为驱动力，受制热性能系数影响，系统的供热量较少。

       4   结论

       本文提出的利用土壤跨季节蓄取电厂乏汽余热的新型热泵供热系统实现了电厂乏汽余热利用与分布式土壤可再生能的有机结合。新系统在供热能效和供热能力方面均具有显著优势，而太阳能-土壤源热泵联合供热系统则与常规热电联产系统供热能耗基本相当。与太阳能-土壤源热泵联合供热系统相比，在相同土壤蓄热量下，新系统降低系统供热能耗37.6%，冬季增加供热量1.4倍。此外，新系统夏季蓄热期间增加发电2512.8万kW·h，为电厂乏汽余热及分布式土壤可再生能的高效利用提供了有效途径。

参考文献

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年7月刊总第23期。
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