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6.1热电联产供热的伏越性----低品位能源的合理利用 在节能技术的研究中，为了说明节能效益，常常同时从能量的质量和数量两个方面进行分析。能量数量，一般是在同一单位（为焦耳、大卡等）下，由数量大小判断。能量质量，则是比较能量作为能力的大小来说明。这里所说作功能力，是指能量转换的机械能的大小。通常机械能包括动能、势能、推动能、膨胀能等。电能多数由机械能转换而成。就能量而言，主要有化学能、机械能和势能。我们行业研究的供热空调制冷，主要研究热能与机械能之间的转换关系。所谓势能的质量、品位高低，就是指热能转换的机械能的能力大小。衡量热能质量或品位高低，在热力学中通常用㶲的参数衡量，有时也称为能质系数。 h0、s0、T0，分别为环境状态下的焓、熵和绝对温度。在一般情况下，常常把0℃，20℃作为环境状态，此时环境状态的绝对温度分别为=273.16K,或 =20+273.16K。从公式看出，工质具有的热能不能完全转换成机械能（由表示，而必须有的T0-(s-s0)能量损失。我们研究能量转换，最主要的目的就是尽量减少转换过程的能量损失。 在供热系统的研究中，常常碰到锅炉、换热站等传热设备。在这些设备的传热过程中，由于有能量损失，所以在传热过程中，做功能力都有下降。也就是说，在传热过程中，热量的质量、品位或值都会降低。在这些换热设备早，公式(6.1)有关的计算，可进一步转化成如下计算公式（推导略）： 根据上述关系式，可对热电厂进行如下的能效分析 1）从发电效率上分析，㶲分析法（即能量质量）与热量分析法（数量）是一样的。对于小机组（发电容量为6，12,25mw）发电效率在23%与26%之间；对于大机组（发电容量为300mw，600mw）发电效率为34.5%。发电效率指做功能力，两种分析方法本质是相同的。 2）在发电工艺中，无论汽轮机不可逆损失，还是管道、汽轮机和发电机的机械损失，热量分析法（数量）、㶲（质量）分析法，其值相差不大。主要是锅炉（热源）、泠凝器（冷源）的数值差别很大。对于㶲值分析，最大的损失在锅炉（热源），一般在50-60%。因为在锅炉中，燃料的理论燃烧温度为2000℃，换热生成的主蒸汽温度为550℃，温差接近1500℃，过大的温差导致做功能力的过大损失。而冷凝器（冷源）热量损失很大，占45-50%，但品位低（温度一般为36℃左右），㶲值损失只占2.5-5.0%左右。因此，提高㶲值效率的途径在热源锅炉。 3）冷凝器一端，提高㶲效率的潜力有限，但热量数量的浪费庞大，而供热行业正是吸纳低品位热量的极大领地。因此，发展热电联产供热，热量利用率一般都在70-80%以上。 6.2供热系统各环节的参数配置 这里主要讨论热用户（即散热器）供水温度如何确定的问题，当然连带的会涉及到热源的供水温度的确定问题。我国设计规范一直延用苏联时代的设计值，热用户供回水温度为95/70℃。曾经经过一次大讨论，后改为95/70℃，85/60℃并用。最近，最新一次变动，改为75/50℃。供回水设计温度一次一次的下降，概括起来，大体上有这样几个原因： 1）建筑外墙保温的设置，维护结构保温性能的改善，导致供热负荷的减少，适当降低供回水设计温度是应该的， 2）设计供回水温度与运行供回水温度的不符。由于这一原因，降低供回水设计温度是错误的。作者曾多次指出，这种设设计值与运行值的不符，是因为设计的失误与运行的失误引起的。改正的应该是提高设计运行水平，而不是相反。如果错误的采取降低设计供回水温度，设计运行中的失误依然如故，其结果必然恶性循环。 3)我国钢产过剩，适当增加散热器数量无碍大局。这是无稽之谈。任何时候，适当减少金属耗量，总是应该追求的一个经济指标，不能忘记，减少金属耗量是节能的一个重要途径。 4)可以降低管网热损失。这是欧洲采用低温供热的重要原因。可是我国的国情与欧洲的国情有很大不同。欧洲的建筑密度小，单位供暖面积的管网敷设率低，为了减少管网热损失，采用低温供热是符合他们的国情的。而我国建筑密度高，单位供暖面积的管网敷设率也高。在这种情况下，降低供水温度，带来的弊端可能更大。 5)是提高㶲效率的重要途径。这一点，又陷入了一个误区，下面就这一问题，谈一些不成熟的看法。 表6.2、表6.3 给出了供热系统有关工艺环节温度参数的㶲值以及换热过程的㶲效率。 诚然，能够看出：当热用户供回水温度为65/50℃（散热器）和50/40℃（地板辐射采暖）时，与室内温度18℃的换热㶲效率分别为35.6%和44%，优于95/70℃的㶲效率26.7%和85/60℃的㶲效率29.5%。但判断能量利用是否合理，光看热用户末端是远远不够的。如果从供热全系统即热用户、热力站和热源全面考察，就会发现：最大的㶲损失是在热源，当热源的供回水温度为130/70℃时， 㶲效率只有26.7%，也就是说，此时㶲值损失了70%以上。如果为了提高热用户处的㶲效率，一味降低热力站，热源处的供回水温度，则在热源处的㶲损失会更低（当热源处供回水温度为85/60℃，㶲值损失近80%），显然是不合理的。 再从绝对的㶲值观察，当室内温度为18℃，其㶲值为0.062，能量品位是很低的。从能量品位的合理利用分析，采用低品位的能源供热是最合理的，上节讨论的热电联产供热就是一例。反之，对于区域锅炉房，燃料燃烧后（如煤、天然气）直接供热，是最不合理的。但目前完全排斥区域锅炉房供热，也不现实。合理的做法，是尽量提高热源供回水温差。这样做，虽然整个供热系统的㶲效率并未提高，但带来的好处是减少了系统循环流量，降低了管网造价，这从另一方面得到了一定弥补，总比片面降低供水温度要全面的多。 6）吸收式热泵供热的需要。此内容下节详述。 6.3 热泵在余热利用中的应用 热量从低温向高温传递的机械设备称为热泵。 余热有相当数量的品位是比较低的。为了实现低品位余热供热，热泵技术常常是不可或缺的。 6.3.1电热泵供热 为了节能减排，应用热泵，特别是水源热泵、地源热泵进行供热，目前正被广泛应用。然而，并不是任何地区、任何条件下，热泵供热都是节能的。本文就电热泵的应用条件、水电热泵供热的优势，谈一些粗浅的看法，以期引起业内同行的讨论，使热泵这一节能技术，在供热行业得到合理应用。 1）电热泵的应用条件 （1）热泵的理论能效 根据《工程热力学》 的基本原理，热量由低温热源传至高温热源，所用的机械称为热泵。热泵和制冷机（从低温热源吸取热量排向高温热源的机械称为制冷机），都是按照卡诺逆循环进行的。卡诺逆循环是热泵和制冷机的理想循环。若设蒸发温度t０（低温热源）、冷凝温度tk（高温热源），则热泵和制冷机的理论能效比即卡诺逆循环的制热、制冷系数εc、copc分别为： 在满足供热供冷的基本条件下，表１给出了不同的蒸发温度和冷凝温度时的理论制热系数和制冷系数（即能效比）。 表6.3 热泵机组理论能效系数 从表6.3看出：蒸发温度愈高、冷凝温度愈低，制热能效系数和制冷能效系数愈高，反之亦然；在同一蒸发温度、冷凝温度下，制热能效系数高于制冷能效系数。卡诺逆循环的热泵机组理论能效系数，是最高值的能效系数，因为此时的卡诺逆循环由两个定温循环和两个绝热循环组成，而且该循环是可逆的。这是热力学第二定律告诉我们的：任何由低温热源向高温热源传递热量，都不能自发进行，而必须由外界对其做功，才能完成。任何实际的热泵机组，都不能达到上述的理论循环，其外界输入的功都比理论值大，其能效系数都比理论值小。因此，热泵机组的理论能效系数是最高标尺，是热泵机组设计、运行的唯一理想目标。 （2）电热泵的实际能效系数 热泵由电输入做功，称为电热泵 ；由热量输入做功称为热热泵。无论电热泵还是热热泵，它们的实际循环都不是卡诺逆循环，因此热泵的实际能效系数都比理论能效系数低。对于电热泵,制冷剂的冷凝过程不是定压定温过程,而是定压不等温过程;制冷剂的压缩过程,也不是绝热过程;由于没有理想的膨胀机,制冷剂不能实现绝热膨胀,只能靠节流膨胀代替;实际的蒸发器和冷凝器,都存在温差传热,能量损失不可避免。特别是压缩机,除了不能实现理想的绝热压缩外,还有各种机械磨损,因此,压缩机的总效率一般在 65～75%之间。由于上述原因,实际市场上的热泵产品, 能效系数都比理论值低。为了促进技术进步,我国2004年发布了《冷水机组能效限定值及能源效率等级》GB19577-2004 标准,部分摘录见表6.4。在该标准里,把热泵能效高低分五个等级。 表6.4 热泵机组能效等级 等级1为努力目标,等级2代表节能型产品的门槛,等级3、4代表，我国目前的市场水平,等级5为淘汰产品。以舒适性空调为例,蒸发温度在0-5℃之间,冷凝温度约35℃左右。以等级3、4的能效系数与理论能效系数相比较,约相差35%-50%。 （3）火电热泵的应用条件 在我国,大部分电热泵都是用火电驱动的,因此,研究电热泵是否节能,必须考虑火电的特点。我国火电的平均发电效率约为30%,加上电网3%的线损,进入热泵机组的用电效率为27%、亦既1kwh电能与3.7kwh热能等价。这就是说,把电热泵做为一个热源(或冷源)系统(含热泵机组、冷冻、冷却系统),与烧煤的热源(或冷源)相比较,其热泵系统的能效系数只有大于3.7时才是节能的。 一个完整的热泵系统,因包括热泵机组、冷冻水系统、冷却水系统和用户末端装置。这些分系统,都有能量损耗,因此观察热泵系统的节能水平,只计算热泵机组本身的能效系数是不够的,必须计算整个热泵系统的能效系数才有意义。根据《GB/T17981-2007空气调节系统经济运行》规定,热泵系统能效比EERs可用下式计算 :
其中，冷冻水、冷却水系统输送系数指单位水泵电耗所能输送的制冷量或制热量。对于水源热泵或土壤源热泵，水的提取、回灌或循环所消耗的电能，都应包括在WTFchw中。夏天供冷，冬天供热，冷冻水系统与冷却水系统是通过四通阀互换的。一般情况下，冷冻水系统输送系数取35，冷却水系统输送系数取30。用户末端装置(空调系统供热、供冷)，性能系数为8～12(前者为全空气系统，后者为新风加风机盘管系统)。 在进行电热泵与烧煤热源(冷源)比较时，只把电热泵当做热源(或冷源)考虑，因此，在计算热泵机组的能效比EERs时，只应计算热泵机组的能效比EERr和冷冻或冷却水系统的WTFchw输送系数值(只取一个35即可)。而用户末端装置和管网输送系统(夏天为冷冻水系统,冬天为冷却水系统)的性能系数和输送系数不必计算。今取电热泵的能效比EERr为4.1，冷冻水输送系数35，按公式(3)可计算出电热泵系统的能效比EERs值为3.7。这说明电热泵机组的能效比只有≥4.1时才是节能的。国家标准规定1、2等级的电热泵产品为节能产品，是有道理的，因为此时电热泵的能效比都将大于4.1以上。 通过上述讨论，可以更加准确的指出:电热泵供热(供冷)的应用，是有条件的，并不是任何地区、任何情况下都是节能的。表3给出了我国不同地区地表水和地下水的水温分布情况[4]。 表6.5 冷水计算温度
从表6.5看出，对于辽宁地区，地下水温度为6～10℃,若采用水源电热泵供热，其蒸发温度为1～5℃,供热的供水温度以55℃(地板辐射采暖)、65℃(散热器采暖)为宜，从表1可知，在上述参数下供热热泵的理论能效比在5.2～6.6之间，若考虑热泵实际能效比只是理论能效比的0.35～0.65时，电热泵的实际能效比只有2.6～4.3左右，多数情况小于4.1，因此，在东北地区采用电热泵供热是不节能的。在沈阳地区，通过实地工程的实测，电热泵供热系统的能效比只有1～3，也证明上述分析是正确的。对于北京地区，采用水源电热泵供热，处于节能不节能的边缘状态，技术先进可能节能；技术落后，完全有可能不节能。从表3可以分析，黄河以南地区，采用电热泵供热、供冷,一般是节能的。 （4）水电热泵供热的优势 用水电驱动的热泵称为水电热泵。水电与火电相比较，最大的优势是发电效率高，一般为80%左右。水力发电，主要依靠势能(机械能的一种)转化为电能。在水轮发电机中，最大的能量损失是机械磨损，不存在火力发电中的高温传热损失、低温冷却损失以及工质循环过程中的不可逆损失。由于水电的发电效率高，将给水电热泵供热带来的最大优势是节能效益明显。 若以80%计算水力发电效率，则有1kwh水电相当于1.25kwh热能。根据公式6.5进行计算，水电热泵机组的能效比EERr只要大于1.3就是节能的。考察表6.3、表6.5就会得出结论：在我国任何地区，凡采用水电热泵供热都是节能的，因为无论在任何情况下，水电热泵机组的能效比都远大于1.3。 目前，对水力发电最大的争论是对生态的影响。我国经过三峡工程的实践，对兴建大坝已经有了很多正反面的经验，相信在未来的水力发电的工程建设中，一定会有更多的创新。目前，我国在不少的水力发电工程中，采用打隧道的办法代替大坝兴建，只要设计合理，完全可以将生态的影响减少到最小的程度。除生态影响外，还有冬季枯水季影响发电量的问题。这些，只要通过负荷的合理配套，都是不难解决的。总之，我国有丰富的水力资源，特别是西部地区，至今尚未充分开发。相信随着国家经济实力的不断增强，大力发展水电资源的春天一定会到来。 2）在我国西南地区应用水电热泵供热的优势 我国西南地区地处黄河以南，至今没有成套的供暖设施。按照气象条件考虑，该地区的设计室外供暖温度应该在-12～-6℃之间，供暖时间为120天至170天之间。随着我国经济实力的增强，人民生活水平的提高，该地区人民生活的供暖需求迫在眉睫，但这里缺煤、缺油、缺气，有的是丰富的水力资源和太阳能资源。近几年来，业内人员，一直在关心该地区供暖方式的研究。根据前述的讨论，作者认为该地区最理想的供暖方式应该采用太阳源水电热泵供热。 （1）气象条件 这里所说的我国西南地区，主要是指西藏的拉萨、云南的香格里拉(德钦地区)和四川的阿坝、甘孜地区。其气象条件见表6.6所示。表6.6的数据，是根据文献[6]《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》摘录的，该地区属于寒冷地区Ⅱ(A)和严寒地区Ⅰ(C)范围，不但天气寒冷，而且供暖时间长,尽快解决居民的供暖问题，已到了刻不容缓的地步。 表6.6 室外气象参数
（2）能源资源状况 该地区(指拉萨、香格里拉、甘孜、阿坝)自然资源缺煤、缺油、缺气。据了解，国家“十二五”规划，将长输天然气管线进入该地区。 该地区地处雅鲁藏布江、金沙江、大渡河和雅砻江流域，有丰富的水力资源。据统计，西藏的水力资源占全国第一。仅雅鲁藏布江可开发的水力资源就占全西藏水力资源的83.7%，其发电能力约47,375.3Mw。到2003年，全西藏装机水力发电能力约156Mw，根据自治区电力规划，远期全区水力发电能力将达2000Mw。全区工业不发达，水电负荷主要用于民用。云南省香格里拉，至2009年，水电装机能力300Mw，主要用于德钦市(香格里拉地区首府，城市人口20万)的民用，目前水电供大于求。四川阿坝和甘孜两个藏族自治州，共有19个县，流经该地区的金沙江、大渡河和雅砻江有丰富的水电资源，预计2012年可建成4000～8000Mw(400～800万kw)的水力发电机组，相当于三峡水力发电的1/3～2/3(三峡发电量为12800Mw即1280万kw)。 该地区，特别是西藏拉萨地区，天气透明度好云量少，日照时间长，具有丰富的太阳能资源。拉萨地区各季日照率高达77%，全年总太阳辐射值达7782MJ/m2 ，利用太阳能供暖，有很大的发展远景。其他地区，香格里拉、阿坝、甘孜，各季日照率都在58%～67%之间，太阳能资源的利用，也都有相当客观的发展前景。 （3）优先采用太阳源水电热泵供热 供热行业是一个能源消耗较大的行业。各地供热方式的确定，一个重要的原则，应该与当地能源结构的特点相匹配。我国西南地区(拉萨、香格里拉、甘孜、阿坝等)的能源结构特点是缺煤、缺油、缺气，但有丰富的水力资源和太阳能资源。自从火车进藏以来，煤价有所下降，但拉萨煤价仍比内陆每吨贵800元，且烧煤严重污染大气环境，与这一地区是我国旅游圣地直接相悖。因此，大量采用烧煤供热是不适宜的。国家“十二五”规划期间，青海天然气的输气管线将进入该地区，因此在水电资源不能满足需求的情况下，适当发展一些燃气供热是可以的，但从长远考虑，燃气虽比燃煤对大气污染的影响小一些，但比起水电、太阳能这类清洁能源来说，还是不可比拟的。通过上述分析，该地区最好的供热方式，应该是水电与太阳能相结合的供热方式。 近几年来，经业内技术人员的研究，我国西南地区靠太阳能集热，可满足该地区冬季供暖需求的1/3热负荷。根据这一特点，优先采用太阳源水电热泵供热是最佳方案。参考文献 ，提出的太阳源热泵供热方案可见图6.5所示。
图6.5 空气太阳源水电热泵供热系统 图6.5中P1～P6为系统各区段的循环水泵。该供热系统的基本思路是以太阳源水电热泵为供热的主热源，太阳能集热系统的集热与空气源水电热泵的集热为主热源的太阳能热源，基本目的是尽量提高太阳源水电热泵的蒸发温度，进而提高其机组的能效比。 在冬季供热期间，开始供热初期和临近供热末期，依靠太阳能集热系统的集热，和太阳源水电热泵加热即可使室内供热系统达到要求的供水温度(一般在45℃～50℃)。此时空气源水电热泵停止运行。 随着室外温度的降低,供暖热负荷的增大，上述供热方式不能满足室内热负荷需求时，启动空气源水电热泵系统。太阳源水电热泵系统的供水温度(冷凝侧)按照45℃～55℃(室内为地板辐射采暖)、或55℃～65℃(室内为散热器采暖)之间运行。当太阳能储热水箱中的水温达到上述水温要求时，则由太阳源水电热泵和太阳能储热水箱共同向室内系统供热，否则，太阳源水电热泵单独向室内系统供热。为了充分利用太阳能热量，在设计中，将室内供暖系统的回水先进入太阳源水电热泵系统的蒸发器侧，借此提高蒸发温度，降低返回太阳能储热水箱的回水温度。在最寒冷季节，光靠太阳能采热系统已满足不了室内供暖负荷时，启动空气源水电热泵，将提升的热水储入低温水箱，并与室内供暖系统的回水混合进入太阳源水电热泵的蒸发器侧。在夜间和阴雨天时，依靠太阳源水电热泵和太阳能储存水箱的储热联合供热,供热量不够时，启动空气源水电热泵。这样，就可利用热泵提升的热量，补充太阳能采热量的不足，实现整个供暖季供热量与需热量的平衡。 利用太阳能集热系统集热和空气源水电热泵集热，可将储热水箱的水温提升至不低于20℃～35℃之间，则可保证太阳源水电热泵机组的蒸发温度在10℃～15℃之间运行，冷凝器侧的供水温度保持在45℃～65℃，参考表6.3、表6.4，热泵的实际能效比可达3～5之间，节能的效益是非常明显的。 太阳源水电热泵供热系统，完全可以设计成分布式循环系统，这样节电效益更明显，更有利于提高系统的能效比。由于西南地区，城市规模不大，建筑密度较小，建筑容积率不高等特点, 太阳源水电热泵供热系统应以中小型规模为主，必要时可与被动式太阳房或蓄热型电暖器供热相结合，充分体现经济性和灵活性，更好满足当地居民的供暖需求。 这里介绍的太阳源水电热泵供热，除了充分发挥水电的优势外，另一特点是利用太阳源(含空气源)热泵代替水源热泵和土壤源热泵。西南地区另一优势是有丰富的太阳能资源。如果不充分利用用之不竭的太阳能，而是煞费苦心向底下水要热，向土壤要热，实际上是一种舍近求远，本末倒置的做法。据介绍，西南地区的地表水温为8℃，地下水温(80m深)为11℃，如果采用水源热泵,蒸发温度只有6℃左右(土壤源热泵也接近如此)，比利用太阳源热泵的蒸发温度低了很多(约10℃～15℃)，显然系统能效比不高，节能不显著。这说明，西南地区，利用太阳源热泵远比利用水源热泵、土壤源热泵更为有效。 就全国而言，同样存在类似的问题：盲目推广水源热泵、地源热泵的浪潮，仍然存在。多少年前，人们善良的忠告，没有起到作用。至今，不少地区开始尝到了恶果：地下水位急剧下降，地下水不断污染，区域地质变坏………!所有这一切，开始使一些业内人士有所感悟。近年来，我们在节能减排的大趋势下，深深感到，在全国范围内无论工业行业，还是工艺过程，都存在着大量余热，白白浪费，无人过问。有志者，应向地面的余热要热！只一味向地下要热，是一种目光短浅行为！只要理念更新，技术创新，节能的道路是非常广阔的。 6.3.2热热泵---吸收式热泵供热 热热泵一般指溴化锂吸收式热泵。热媒可以是蒸汽，也可以是热水。主要由发生器、蒸发器、冷凝器、吸收器和节流装置等 。在发生器溴化锂溶液被热水或蒸汽加热，水蒸发为汽，在经过冷凝，蒸发等过程，实现制冷制热过程。其中溴化锂溶液中的水为制冷剂。 目前利用吸收式热泵供热，已有不少实际工程。主要工作原理：是在热电厂首站，利用发电机组泠凝器中的冷却水（约35℃）和汽轮机低压抽汽，通过吸收式热泵，板换组合，产生130/25℃的高温热水，向供热系统供热。各热力站同样通过吸收式热泵和板换组合，将135/25℃的一级网参数交换成65/50℃的二级网供回水温度供热。 吸收式热泵供热的最大优点是充分利用冷凝器冷却水和汽轮机低压抽汽产生130/25℃高温热水供热，不但合理利用了低品位热能，而且大大增加了供回水温差（温差为105℃），进一步提高了管网供热的输送能力，其节能效果和经济效果明显。 吸收式热泵供热的热电厂首站和各换热站的工艺流程见图6.6和图6.7。
图6.6 热电厂首站吸收式热泵机组流程
图6.7 吸收式热泵热力站流程 通过效率计算，热电厂首站的效率为1.66，热力站效率为0.78.全供热系统的效率接近1.0，总体评估，热量利用率是合算的。 但应该指出，溴化锂溶液在热泵循环过程中，其溶液必须在58-62%之间，否则结晶。这就限制了其优势的发挥。应该开发更有效的热泵机组。也因同样原因，在浓度在62%时，过热水蒸气温度为96℃，这就限制了二级网供水温度不能过高（一般为65℃），否则热泵供热系统不能正常运行。为此应单独进行系统设计，不应“因噎废食”，整体降低供水温度。 |
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