（动力机械及工程专业论文）热泵与热电联产耦合供暖系统研究.pdf

华北电力大学硕十学何论文 摘要 节能与环保是当今世界关注的焦点。火力发电厂是工业生产中的耗能大户， 循环冷却水带走了大量的低品位热量。热泵作为一种技术成熟的节能装置，能 够利用少量的功或热从低温环境中汲取大量热量，对废热回收以及提高能源利 用率具有重要的意义。本文针对凝汽式火力发电厂冷端损失了大量低品位热量 的实际情况，提出了热泵与热电联产耦合供暖方案。 本文根据开式、闭式循环水系统以及不同的供暖规模设计了四种方案，探 讨了热泵供暖与热电联产供暖的等价性问题。通过选用带一级经济器的两级离 心式热泵装置克服了热泵供暖温度较低的问题，在确定热泵工质为r 1 3 4 a 的基 础上，利用d e l p h i 开发了系统计算软件，实现了热泵性能参数、循环水流量、 热网水流量、耗电量等一系列参数的软件计算，减少了手工作业量。文中利用 热量法和煳方法分别对热泵四大部件及系统进行热力学分析，最终给出性能图 表以及相关建议。最后，为了更加全面的分析该方案的实用性，针对实际情况， 对热泵供暖与四种常见的供暖方式进行经济性对比分析，结果表明，由于回收 了大量的废热，供暖运行成本低、收益大。 对于凝汽式电厂，热泵热电联产耦合供暖对于提升电厂热效率、节约燃料、 节约用水以及保护环境有着重要意义。 关键词：耦合供暖；热泵技术；废热回收；热量法；炯方法 # 北f 【! ，j 人学颁 j 学位论史 a b s t r a c t t os a v ee n e r g ya n dp r o t e c tn a t u r a le n v i r o n m e n ta r et h ef o c u so fw o r l d a st h e l a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n d u s t r y ，t h e r m a lp o w e rp l a n t sw a s t eh u g el o wq u a l i t y h e a tb yt h ec i r c l ec o o l i n gw a t e r h e a tp u m pd e v i c e ，a sam a t u r ee n e r g y s a v i n g t e c h n o l o g y ，c a nt a k ea d v a n t a g eo fas m a l la m o u n to fp o w e ro rh e a tt oa b s o r bal o t o fl o wq u a l i t yh e a tf r o ml o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，w h i c hi s s i g n i f i c a n tf o r w a s t e - h e a tr e c o v e r ya n ds a v i n ge n e r g y i nt h i sp a p e r ，t oa i ma tt h eh u g el o w q u a l i t y h e a tl o s ti nt h ec o n d e n s e ro fp o w e r p l a n t s ，t h ec o u p l i n go fh e a t i n gs y s t e mw i t hh e a t p u m pa n dh e a t - p o w e rc o g e n e r a t i o ni sp r o p o s e d f i r s t l y ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sf o u rp r o g r a m sf o rd i f f e r e n th e a t i n gs c a l e so ft h e o p e n ，c l o s e dc y c l ew a t e rt os e l e c t ，a n dd i s c u s st h ee q u i v a l e n c ew i t ht h eh e a ta n d p o w e rc o g e n e r a t i o n i no r d e rt oi n c r e a s et h eh e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h ea r t i c l ec h o o s e s t h et w os t a g e sc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rh e a tp u m pw i t hae c o n o m i z e r ，a n ds e l e c t st h e r - 13 4 aa st h ew o r k i n gs u b s t a n c e f o rr e d u c i n gt h em a n u a lc a l c u l a t e w o r k ，t h e a r t i c l ed e v e l o pas o f t w a r eb yu s i n gd e l p h it oc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o fh e a tp u m p ，t h ef l o w so ft h ec i r c l ew a t e ra n dt h eh e a t i n gw a t e r n e t w o r k ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o n ，e ta 1 s e c o n d l y ，t h ea r t i c l ea n a l y s e st h et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c e b yu s i n gh e a tm e t h o da n de x e r g ym e t h o d ，g i v e st h ep e r f o r m a n c ec h a r t s ，s h e e t sa n d t h er e c o m m e n d a t i o n s f i n a l l y ，i no r d e rt oe v a l u a t et h ec o m p r e h e n s i v eu s e f u l n e s so f t h ep r o g r a m ，c o m p a r et h e e c o n o m yw i t ho t h e rf o u rd i f f e r e n tc o m m o nh e a t i n g s y s t e m s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h er e s u l t so fr e c o v e r i n gt h eh u g ew a s t eh e a t ，t h e o p e r a t i n gc o s t sa r el o w e rt h a no t h e r s ，a n dw i l lb r i n gm o r eb e n e f i t s o nt h ew h o l e ，t h i sp r o g r a mi ss i g n i f i c a n tf o ru p g r a d i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c y o fp o w e rp l a n t s ，s a v i n gf u e l s ，c o n s e r v i n gw a t e ra n dp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c o u p l i n go fh e a t i n gs y s t e m ；h e a tp u m pt e c h n o l o g y ；w a s t eh e a tr e c o v e r y ； h e a tm e t h o d ；e x e r g ym e t h o d i i 华北电力大学硕 学位论史 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 能源在人类社会发展过程中扮演着极其重要的角色，在某种程度上，可以说 人类社会的进步和发展已经离不开优质能源的出现和先进能源利用技术的使用。 人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替【l 】。然而，人类文明发展 至今，利用的能源大部分都是不可再生的，如今全世界都面临着一个同样严峻的 问题一能源日趋枯竭与需求的不断增长的矛盾及环境污染日益严重。 为了实现能源的可持续发展，各国政府一方面在积极的“开源”，另一方面 也在积极的“节流”。“开源”就是开发核电，风电，太阳能等新能源和可再生能 源，“节流”就是利用科技手段提高目前能源利用率，调整能源结构，大力减排， 如废热回收，垃圾发电等。 目前，包括欧美这些发达国家，能源利用率都普遍偏低，即使是利用率最高 的日本也只是5 7 ，而据2 0 0 8 年统计数据显示，我国的能源利用率仅为3 3 。 由此看出，即使是工业发达的国家也有4 0 以上的能源变成废热排放到环境中去 了，不仅浪费了能源，而且造成了环境污染瞄j 。 在能源利用过程中，主要是以热能的方式利用的，据资料显示，在美国、英 国、加拿大三国能量的消耗中，热消耗比例达到5 8 ，而热消耗又以低于1 0 0 的热量消耗为主要用途【3 】，例如建筑供暖。 据统计，中国建筑总能耗占全国能耗的2 0 7 ，其中，又有3 6 的用于建 筑供暖。当前，我国的主要供暖方式有：集中供暖，包括大规模的热电联产集 中供暖，大型的区域锅炉房供暖。分散小锅炉房供暖。其他方式，包括用电 采暖、燃气采暖、农村火炉采暖等。其中符合能量梯度利用原则的热电联产普及 率还很低，大部分地方供暖都是采用小锅炉房或者其他方式供暖，于是我们不得 不以消耗高品位的燃料化学能去换取低品位的热能以便用于建筑采暖。所以，在 我国除了大力发展热电联产之外，能否大力推广一种新型的、节能的、环保的供 暖技术成了当务之急。利用热泵装置回收废热技术的成熟将会使得这一问题得到 解决。 在我国，利用煤炭发电占一次能源发电量的7 7 ，而传统的火力发电厂是一 种能耗高，污染严重的产业，不但消耗了大量的煤炭，水资源，而且造成了空气 污染，热污染等一系列问题。在凝汽式发电厂中，冷端损失的热量巨大，约占总 热量的5 0 以上，但由于品位较低，一直以来都未引起足够的重视。虽然已经有 1 产北il ! j 人学硕i ：学f 节论文 一些电厂开始尝试利用低真空运行方式来加热循环水向热用户供暖，但受技术参 数的限制，供暖范围有限。据不完全通知，我国- - ：i l 地区凝汽式发电厂每年约有 5 5 1 0 8 g j 的冷源热量未被利用，如果把这些废热充分回收，则可供1 9 x1 0 7 m 2 建筑物冬季采暖【4 1 。当前，仍有不少的凝汽式2 0 0 m w 或者3 0 0 m w 老机组， 其热效率低，煤耗高，污染严重，都面临着抽汽供热能力达到极限或者淘汰被高 参数大机组所替代的尴尬局面，如果能利用热泵汲取电厂循环水排出的冷凝热供 暖，不仅扩大了供热规模，而且提高了热经济性，这样就有可能和大机组媲美的 可能性，节省了资金，同时也达到了节水，节能的效果。 1 2 国内外热泵研究动态 热泵的发展历史可以追溯到1 8 世纪初叶，尤其是压缩式热泵，到现在技术 已经比较成熟。上个世纪后半叶，石油危机爆发，使得能源价格大幅度的上涨， 于是，世界各国的注意力发生了转移，开始关注如何降低单位产值能耗，减少温 室气体的排放，走上可持续发展路线，也就是在这时候，开始了节能，环保工作。 由于热泵具有节能功效、回收废热、环保等特点，自然得到了各国的青睐，于是 热泵技术和理论知识得到了迅猛的发展。 大概在2 0 世纪4 0 - - 5 0 年代热泵开始进入早期的发展阶段，当时杂志发表了一篇 “能源经济与热力学热泵 的专门报告，报告主要讲述了瑞士和英国热泵当时的 使用状况1 5 j 。2 0 世纪7 0 年代以后热泵技术进入了成熟期。1 9 7 1 年美国的热泵发 货量为8 万台，7 6 年达到3 0 万台，1 9 9 6 年美国的空气源热泵年产量就达到了 1 1 4 万台【6 】。其他国家，1 9 8 3 年挪威建成了一套利用未经过处理的污水为低温热 源的热泵供暖系统，热泵站的容量为9 0 0 0 k w 7 】。日本1 9 9 6 年热泵型房间空调年 产量高达7 0 0 万台，商用热泵空调达7 5 万台。而热泵用于区域供暖的则以瑞典 为最多，斯德哥尔摩市区域供暖的容量约有5 0 由大型热泵提供。二十世纪九十 年代初，国际能源机构热泵中心对2 5 个国家( 其中包括经济合作发展组织的美、 日、英、法、德等1 6 国和中、韩、巴西、捷克等9 国) 调查和分析了热泵方面 的技术和市场状况，当时全世界已经安装运行的热泵已达到5 5 0 0 万台，大约有 0 0 0 台工业热泵在使用，近4 0 0 套区域集中供热系统在供热。全世界的供热需 求量中由热泵提供的近2 t 引。2 0 世纪8 0 年代以来，瑞典建立了一批大型热泵 站。如表1 1 ，到1 9 8 7 年，约有1 0 0 座热泵站投入运行，总供热能力达到1 2 0 0 m w ， 已成为世界上应用大型地表水源热泵站的代表国家之一【乳1 0 】。然后，大型地表水 源、地下水热泵在欧洲各国开始兴建。芬兰有6 台m w 级装置；荷兰有l 套1 5 m w 装置；罗马尼亚有7 5 m w 的吸收式热泵1 5 套，2 9 m w 的1 0 套，8 7 m w 的l 台， 用于区域供暖，连同其他约4 0 0 套中型压缩式热泵一起，每年节约3 0 0 0 0 t 标准 牛北电力人学硕十学位论文 煤【1 。 表1 1 瑞典的地表水源和地下水源的人型热泵站【6 】 热泵技术和制冷装置原理一致，之所以热泵是在2 0 世纪7 0 年代后发展起来 的，能源供求矛盾直接导致了各国竞相发展热泵，并且因为制冷技术的成熟，所 以热泵技术发展势头迅猛。现在的热泵一般都能节能3 0 以上【l2 1 。目前不仅热 泵出现在工业发达国家，在发展中国家同样势头迅猛。热泵的应用范围也在不断 的开拓，木材、食品、毛皮、纸制品等的干燥，粮食、茶叶的烘干，奶制品浓缩， 海水淡化，蔬菜大棚供暖等方面到处都有热泵的应用【”】。 在我国，热泵发展与应用相对于工业发达国家有一定的滞后，但是相对来说 起点高，发展快，有些技术甚至已经达到国际先进水平。我国在2 0 世纪5 0 年代 初，一些大学学者已经开始从事热泵技术的相关研究。从1 9 6 5 年在上海研制了 第一台制热量为3 7 2 0 矿的热泵型窗式空调开始，到1 9 8 8 年，热泵空调器的年产 量为2 4 3 5 万台。在2 0 世纪8 0 年代，我国的热泵已经成功的应用于木材、茶叶 干燥、游泳池或水产养殖冬季加热等行业中。到1 9 9 9 年底，上海每百户居民拥 有家用空调8 5 2 台。同时在9 0 年代中期一些大中型城市的现代办公楼和商场中 已经开始采用闭式环路水源热泵空调系统，到9 7 年国内水环热泵的工程应用实 例共5 2 项。到1 9 9 9 年，约有1 0 0 个项目，2 万台水源热泵机组在运行。 进入2 1 世纪以来，我国热泵理论研究工作更加深入，2 0 0 0 - 2 0 0 3 年热泵专 利为2 8 7 项，是1 9 8 9 1 9 9 9 年专利平均数的4 9 倍。热泵的变频技术、计算机 仿真及优化技术、工质c f c s 替代技术、空气源热泵的除霜等技术都有了实质性 。产北f u 力人学硕l j 学位论文 的进展。 1 3 课题主要研究内容 针对目前节能建筑供暖要求温度不高，热量品位较低，结合凝汽式火力发电 厂损失的数量可观的低品质热能的特点，研究利用凝汽式火电厂循环水废热的热 泵热电联产耦合供暖的可行性。本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 探讨热泵供暖与常规热电联产的等价性问题，为后续工作提供理论依 据。 ( 2 ) 根据供暖要求和电厂实际情况，提出有针对性的热泵热电联产供暖系 统方案； ( 3 ) 分析热泵工质热力性质的计算方法，利用d e l p h i 编制带有一级经济器 的两级离心式热泵循环特性计算软件，进行热力循环分析： ( 5 ) 分别建立热量法、炯方法数学模型，利用m a t l a b 分析热泵循环，给出 相应图表，对图表，数据进行分析并给出建议； ( 6 ) 在上述工作的基础上，进行实例分析，从多方面比较几种常见供暖模 式的经济效益及节能效益，以便提供决策依据。 华北电力大学硕f 学位论文 2 1 热泵技术简介 2 1 1 热泵定义 第2 章热泵技术概述 提到“泵”，首先想到的应该是水泵，水泵是通过做功，把水从低位泵送到 高位。而热泵，同样也是一种能量的提升装置，通过消耗一少部分的高品位能量 ( 热能或电) ，把从低温热源中汲取的低品位热量转化成较高温度，较高品位的 热量并转移给高温热汇。用热力学第二定律来描述，就是当以高位能作为补偿的 条件时，热量可以从低温物体转移到高温物体。热泵能把空气、土壤、水中所含 的不能直接利用的热量直接转化成可利用的较高品位的热量。通常利用热泵作为 空调系统为用户提供1 0 0 以下的热水或热风。 图2 1 描绘了热泵系统的基本能量转换【1 4 】。 图2 1 热泵系统的基本能量关系 如图所示，在理想情况下，不计各项不可逆损失，则供给高温热汇的热量为 从低温热源汲取的热量和热泵耗功的总和，即： 鲔= 吼+ 矿 r ：；! 1 、 这里的吼是从低温热源中汲取的热量，也就是热泵从环境中提取废热并“变 废为宝”。纵w 也称为供热系数【1 5 】。 热泵发展历史悠久，尤其是压缩式热泵，最早可以追溯到1 8 实际初叶，1 8 2 4 1 f 北f 也力人孚：f 1 贝l ：￥：1 征论义 年热力学中卡诺循环理论的提出，不仅为热机提供了理论基础，同时也为热泵的 研究奠定了基础。 热泵的制热原理和制冷机的制冷原理其实是同一个热力循环，只是针对的工 作温度范围以及要求的工质可能有所不同。所以，早在1 8 5 2 年t h o m o s o n ( 汤姆 逊) 就指出，制冷装置也可以应用于供热，并提出了第一个比较正式的热泵系统， 称作“热量倍增器”。如图2 2 所示，此装置由蒸汽机作为动力装置，用来驱动 图2 2 “汤姆逊”的热量倍增器 1 吸入汽缸2 排除汽缸3 蒸汽机4 冷却器 大气 4 一个吸气缸和一个排气缸，循环工质为空气。系统运行时，吸气缸首先膨胀，吸 入空气，并降低压力和温度；接着低温低压空气由吸气缸排放进入储气器，通过 换热吸收环境中的热量；吸收热量后温度提升的空气被膨胀的排气缸吸入，再进 一步压缩，提升温度，最终送入供暖建筑【14 1 。 2 1 2 热泵的节能效益、环境效益 随着社会的进步和科技的发展，人类居住环境和生活质量得到了极大的提 高，而建筑供暖，尤其在我国北方严寒地区是最基本，最普遍的需求。有统计表 明，北方建筑供暖煤耗占全国建筑总能耗的3 6 ，是建筑能耗的最大组成部分。 单位面积采暖平均煤耗折合标准煤2 0 k g ( m 年) ，是同等纬度北欧国家的2 - - - 4 倍【1 6 】。 热泵，作为一种节能技术，可以从很大程度上降低优质的一次能源的消耗。 针对电动压缩式热泵，有数据表明，考虑各种因素，只要制热系数大于3 ，就会 牛北 乜力人学坝十学位论文 比8 0 的区域锅炉房供暖节省一次能源。从目前的实际使用情况来看，各种家用 的空调系统制热系数均大于3 。一些大型热泵机组甚至能达到4 以上。所以，利 用热泵装置来发展供暖技术比目前的供暖方式有着比较明显的优势。 在居住环境，生活条件改善的同时，人们也不得不面对日益恶化的地球环境。 温室效应、酸雨、臭氧层破坏等一系列问题困扰了世界各国。2 0 0 8 年我国用于 环境污染治理的相关投资已达4 4 9 0 3 亿元，占国内生产总值( g d p ) 的1 4 9 t 1 7 j ， 可以预见，伴随着我国工业化，城市化的步伐加快，这一比例将会继续增加，环 境问题将成为制约国家发展的一大障碍。 热泵技术作为一种有效的节能手段，同样也是一种减少温室气体排放，大气 污染的环保技术。例如，热泵可以从地下水、空气、地热等低温热源中汲取热量 【l 引，在对热用户提供相同热量的情况下，电动压缩式热泵比燃油锅炉节省4 0 左右的一次能源，可以减少6 8 的c 0 2 排放，9 3 的s 0 2 排放，7 3 的n o 。排放 【l9 1 。因此，一些发达国家把热泵视为一种减少有害气体和烟尘排放的有效技术。 目前，世界上运行的热泵机组大概有1 3 亿台，供出的热量已经达到4 7 1 0 9 g j 年。热泵作为一种绿色的，清洁的节能技术，随着广泛的应用，将会带来良好的 环境效益。 2 1 3 热泵的分类 热泵的分类根据不同的依据有多种分类方法，例如按热源种类分、按热泵工 作原理分、按热泵驱动方式分等一系列方法。我国的分类方法和美国类似，一般 按热源的种类和热媒的种类来划分【9 1 。如图2 3 。一般的热泵空调系统可以冬季 制热，夏季制冷。这就要求热泵机组的运行工况进行改变。一般有两种方法： ( 1 ) 改变循环工质的流动方向。 系统中一般安装有四通换向阀。供暖工况下，从压缩机排出的高温高压气态 工质流向室内的换热器( 冷凝器) ，为热用户提供所需热量。此时，室外的换热 器负责吸收低温热源的热量，扮演蒸发器的角色。夏季制冷工况运行时，则通过 换向阀使得从压缩机排出的高温高压工质气体进入户外换热器( 冷凝器) 将热量 排放给高温热汇，此时室内的换热器吸收低温热源的热量( 空气，水) ，扮演蒸 发器的角色。 ( 2 ) 改变换热器所用的流体介质。 这种情况下，无论是在供暖还是制冷工况下，热泵工作介质在系统中的流动 方向不变，只需要通过阀门改变流入蒸发器、冷凝器的流体介质( 如水) 的流动 方向。冬季供暖时，使得载热介质( 如水) 通过冷凝器吸收热泵工质放出的热量， 供热用户使用。夏季制冷时，载冷介质( 如水) 通过蒸发器被热泵工质吸收热量 f f 北l u 力人学硕l j 学位论文 后温度降低后流向热用户，以便制冷使用。 图2 - 3 热泵基本分类框图 8 毕北电力人学硕十学位论文 2 2 热泵的热力学原理 2 2 1 逆卡诺循环 制冷循环和热泵循环都是逆向循环的一种，它们之间的区别就在于制冷循环 是从低温热源中( 如冷冻室) 不断的汲取热量，最终把热量排放到环境中，从而 达到保持低温的目的；而热泵循环是不断从低温热源吸取热量并向高温热汇( 如 热用户) 不断的放热，使介质其提高到所需温度。这两种循环的本质都是一样的， 都是通过付出一定的代价，驱动工质的循环，使低温热源的热量转移到高温热汇。 这里的代价是指高品位的机械能或热能，这样包括低温热源、高温热源、热泵装 置在内组成一个孤立系统，该系统的整个工作过程是一个熵不减少的热力循环过 程【2 0 1 。 卡诺循环定理规定在温度同为乃的热源和温度同为正的冷源之间工作的所 有不可逆循环，热效率肯定小于可逆循环。而在，瓦之间工作的可逆循环的热 效率都是相等的，与循环种类无关，与采用的工质无关。所以，要分析热泵的循 环过程，首先要分析其理想循环过程一逆卡诺循环。如图2 4 所示是工作于，正 之间的逆卡诺循环温熵图。 s 4 5 3 图2 4 逆卡诺循环 逆卡诺理想循环过程由两个等温过程和两个等熵过程组成。工质在理想状态 下从状态4 等温膨胀变化到状态1 ，并从低温热源汲取一定的热量；吸收热量后 的工质等熵压缩至状态点2 ，温度从瓦升至；从2 点开始工质向高温热汇放热 达到状态3 ，这一过程是等温等压过程；最终工质经过等熵过程从状态3 回到状 态4 ，完成一个循环。 根据热力学所学知识，遵循逆卡诺循环的理想热泵制热系数为： c o l a 。希( 2 - 2 ) o # 北l u 力人学顾f ：学位论文 这一标准是实际的热泵循环制热系数的理论极限，也是评价一台热泵性能的 比较标准。 2 2 2 洛伦兹循环 在热泵的实际工作中，蒸发器，冷凝器这些换热装置中进行的热交换并不是 等温过程，这时低温热源和高温热汇的温度都要发生变化。对于这种情况，可以 用洛伦兹( l o r e n z ) 循环来表示。循环过程同样也是由四个过程组成，两个变温 的热交换过程，两个等熵过程。如图2 5 所示，4 1 是蒸发器内的可逆吸热过程， 1 2 是压缩机内的等熵压缩过程，2 3 是冷凝器内的可逆放热过程，3 4 是等熵节 流过程。 s 4 s 3 图2 4 洛伦兹循环 同样的，可以利用热力学知识证明，按洛伦兹循环的理想热泵的制热系数， 与在平均温度，工作的逆卡诺循环热泵的制热系数相等，即 c d p = 击 ( 2 - 3 ) 2 3 蒸气压缩式热泵的工作原理 2 3 1 单级蒸气压缩式热泵 实际上，单级蒸气压缩式热泵的循环过程和制冷机循环过程是一样的，只是 工作的温度区间有所不同。该热泵装置同样主要由四大件组成，分别是：蒸发器、 压缩机、冷凝器、节流装置。四大件之间通过管道连接构成整个热泵装置。 图2 5 就是单级蒸气压缩式热泵的工作原理图。整个循环过程是：低温低压 的热泵液体工质在蒸发器内吸收低温热源的热量后蒸发，被吸入压缩机，由电机 耗功驱动的压缩机对工质进行压缩，使其压力和温度提升后排入冷凝器，高温高 华北f 乜力大学顾十学位论文 压蒸气工质进入冷凝器在压力不变的情况下对高温热汇放热降低温度，降温后的 工质变成高压液体，该液体工质通过节流装置进一步降低压力温度变成液体回到 蒸发器。于是热泵工质在装置内分别经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个过程完成 了一个完整的热泵循环。 图2 - 5 单级蒸气压缩式热泵原理图 该循环过程是在有温差传热的两相区的逆卡诺循环的基础上改造而成的。其 中，蒸发器中实现的是等压吸热气化过程，冷凝器内实现的是等压放热冷凝过程。 而压缩过程则改进到过热区进行，来代替在两相区的不易压缩且不安全的湿压缩 过程。 图2 - 6 ，2 7 是单级蒸汽压缩式热泵的理论循环的温熵图和压焓图。在乃， l g p h 图上，节流过程如3 4 所示，由于是等熵绝热节流，经过此过程焓值保持 不变，但压力，温度同时降低，并保证状态4 落在两相区；汽化过程在图中用 4 1 线段表示，在这一过程中工质从低温热源吸热汽化；等熵压缩过程用线段1 2 表示，压缩后的工质进入升温升压并进入过热区；放热过程用线段2 2 3 表示， 在这一过程中冷凝器向高温热汇放热，达到用户需求。 研究整个循环可以得到如下公式： ( 1 ) 单位工质制热量q ， 单位工质制热量是指每l k g 工质在冷凝器中放出的热量。在图2 - 6 的t - s 中 用过程线段2 3 下的面积3 - c a 2 3 来表示，在t g p h 图中用状态点2 和状态点3 f 北l 乜，j 人学硕i 学位论文 的焓差来表示，即 q 。= h 2 一h 3 ( 2 - 4 ) 图2 - 6 单级蒸气压缩式热泵循环t - s ，t g p h 图 ( 2 ) 单位工质制冷量q 。 单位工质制冷量是指每l k g 工质在蒸发器中汲取的低温热源的热量。在乃s 用线段4 - 1 下面的面积1 - a b4l 来表示，在t g p h 中用状态点1 和状态点4 的焓 差来表示，即 q ，= h i - h 4 ( 2 - 5 ) ( 3 ) 单位工质功耗w 单位工质功耗是指每压缩l k g 工质压缩机所耗功量。在正s 上用近似用面积 1 - 2 - 3 - 5 - 4 - 1 表示，在t g p - h 图上用状态点2 和状态点1 的焓差来表示，即 w - - - - h 2 一h i ( 2 - 6 ) ( 4 ) 节流过程 h 3 = h 4 ( 2 - 7 ) ( 5 ) 制热性能系数c o p 制热性能系数即用所获得的收益q 。比上所花费的代价w ，即 c o p ：生：譬阜 ( 2 8 ) 2 3 2 两级蒸气压缩式热泵 单级机械压缩式热泵运行时，热泵工质的蒸发压力是由低温热源决定的，冷 凝压力是由用热需求来决定的。在一定的低温热源环境温度下，随着用热温度的 华北f t ! 力人学硕 ：学化论文 提高，热泵工质的冷凝压力与蒸发压力之差p ，一p ，也必然增大，同时压比p 。p ，变 大。常规的热泵装置所使用的压缩机，一般都是定性生产的。因此使用这些压缩 机的热泵系统，就必须要满足压缩机规定的设计和使用条件。例如单级压缩式热 泵的压比一般不超过8 。卤代烃类的离心式压缩机的每级叶轮的温度头不超过3 9 【2 卜2 2 1 。由于离心式压缩机每一级能达到的压比比活塞式的要小，所以除了冷凝 温度不高的空调系统采用单级热泵循环外，其他的一般都采用两级的。 两级压缩式热泵主要采取的方式是两台压缩机串联，热泵工质在一个循环过 程中要经过两次压缩。根据压缩机工作压力的大小，通常把两台串联的压缩机分 为高压级和低压级。每台压缩机的压比都控制在一定的范围内，热泵系统的总压 力为两台压缩机压力比的乘积。 两级压缩式热泵按节流次数可以分为一级节流，两级节流。若热泵工质从冷 凝压力p 。直接节流降压到p 。，则称为一级节流；若从冷凝压力p 。先节流降到中 间压力p 。，其中的液体工质在继续节流到p 。，则称为两级节流。同时针对每一 图2 - 7 双级蒸气压缩式热泵原理图 种情况，又根据蒸气和液体中间冷却方式的不同可以分为中间不完全冷却、完全 冷却、无中间冷却循环。带一级经济器( 中冷器) 的两级节流，不完全冷却的热 泵装置原理图和压焓图如图2 - 7 ，2 - 8 所示。其他形式类似。 在进行两级压缩式热泵计算时，需要确定中间压力，正确合理的选取中间压 力，可以使热泵循环的经济性更高。中间压力的选择与蒸发压力，冷凝压力有关， 一般按照经验公式，中间压力计算公式为： p 。= 如，p 。 ( 2 9 ) 如图所示，在冷凝器中冷凝的热泵工质，经过一次节流后降到中间压力进入 。产北l 【! ，j 人学硕f j 学化论文 曼i 一一一 一i 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼皇曼鼍曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅 l g p a 图2 - 8 双级蒸气压缩式热泵压焓图 经济器，经济器中的闪发蒸气q 。直接进入高压级压缩机，而经济器中的液体工 质q = o 继续节流，降低压力后进入蒸发器吸收低温热源的热量，汽化后被吸入低 压级压缩机，压力升高到中间压力时和q 。混合，一起被吸入高压级继续压缩， 最终9 。，+ g 。一起进入冷凝器放热，由此完成一个制热循环。 研究整个热力循环过程，可得到下列计算公式： ( 1 ) 工质制热量q 。 q 。= 0 2 - h 5 ) ( q 。i + 口。o ) ( 2 9 ) ( 2 ) 循环量之比z 循环量之比是指在经济器中工质闪发蒸气的质量q 。与进入蒸发器的工质质 量g 。之比。即： z ：q m l ( 2 1 0 ) g 柚 ( 3 ) 工质制冷量q 。 q 。= q 辨1 o i - h 7 ) ( 2 - l1 ) ( 4 ) 压缩机耗功w w = q 。o k - h ) + 0 。+ g 。) ( | 1 1 2 一h i e ) ( 2 - 1 2 ) ( 5 ) 制热性能系数c o p c o p = 詈= 磊孝蒯鲁 2 4 本章小结 本章扼要的介绍了热泵的定义以及热泵的环保节能效益，并简单追溯了热泵 毕北电力大学硕+ ：学何论文 的发展史。在后面的内容中详细的阐述了热泵的热力学理论知识，包括逆卡诺循 环，洛伦茨循环。 针对常见的电动压缩式热泵，通过图形介绍了最普遍的单级压缩式热泵，但 为了达到更高的供热温度，满足用户的需求，必须提高压缩机的压头，为此本章 也介绍了文章方案设计中将要采用的带一级经济器的两级离心压缩式热泵，结尾 部分也给出了热泵热力循环过程中一些相关性能参数的计算公式。为论文后面的 工作做了必要的铺挚。 二北i 【! ，j 人学硕f 学位论义 第3 章热泵热电联产耦合供暖 3 1 凝汽式电厂冷端损失 火电厂作为耗能大户，机组主要包括锅炉、汽轮机和发电机三个系统。这 三大系统决定了机组运行的经济性。目前，国内火力发电厂的平均发电热效率 大概在3 3 左右【2 3 1 。其中冷端损失的低品位热能大约有5 0 左右。这部分冷凝 热温度具有接近环境温度，品位低( 排气压力0 0 0 4 0 0 0 8 m p a ，冷凝温度为4 0 左右) ，量大，比较集中等特点。当前，凝汽式电厂普遍使用的方法是通过水 或空气来冷却排汽，水或空气吸收的热量排放到大气中，既浪费了大量的能源， 也浪费了很多的水资源并造成了环境的热污染。但根据热力学第二定律可知，因 为这部分冷凝热接近于环境温度，所以品位很低，废热难以回收，一直没有引起 足够的重视【2 引。 目前凝汽式火电厂冷凝热处理存在的主要问题是： ( 1 ) 冷凝热品位低，废热难以回收，虽然有部分电厂尝试改造汽机加热循 环水进行供暖，但尚未成规模，且会影响汽机的经济型； ( 2 ) 热污染严重。通过冷端损失排放到大气中的大量废热造成了热污染， 单从数量上比较，远远大于电厂排烟热量的热污染； ( 3 ) 严重浪费水资源。在水冷式的凝汽式发电厂中，从冷却塔蒸发的水量 约为循环水量的1 5 1 8 。 今天，绿色节能与可持续发展成为世界各国关注的焦点，同时也由于废热回 收技术的逐渐成熟，很多学者和科研单位已经开始在电厂循环水的利用上投入了 很大的资金和精力。其中利用热泵回收电厂循环水热量并和热电联产进行耦合供 暖技术为解决上述问题提供了可能性。 3 2 热泵热电联产耦合供暖方案 该耦合方案中热泵利用的低温热源是电厂循环水，所以是针对凝汽式火电厂 的水冷机组设计的。根据水冷机组是采用闭式循环还是开式循环，供暖建筑规模 及与电厂的距离，分别设计了四种不同方案来满足需求。距离电厂较近，规模较 小的建筑，如电厂办公楼，职工楼采取热泵直接加热热网水的方式供暖；距离较 远，规模较大的建筑，则采用热泵热电联产耦合的方式进行供暖。 图3 1 是针对不同情况设计的四种方案，基本流程都是一样的。 循环水从汽轮机的凝汽器出来后温度升高，根据热泵流量所需，一部分进入 热泵的冷凝器，一部分排入冷却塔冷却后进入循环水池( 闭式循环) ，或者直接 华北l 乜力火学硕 ? 学佬论文 回加热器热网 回加热器 备用热网 b ) 回加热器 热网 1 7 f 二北i u 力人学顾l ：学化论文 回加热器备用热网 v v v v v v w v v 、，v 、，v v v d ) 图3 1a ) 闭式循环热泵热电联产耦合供暖b )闭式循环热泵供暖 c ) 开式循环热泵热电联产祸合供暖d ) 开式循环热泵供暖 1 汽轮机2 凝汽器3 冷凝器4 压缩机5 蒸发器6 节流装置 7 冷却塔8 循环水池9 、1 0 阀门 排放( 开式循环) ，进入热泵蒸发器的循环水被汲取热量降温后，排放到循环水 池( 闭式循环) ，或直接排放( 开式循环) ，这是循环水的水路循环。 热泵装置把从循环水汲取的热量和压缩机耗功转换成的热量一起加热热网 回水，当供暖距离较近、供暖面积较小时，采用热泵直接供暖，阀门9 关闭，阀 门l o 开启，即加热后的热网水直接供给热用户，此时应有备用热泵机组或者备 用热网加热器，以防热泵故障发生时或严寒天气热泵供热量不足时影响供暖，当 阀门9 开启，阀门1 0 关闭，热网回水进入热网加热器用汽轮机抽汽加热供暖。 当供暖距离远、供暖面积大时，为减少热网水流量，必须采用大温差供暖方式时， 由于热泵机组加热能力有限，所以必须采用热泵热电联产耦合方式加热，即热 网回水首先进入热泵装置加热，提升到一定温度时，再进入热网加热器用汽轮机 抽汽加热，以便达到更高的温度，从而满足需求。 在图3 1 中的b ，d 方案中，若电厂原有的供暖系统是使用抽汽加热的，则 可把原有的换热器作为备用，不需要备用热泵，节省了投资，在热泵供暖不足的 时候，可以和备用热网加热器进行耦合，进一步提升热网水温度。 3 3 热泵供暖与热电联产供暖的热力学等价性 能量的使用价值在于可以“促成变化，如物体速度变化、物质资料的生产 及加工、热泵供暖等，都是一种“变化 ，在能量促成这种“变化 的过程中， 必然会发生能量的传递，转移以及变化。所以，能量的利用过程也伴随着转化过 程。 华北电力大学硕 j 学位论文 在既定的环境条件下，能量包括两部分：匆u ( e x e r g y ) 和瓶( a n e r g y ) 。灿是 在既定环境条件下“能 里可以全部转化的部分。而航则是不可以转化的部分。 所以，任何一种形式的能量e 都可以看成是由删e ，和赋彳。按照一定比例所组成 的。即 e = 乓+ 4 ( 3 - 1 ) 在利用能量的过程中，不能仅仅局限于探讨能的量的大小，也就是说不能仅 靠热力学第一定律来作为能源利用的评判标准，还需要用到热力学第二定律来判 别能量的品质高低以及能量的转移方向。 在目前的技术条件下，热电联产是燃料最经济的利用方式之一。在热电联产 生产过程中，燃料燃烧的化学能转化成热能，其中的高品位热能用以发电，已经 在汽机中做过部分功的低品位热能用以对外供热，这符合能量梯度利用的准则， 实现了“热尽其能”的目的，提高了电厂的热利用率，经济性也大为提高，节省 了燃料。 在压缩式热泵装置的制热过程中，通过利用一部分的高品位能量做功来汲取 3 4 倍的低温热源中的低品位热能，最终通过热能的形式把两部分能量供给热用 户。若利用电厂的循环水作为低温热源，热泵供暖同样也能很好的实现能量的梯 级利用并节约一次能源。单从能量利用的品质角度考虑，热泵供暖和热电联产供 暖是等价的。 利用电厂循环水的热泵供暖和热电联产供暖的联系与区别就在于：在汽轮机 中做过部分功的蒸汽所具有的能量由煳和业无组成，热电联产就是把这部分搭配好 炯和炕的热量从汽轮机中抽出直接供给需要供暖的热用户；热泵供暖系统则是让 这部分较高参数的蒸汽继续在汽轮机中做功发电，并把剩余的少量的炯和：j ( 无通过 凝汽器排放到冷却循环水中，最终通过热泵就循环水中汲取低品位热量并与所耗 电能煳一并以热量的形式送往热用户。因此，热泵供暖与热电联产供暖均符合能 质匹配，能量梯度利用的节能原则。所不同的就是热泵供暖需要重新搭配炯和瓶， 热电联产供暖直接输送配置好的热量【3 j 。 现在用热效率法对两种供暖方式进行比较，这里用具有相同蒸汽初参数的背 压式机组( 纯供热循环) 与纯凝汽式机组的理想循环来对比分析。 热电联产( 如图a ) ：供热所用蒸汽在发电机组中做功为，供热放热量为g 。， 欠做功w ，供热循环吸热量为q 。其热效率r 睹为： = 1 ( 3 2 ) 纯凝汽式机组( 如图b ) ：蒸汽在发电机组中做功为彬= w l + w ，郎肯循环吸 1 产北l u y j 人掌坝 j 字位论文 热量g ：。其热效率仉为： ，7 。：堕：_ ：华：l t(33)i w a + wq c a g j曰j g j g j 可见郎肯循环热效率是小于1 的。如果利用循环水作为热泵的低温热源进行 耦合供暖，这无疑能提高电厂的热效率，同样为了方便评判，这里只计算热泵与 热电联产的比较，定义一个指标，7 咖来衡量这种利用循环水的热泵供暖热效率。 设单位蒸汽在发电机组中做功仍为w = u + ，其中电动热泵耗功为，用于发 电的功为，供出的热量为g ，热泵的c o p ( 能效比) 一般能达到3 5 以上。 tt 图3 2 供热循环、郎肯循环的t - s 图( a 、供热循环，b 、郎肯循环) ：掣；_ ( w p + w h p ) - - w h p + q ：l 一粤+ ! ：l + 生丝挚 ( 3 4 ) 留oq og og o留。 从上式可以看出，如果分母大于0 ，则该模式的热效率大于1 ，反之，则小 于l 。纯凝汽式发电机组的理想循环热效率在4 5 左右，如果发出来电全部都用 在热泵机组上，那么分母肯定大于0 ，意味着这种模式的热效率肯定大于1 。联 系实际情况，热泵只能利用电厂发电的一部分，不能回收全部循环水的热量，所 以热效率可能小于l 。 综上所述，热泵供暖可以与热电联产相媲美，利用电厂循环水废热的热泵 热电联产耦合供暖结合了两者的优点，为节能供暖技术展示了新的前景。 3 4 热泵热电联产耦合供暖的优势互补性 目前国内常规的供暖方式有：1 、集中供暖，包括热电联产供暖，区域锅炉 房供暖；2 、分散小锅炉房供暖，如小区锅炉房供暖；3 、其他方式供暖，如电加 热供暖，燃气供暖，热泵供暖等。 在我国，锅炉供暖比较普遍。即使是集中供暖的大型区域锅炉供暖，缺点也 华北电力人学协 ! 学化论文 是比较多，如锅炉效率低、占地面积大、管理与维护的人员多、环境污染严重等， 而且运输燃料、灰渣的清除费用高。 热电联产供暖跟单纯的锅炉房供暖比较起来，符合能量梯度利用的原则，较 大幅度的提高了一次能源的使用率。但是热电联产只有在热负荷集中、大量、稳 定、均衡的条件下，才能突出它的优点。由于受到电厂附近热负荷量的限制，热 电联产机组容量一般总是偏小的，相应的机组初参数也不高，煤耗较高，一些较 老的热电厂由于机组容量小，已经满足不了不断增长的热负荷。此外，一些凝汽 式电厂利用抽汽供暖，致使机组经常在远离其设计工况的情况下运行，恶化了其 经济性【2 5 1 。 其他供暖方式中，除热泵供暖，都是使用优质的高品位能源直接转换成低品 位热量来满足热用户的需求，违背了热尽其能，能量梯度利用的原理，无论是从 热力学原理角度考虑能量品质的问题，还是从热用户角度考虑经济性而言，都是 不可取的。 与热电联产供暖不同，热泵供暖相对而言比较灵活，对