引言在我国北方地区，随着城市建筑面积的增加，城市供热负荷逐年增加。为解决城市供热负荷增加带来的问题，部分城市集中供热系统在换热站增加了吸收式热泵作为调峰热源。以济南某吸收式热泵换热站为例，分析了换热站在不同供暖期间供热量的变化及运行模式。在供暖期不同时间，分析了板式换热器独自运行以及吸收式热泵与板换联合运行的模式下，管网水温的变化情况。1增热型吸收式热泵供热系统概述1.1热力站概述选取的热力站设计供热面积200 万m2，占地面积约为1 200 m2，总建筑面积约为4 000 m2，目前供热面积约为150 万m2。主要设备有增热型吸收式热泵、板式换热器、高精度过滤器、循环水泵、补水泵、软化水箱、分集水器及其他设备。1.2供热系统运行及控制流程供热系统有2种运行模式，分别为板式换热器独自运行，增热型吸收式热泵和板式换热器共同运行，保障了供热片区供热效果及其稳定性。供热系统的换热流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F001图1增热型吸收式热泵供热系统工作流程水流经过程为：一次网高温热水作为热源，进入发生器中加热、浓缩溴化锂溶液，发生器进、出口水温差达30 ℃；首次降温后一次网高温热水进入板式换热器加热二次网热水；第二次降温后一次网高温热水返回吸收式热泵中作为低品位热源，进入吸收式热泵蒸发器中，在蒸发器中降温后返回一次网回水管，蒸发器进、出口水温差最高可以达30 ℃；二次网的回水分为两路进入机组，一路进入吸收式热泵吸收器、冷凝器中，另一路进入板式换热器中，与一次网热水进行热量交换，两路的热水汇合后作为二次网的供水送往用户末端。吸收式热泵机组设定了2种驱动热源的运行方式，即热水和热水+燃气。热水运行模式时，吸收式热泵机组只用一次管网热水驱动模式，机组燃烧器不工作。热水+燃气运行模式时，采用热水与燃气同时运行驱动，该系统优先选择热水驱动，热水达不到负荷要求时，机组自动开启燃气进行辅助驱动。吸收式热泵驱动热源切换控制如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F002图2吸收式热泵驱动热源切换控制模式LSV为机组侧目标温度设定，RSV为远程目标温度设定，供热系统可以在实际的运行中根据机组侧控制室的要求控制目标温度，以出口温度作为机组目标温度。在实际的运行中，可以根据出口温度的变化，通过调整蒸汽调节阀的开度，改变热水或燃气流入的流量，以此调整吸收式热泵的能效，保持热网水出口温度的稳定。2供热系统热负荷分析济南市类属寒冷地区，气候类型属于北温带大陆性季风气候。根据民用建筑供暖设计规范，济南市冬季主要室外气象参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.T001表1济南市冬季供暖设计室外气象参数气象参数数值供暖室外设计温度/℃-5.3相对湿度/%54冬季室外平均计算风速/（m/s）2.9冬季室外大气压力/hPa997.9日平均温度≤5 ℃天数/d99极端最低气温/℃-14.9济南市采暖季为11月15日~次年3月15日，济南市供暖期间平均气温为1.4 ℃。济南供暖季平均气温分布如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F003图3济南市供暖季月份平均温度分布根据当地逐月室外平均温度确定热力站的供暖逐月热负荷，可以利用无因次综合公式法绘制供暖热负荷延续时间图。根据气象参数及热力站设计热负荷78 MW，可以计算出冬季室外温度对应的热负荷延续时间。热负荷延续时间如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.T002表2热负荷延续时间项目室外温度/℃543210-1-2-3-4热负荷/MW43.046.850.253.656.960.363.667.070.373.6延续时间/h49044339835130326319915610453累计延续时间/h2 8802 3901 9471 5491 198895632433277173根据得到的室外温度、延续时间以及不同室外气温下热负荷值，可以得到热力站不同时间的热负荷比例。不同月份的负荷率及延续时间如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.T003表3不同月份负荷率及延续时间项目月份11月、次年3月12月、次年2月次年1月室外温度/℃＞4-3~3＜-3负荷率/%＜6060~90＞90平均热负荷/MW44.8057.6776.65延续时间/h9331 774173根据室外温度以及逐月热负荷时间分布，将其划分为3个时期，分别为供暖初期、供暖中期以及供暖末期。初期为11月和12月上旬，室外温度比较高，中期为12月下旬~次年2月上旬，室外温度比较低。次年1月时，室外温度最低，出现热负荷的峰值，末期为次年2月下旬至供暖结束，此时室外温度上升，供热负荷逐渐变小。利用无因次综合公式法计算得到热负荷和延续时间。3吸收式热泵供热系统能耗分析站内主要能耗来源有：吸收式热泵以及板式换热器耗热量；主要用电设备的电量消耗；吸收式热泵在严寒期直燃驱动消耗的天然气。产生的热量通过二次管网进入用户端供暖。热力站供热面积195.19 万m2，耗热量486 842.4 GJ，运行时间为2 904 h，耗电量为962 060 kWh，耗气量为439 488 m3，产热量为677 280 GJ。将热力站供能系数定义为A，表示热力站每消耗单位热能、电能及天然气用于供给的热能，计算公式：A=Q2Q1+QE+QN (1)式中：A——供能系数；Q1——一次管网高温热水热量，GJ；Q2——二次管网用户热水热量，GJ；QE——热力站耗电量，GJ；QN——热力站耗气量，GJ。采暖季的耗电量为962 060 kWh，换算可得到耗电量为3 463.416 GJ；采暖耗气量为439 488 m3，热力站耗气量为15 640.98 GJ。根据产热量和逐月各能源消耗量，可以计算得到热力站逐月供能系数。热力站各月份供能系数如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F004图4热力站采暖季逐月供能系数由图4可知，次年3月和11月的供能系数相对较小，数值维持在1.2~1.3；12月、次年1月、次年2月供能系数均较高，数值在1.3~1.4。根据运行统计，次年1月和次年3月站内的吸收式热泵尚未运行，主要靠板式换热器运行换热，供能系数较小。12月吸收式热泵开始运行，供热系统的供能系数增大，采用增热型吸收式热泵供热能够提高系统整体效率。4供热系统运行调配控制分析4.1运行模式分析此供热系统共有2种运行模式，分别为吸收式热泵和板式换热器同时运行、板式换热器单独运行。切换前后热力站一次、二次网供回水温度变化如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F005图5启动吸收式热泵前后热网温度变化热泵开启运行前，一次网的供回水温度大约为75~85 ℃，平均温度为78 ℃；热泵开启运行后，一次网侧的平均供水温度提升到97 ℃。站内运行的1号循环泵频率为27 Hz；一次网供水流量为1 304.6 t/h，压力0.97 MPa，一次网回水流量为1 273.3 t/h，压力0.71 MPa。吸收式热泵刚开始开启使用后，供热参数无明显变化，运行一段时间后，吸收式热泵的一次网温度明显下降，二次网的供水温度明显上升。驱动热源供水及一次网供水温度取决于长输管网热水温度，二次网的回水温度受用户换热限制，无明显变化。4.2控制方式分析根据数据记录分析，在热泵机组开启直燃驱动后的24 h里，机组平用气量约327 m3/h，耗气总量7 863 m3。开启直燃后，初始燃气消耗量较大，高达345 m3/h，机组运行趋于稳定后，燃气消耗趋于稳定，约平均325 m3/h。热泵机组启用热水+燃气驱动后，热泵机组各水路的进出水温度发生变化。机组启动燃气补燃前后参数变化如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F006图6机组启动燃气补燃前后参数变化根据数据分析，未开启燃气补燃驱动时，吸收式热泵余热水出口温度与长输管网的回水温度相差4~5 ℃，开启燃气补燃驱动后，吸收式热泵的余热水出口温度有明显下降。开启燃气补燃驱动的前后，驱动热源侧的出水温度和用户侧热水的出水温度均有明显提升，是燃气补燃驱动机组供热量提高引起的。驱动热源侧的出水同板式换热器交换热量后作为余热水再次进入吸收式热泵，余热水侧的进水温度也出现明显提升。补燃驱动后，机组整体性能提高，余热利用的效率提高，余热水侧出水温度降低。用户侧进水温度和驱动热源进口温度均无明显变化。4.3运行调控方式优化分析由济南市冬季每日气温资料可知，济南市的昼夜温差较大，最大温差高达10 ℃。因此，热力站需要根据气温变化的趋势及时对供热负荷进行有效调整，确保整个系统的供需平衡。以往较采用模糊的经验式调控，造成供热量与所需量不匹配，无法满足用户的需求温度，引发能源浪费等问题，影响供暖效果。应找到较为精准的供热运行调控方式，可以通过室外温度的变化对一次网供回水温度进行调节。采暖季单耗随室外温度变化规律如图7所示，供回水温度随室外温度变化调节规律如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F007图7采暖季单耗随室外温度变化规律10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F008图8供回水温度随室外温度变化调节规律根据对热负荷的分析可以得到建筑的供热单耗，建筑单耗随室外温度升高而降低；随着室外温度升高，用户所需的供水温度也会降低。在不同室外温度条件下，热力站的供水温度以及热量也不同，可以优化系统运行调控方式。供热量随室外温度变化调节规律如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.F009图9供热量随室外温度变化调节规律在整个采暖季内，不同时间对应不同的室外温度以及所需供热量。根据不同负荷率和室外温度的变化，可以通过切换使用不同的设备满足所需的供热量。热力站不同月份的调配方式如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.006.T004表4热力站不同月份调配方式项目月份11月、次年3月12月、次年2月次年1月室外温度/℃＞4-3~3＜-3负荷率/%＜6060~90＞90调控方式板式换热器单独运行热水驱动增热型吸收式热泵热水+燃气驱动增热型吸收式热泵当室外温度高于4 ℃时，宜采用板式换热器独自运行即可满足系统所需供热量；当室外温度长时间低于4 ℃时，宜采取吸收式热泵和板式换热器同时运行，吸收式热泵仅用热水驱动；当室外温度低于-3 ℃时，机组宜开启燃气补燃模式，吸收式热泵使用燃气+热水同时驱动，以保证系统的供热量。根据优化运行调控分析得出，可以通过采暖季供热负荷率和室外温度的变化，分析用户的需热量，根据需热量对吸收式热泵和板式换热器调控运行，对热泵采用热水驱动或热水+燃气驱动，得出较为经济合理的优化运行调控方式。5结语通过数据分析，热力站随室外温度降低，其热负荷变大，二次管网的供水温度降低，机组能效比随之降低，因此需要提高一次管网热水温度满足热负荷的增加。与常规板式换热器相比，使用增热型吸收式热泵的运行期内，供能系数提高，热力系统的能效更高，可以提供更多热量。经过运行分析和计算，当室外温度高于4 ℃时，热负荷率不足60％，采取板式换热器单独运行即可满足供热需求；当室外温度持续低于4 ℃时，热负率超过60％，此时则需要启动吸收式热泵与板式换热器同时运行；当室外温度低于-3 ℃时，此时热负荷率超过90％，吸收式热泵机组宜开启热水+燃气同时驱动，以此保证系统的供热量。