一、项目概况
某选煤厂总供热面积为48573.8平方，其中生产区域建筑面积为36738.3平方，建筑层高5.4米，折合为建筑（按层高3米计）供暖面积65713.2平方，由原来的燃煤锅炉改为电厂集中供热或空气源热泵机组供热。项目所在地冬季日平均最高气温5℃，日平均最低气温-9℃，最低气温为-23.4℃，因地处山区，气温比天气预报低2至5℃。煤改空气源热泵供暖一年来的实践表明，改造后的普遍存在采暖效果差，压缩机大量烧毁等问题，严重影响了企业的安全生产。
经延聘专家组多方调研，决定对问题最严重的宏源500万吨选煤厂进行试点改造。蓄联热泵系统方案最终脱颖而出。该方案利用现有空气源热泵和相变蓄能耦合,作为散热器专用螺杆热泵机组的稳定热源，实现末端散热器供水60℃/回水45℃，大温差小流量，确保采暖效果。
该项目自2019年9月施工改造，11月底竣工、调试，正常投运。通过远程监测系统对2019年12月1日至2020年2月18运行数据进行了采集和分析，供水温度和室内温度、能耗均达到了优化设计的各项指标，确保了正常的生产生活，为后续不达标的空气源热泵采暖系统升级改造提供了真实的决策依据。
二、原空气源热泵系统存在的问题
1、原设计负荷
500万吨洗煤厂总供热面积为48573.8平方，其中生产区域建筑供热面积36738.3平方，热负荷2939KW，负荷指标80W/平方，磅房（224.1平方）、1#门房、2#门房（63.6平方）室内设计温度为18℃外，其他区域室内设计温度为12℃。
2、原设备配置及装机功率
原供热由燃煤锅炉集中供热，2018年燃煤锅炉停用拆除后在锅炉房北侧集中安装空气源热泵机组28台+2台200KW的电辅热器，其中8台供生活区，其余20台分两路（DN150与DN200）供生产区，经现场勘查测量，空气源热泵主机安装间距为56㎝，设备排布非常密集，如图2所示。
3、使用情况
2018年冬季实际运行中供水温度约40℃，能耗费用极高，而且112台压缩机年烧毁56台，维修更换工作繁重。按装机设备铭牌显示在室外温度7℃/6℃下，制热量170KW/台，生产区设备供热量为20台*170KW=3400KW。在室外温度-12℃/-14℃下制热量仅为108KW/台，生产区设备供热量为20台*108KW=2160KW（在环温-20℃时，空气源热泵产生的热量更低，无法满足采暖需求）。而生产区末端散热器总的热负荷需求为2939KW，按室外温度-12℃/-14℃条件考虑，有779KW的供热缺口，尤其是在此环境温度条件下，空气源热泵的实际出水温度远远低于60℃的合同规定。
4、供热效果
按2018年至2019年度采暖期（2018年11月1日至2019年2月26日）运行情况的统计数据：
（1）供水温度最高为55℃，室外温度-12℃以下时，供水温度均低于50℃。
（2）夜间使用两台200KW电辅加热，2018年12月和2019年1月全天开启。
（3）28台空气源热泵共计配置112台压缩机，已更换56台烧毁的压缩机，年损毁率约50%。
（4）生活区地暖部分室内温度可以达到＞18℃，其余建筑物（散热器或其他散热器）均无法达到设计要求，生产区建筑物室内温度均达不到12℃。
5、综合分析不达标原因
（1）空气源热泵机组装机容量不够，低温条件下空气源热泵机组制热量远不能满足末端供热负荷需求。
（2）空气源热泵机组安装间距仅为56cm，冷岛现象严重，不符合工程规范要求。
（3）两台200KW电辅加热在12月和1月期间连续运行，导致采暖运行费用极高。
（4）空气源热泵机组在低温条件下设置高温出水制热，压缩机排气温度过高、压缩比太大，不仅达不到出水温度的要求，反而导致压缩机的大量烧毁。
三、蓄联热泵系统解决方案
现有的清洁能源采暖/供冷方式中，热泵技术有着清洁环保、能效比高、运行稳定的优势，但都存在各自的适用范围和条件，如:水源热泵系统在水资源匮乏，环保和水务部门禁止打井取水，使用条件和政策的受到双重限制的地区；在冬季热负荷大、夏季空调冷负荷小或者无需制冷的北方一些地区，地埋管换热系统易形成冷堆积，导致换热效果逐年衰减。既有项目改造若采用地埋管方式占地面积大、投资高，基本不具备可行的条件；空气源热泵适用范围广,受制条件少,但在低温环境条件下，高温制热能力衰减，能耗高，而且由于运行条件恶劣，造成维修费用和故障率较高。
为了突破单一技术运用的客观限制，通过综合技术创新和应用实践，我们提出了蓄联热泵系统，采用空气源热泵采集能量、相变蓄能调节和螺杆水水热泵提温的“双级耦合、多能互补”方式，打造极端严寒天气下稳定、高效供热的热泵蓄能复合系统。
1、负荷设计
500万吨洗煤厂总供热面积为48573.8平方，其中生产区域建筑供热面积36738.3平方，其中磅房（224.1平方）、1#门房、2#门房（63.6平方）室内设计温度为18℃外，其他区域室内设计温度为12℃。生产区外墙无保温（围护结构保温较差），末端为散热器和其他散热器，推荐热负荷指标为：80W/平方。
由此，系统配置热负荷依旧为36738.3平方×80W/平方≈2939KW。与原空气源热泵系统采暖负荷设计相同。
2、技术原理
蓄联热泵系统是成熟的热泵技术和蓄能技术的交叉互联、综合利用形成的创新应用系统，蓄联热泵由一次侧空气源蓄能热泵、二次侧变工况温度提升热泵组成。通过一次侧空气源热泵或浅层地热、太阳能、其他废热余热等通过相变蓄能进行多源互补的技术耦合，实现自然界所蕴含的低品位热能的采集和储存，为二次侧温度提升热泵系统提供低品位热源，构建稳定、可靠、节能的采暖系统。该系统通过综合创新有效地突破了单一技术运用的物理极限，蓄能模块拓展和改善了水源热泵和空气源热泵的使用条件，克服各自的限制和性能弱点，不仅设备压缩比降低、维护成本减少、设备寿命延长，而且系统稳定性提升、能够在极端严寒的天气下稳定供热。
3、系统解决方案
（1）500万吨洗煤厂采用蓄联热泵系统进行系统升级，通过原空气源热泵和相变蓄能耦合，改变原空气源热泵出水温度，为散热器专用热泵系统提供稳定热源，进而实现60℃的高温供暖。
（2）蓄联系统大幅改善了单一空气源热泵低温环境下能效比低、结霜严重、故障率高的问题，高温供水运行平稳，低缩比运行使得压缩机使用寿命提高，保证极端天气供暖需求。
（3）温度提升热泵配置散热器专用螺杆热泵机组，通过智能设计冷凝器二次提温，回水进入一级冷凝器，入口侧水温45℃、出口侧水温52.5℃；通过联通器进入二级冷凝器，入口侧水温52.5℃、出口侧水温60℃，大温差、小流量，比现有冷凝方式COP提高7.5%，确保末端散热器的采暖效果。
4、设备配置及功耗（见表一）
四、系统优化设计
1、优化供热系统
对原空气源热泵系统进行优化升级，将空气源热泵系统进行分组联控、改进控制策略并调整机组的运行工况参数，进行低品质热能采集，在室内增设相变蓄能装置进行热泵热泵量的存储和调节，以此解决热源问题，再通过散热器专用热泵机组实现高温供热。系统设计了单级直供和双级联供的节能运行模式，在环温较低时，采用双级联供的模式供热；在环温较高时，末端负荷需求减小，采用空气源热泵单级直供的模式供热，最大化提升系统在全采暖季的综合能效。系统优化设计原理如图3所示。
2、调整空气源热泵间距
室外空气源热泵从空气中提取低品质热量，原工程安装时设备间距过小，严重影响气流的均一性，多台设备集中布置，经实测中心点温度比周边环境温度低5℃左右，大大影响了设备效率。通过工程改造，设备间距调整到1m以上，减少气流短路现象，使得换热效果得到进一步提升。工程改造后实景图（见图4）。
3、增设相变蓄能装置
相变蓄能装置充分发挥了相变蓄能、冷热均流和调节蓄放的功能。在环境温度过低时，空气源热泵处于自身限制而无法正常供热的状态下，蓄能模块为系统提供补充能量，确保末端系统稳定供热。按系统需求，增设23m3相变蓄能装置2个。工程改造后实景图（见图5）。
4、增设散热器专用热泵机组
按热负荷2939KW设计，配置2台散热器专用螺杆热泵机组AWHN4002A（单台制热量1520.4KW/功率386.9KW），在不增加热泵设备制造费用的前提下，机组可稳定提供60℃供水/45℃回水，大温差小流量，与现有末端散热器适配，取得良好的采暖效果。工程改造实景图（见图6）。
5、增设智能控制系统
项目地处山沟，交通不便，现场专业技术力量不足。为此，增设了蓄联热泵智能控制系统，能够实现变工况自适应调节、直供/联供自动切换，触摸屏人机交互界面，具备“开机/关机”、“手动/自动”、“运行状态”、“参数设置”、“报警信息”、“能效分析”等界面。对空气源热泵控制器优化升级，与新增设备深度耦合可根据环境温度的变化自适应调节供水温度，为温度提升热泵提供了稳定热源。智能控制系统的加入，更适应低温环境的高效、稳定的供热运行，实现了远程控制、无人值守、节能运行的效果。智能控制系统主界面如图7所示。
自2019年12月1日至2019年2月18日，通过智能控制系统对环境温度、设备耗电量、供回水温度等做了数据监测，除散热器表面温度和室内温度采用红外测温仪测试外，其余参数均为实时在线监测、调控。
五、升级改造后供热效果
1、气象条件
2019年12月1日至2020年2月18日期间，项目地的气温监测数据分析如下：
2019年12月平均高温：5℃，平均低温：-7℃；极端低温：-19℃（12月30日）；
2020年1月平均高温：2℃，平均低温：-12℃，极端低温：-16℃（1月13日）；
2020年2月平均高温：7℃，平均低温：-10℃，极端低温：-13℃（2月15日）；由于煤矿地处山区，项目所在地气温比市区气温低2至5℃，现场实测的最低气温为-23.4℃。
2、供热温度
（1）严寒低温天气运行情况
根据监测期间的气温统计数据，最低气温出现在2019年12月30日，晴天，夜间最低温度-19℃，白天最低温度-6℃。蓄联热泵系统运行稳定，热源侧温度25℃左右，供热侧温度60℃左右。智能控制系统实测数据如图9所示：
说明：低温严寒时段出现在凌晨至清早，由运行曲线可以看出，在00:30至11:00低温天气期间，空气源热泵加载运行，蓄能装置释放热量补充调节，热源温度波动较小，温度提升热泵供热温度稳定。在11:00至18:00白天环温较高时段，建筑物热负荷需求降低，蓄联热泵系统通过自动调节出水温度将部分高效富余制热能力转化为热能蓄存，此期间空气源热泵根据环温和供水温度进行自适应调节。
（2）低温雨雪天气运行情况根据监测期间的气温统计数据，2020年1月4日至1月7日出现不同程度的雨夹雪、大雪天气，其中1月4日为雨夹雪天气，1月7日为大雪天气，全天气温都较低为-12℃，湿度较大。蓄联热泵系统中，热源侧的空气源热泵出现多次化霜现象，空气源热泵供水温度波动幅度加大，此时段，蓄能装置通过控制调节进行能量补偿，实现了热源侧温度的稳定平衡，确保了使用侧稳定供热。智能控制系统实测数据如图10所示。
说明：由运行曲线可以看出，在05:00至12:00低温天气期间，蓄能装置释放热量补充调节；在12:00至18:00白天环温较高时段，蓄联热泵系统利用富余制热能力开始蓄能，蓄能装置还起到了对化霜能量的补偿，在12:30至15:30期间雨雪较大阶段，蓄能罐体内温度上升较慢。智能控制系统1月7日运行数据曲线截图（详见图11）。
说明：由运行曲线可以看出，受雨雪天气影响，全天热源侧温度波动较大，在01:00至13:00期间，蓄能装置多次释放热量进行温度补偿；在12:00至18:00时段环温升高，蓄联热泵系统利用富余制热能力开始蓄能，系统快速完成蓄能。在18:00后随着建筑物热负荷升高，仍可实现60℃左右的稳定高温供热。
通过上述典型天气条件下的运行分析，相比原空气源热泵系统在12月和1月的两台200KW电辅加热全天开启情况、低温天气达不到50℃供水温度的要求，改造后的蓄联热泵系统，供热温度可始终保持在60～65℃之间，并且全时段未出现一例压缩机烧毁的现象。
2、末端散热器温度
在2019年12月25日对系统运行情况进行抽样检测，在凌晨3:00（环境温度为-13℃）对500万吨洗煤厂建筑物及采暖散热器进行了采样，散热器表面温度可达50.3℃，室内温度达13℃。相比原空气源热泵采暖，同等天气条件下，散热器表面温度提升8℃左右，建筑物室内温度提升5℃左右，均超过采暖设计要求。抽样检测实况如图12所示。
3、系统综合能效比
热泵机组的能效比COP受到蒸发温度、冷凝温度、水流量和负荷率等多种因素的影响，一次侧空气源热泵机组和二次侧螺杆式温度提升热泵机组在不同工况下，能效比数值均有所不同。蓄联热泵系统综合能效比为总制供热量和机组压缩机功耗的比值，以此，根据机组制热量和功耗关系，我们推导出蓄联热泵系统机组综合能效比的计算公式，如下：
其中，COP为蓄联热泵系统机组综合能效比；
η为动态回归修正系数,取1；
COP1为空气源热泵机组能效比；
COP2为螺杆式温度提升热泵机组能效比。
根据监测数据，对不同环境温度条件下，对应机组的运行工况数据、水泵流量、供回水温度等数据，对蓄联热泵系统机组综合能效比进行测算，通过测算和理论推导数据进行修正，得出蓄联热泵系统在不同工况的机组综合能效比，供分析参考，如表2所示。
通过监测数据和机组综合能效比理论推导的对照分析，蓄联热泵系统通过蓄能装置的耦合，使得设备性能达到最佳，供热系统改造后综合能效大幅提升。由能效数据得出结论，为了进一步提升全采暖周期的综合能效水平，以环温5℃为界限，系统采用单级直供和双级联供自动切换的节能最优模式。
4、设备性能
（1）空气源热泵改变了出水工况，使得设备运行的冷凝温度和冷凝压力降低，最大压缩比由24.33降至10.57，仅为原空气源热泵系统供暖的43.4%。压缩机始终处在高效、稳定的运行区间运行，设备故障率降低，可靠性提升。不同工况下温度压力参数如表3所示。
由于设备运行工况的改善和蓄能装置的能量蓄存调节，在运行过程中，热源侧配置的28台空气源热泵机组，最佳工况时实际启动设备数量减少了50%，原电辅热装置（2台200KW）不再使用。
（2）蓄联热泵系统中空气源热泵出水工况改变，使得压缩机的排气温度降低，相比原空气源热泵设定60℃供热时，排气温度降低50%左右，大大降低了低环温条件运行时压缩机烧毁的风险，而且大幅提升了设备的使用寿命。空气源热泵压缩机不同工况排气温度如表4所示。
5、能耗费用
根据数据统计，2019年12月1日至2020年2月18日期间，蓄联热泵系统主要设备启动运行时间计算，采暖的平均负荷系数为60%左右，供暖数据监测时间80天，平均电价0.5652元/KWh，建筑面积36738.3平方，单位面积运行费用为：29元/平方。分项能耗设备如表5所示。
六、总结
本项目积极响应落实《大气污染防治行动计划》等文件精神，蓄联热泵系统立足先进节能技术，低成本、高能效、零排放的解决能源供应问题，增加了供热的稳定性、降低系统投资、运行节能、设备寿命提高，具备良好的经济价值和环保效益，对于“推进清洁能源、减少雾霾天气”有着积极的示范意义，也为严寒地区空气源热泵升级改造提供了借鉴。该项目的主要工程实践总结如下：
（1）采用蓄联热泵技术对空气源热泵采暖升级改造具有良好的可行性和经济性
根据采暖运行数据监测对比分析，蓄联热泵系统供暖效果明显优于原有空气源热泵供暖效果。通过采用蓄联热泵技术进行优化升级，将原有空气源热泵和增设的相变蓄能装置耦合，实现低品位热能的采集和储存，再通过增设的温度提升热泵实现高温热能的供应。经过一个采暖周期的运行，实践证明蓄联热泵系统的稳定可靠性。该项目升级改造后，蓄联热泵系统的配电功率比原空气源热泵系统低464KW、运行能效提升20%以上，不仅达到了良好的供热效果，而且大大减少了采暖运行费用，运行经济性突出。
（2）蓄联热泵系统在严寒低温天气条件下能实现稳定的高温供暖
通过运行数据分析，在严寒低温天气（全年最低环温-19℃时段）以及低温雨雪环境下，相变蓄能模块发挥蓄能调节作用、保障热源侧能量供给，蓄联热泵系统供水温度能够稳定满足60℃的高温供暖，散热器表面温度可达50.3℃。相比原有空气源热泵，在供热温度和稳定性上具有大幅提升。
（3）蓄联热泵系统优化了设备技术性能和提升了设备使用寿命
蓄联热泵系统中改变了空气源热泵出水工况，使得设备运行的冷凝温度和冷凝压力降低，最大压缩比由24.33降至10.57，仅为原空气源热泵系统供暖的43.4%，设备的技术性能充分发挥，始终在稳定高效区间运行。压缩机的排气温度从197.4℃降低至86.9℃，相比原空气源热泵设定60℃供热时，排气温度降低50%左右，大大降低了低环温条件运行时压缩机烧毁的风险，而且大幅提升了设备的使用寿命。
（4）蓄联热泵系统实现大温差供暖更适应散热器采暖特性
蓄联热泵系统的温度提升热泵采用散热器专用螺杆热泵机组，通过智能控制和冷凝器二次提温，回水进入一级冷凝器，入口侧水温45℃、出口侧水温52.5℃；通过联通阀进入二级冷凝器，入口侧水温52.5℃、出口侧水温60℃，大温差、小流量，确保末端散热器的采暖效果。
（5）在同等供热效果条件下蓄联热泵系统总投资低于空气源热泵系统
按该空气源热泵供暖系统升级改造的运行效果、投资费用等方面来看，常见的空气源热泵系统，若达到同等供热效果，需大量增加机组数量和电辅助加热设备来保障低温衰减和化霜衰减的能量补充，按该项目的现有情况测算，蓄联热泵系统总投资低于空气源热泵系统，另外，与常见的空气源热泵相比，蓄联热泵系统从技术上大幅减少了设备维护投入。
（6）有待提高改善的问题
原空气源系统供热端进出水温差为5℃，散热器使用端原设计进出水温差10～15℃。系统升级改造中设备管径、水泵选型可做合理调整，降低系统水阻，有待进一步挖掘水泵节能潜力。蓄能装置的蓄能/放能时间有优化空间，有待进一步优化控制策略。
