新型供热优先热泵-有机朗肯循环系统的热力学分析

《Energy》：Thermodynamic Analysis of a Novel Heating-Priority Heat Pump–Organic Rankine Cycle System

　　

摘要

矿井水和矿井通风空气是矿区稳定可利用的低品位热源，但单一热源利用难以同时满足高负荷供暖需求并回收残余热量。本研究提出了一种集成级联水源热泵（CWSHP）、两级空气源热泵（TS-ASHP）和有机朗肯循环（ORC）的多源耦合供暖发电系统，选取生活热水（DHW）供应作为典型稳定热负荷工况。在Aspen Plus V14中建立了热力学模型，对夏季、过渡季和冬季条件下的能量与?性能进行了评估。三种工况下的供热能力分别为542.79、805.14和895.61 kW，系统能量利用效率分别为65.45%、91.31%和91.50%，?效率分别为13.86%、8.08%和8.04%。随着季节性供暖负荷的增加，有机朗肯循环的净功率输出从夏季的41.70 kW降至过渡季的10.43 kW和冬季的11.40 kW，表明更多可用热量被优先分配用于生活热水加热。在典型冬季工况下，当生活热水出水温度从40°C提高到50°C时，供热能力从671.67 kW上升至1119.64 kW，辅助供热能力达到361.50 kW，有机朗肯循环净功率从26.41 kW降至零。换热器3（HEX3）占总?损的43.23%，其?损随出水温度升高从93.57–153.19 kW增至144.16–196.92 kW。

引言

在"双碳"目标和矿区能源系统低碳转型的背景下，矿区能源系统的清洁高效利用已成为煤炭行业绿色转型的重要方向[1]、[2]。矿区在生产和闭矿阶段通常伴随大量低品位热能资源。在这些资源中，矿井水和矿井通风空气具有分布广泛、温度相对稳定、对地表气候波动敏感性较低等特点[3]、[4]、[5]。对于在产矿井，矿井水可从连续排水系统中获取，而矿井通风空气主要来源于通风系统的排风气流。因此，这两种资源均具有低品位热能回收的潜力[6]、[7]。Hall等人[8]指出，矿井关闭后积聚的矿井水温度相对稳定，可通过地热回收环路和热泵系统进行利用。Menéndez等人[3]从地下能量储存和地热应用的角度进一步分析了废弃矿井的能量再利用潜力。同时，现有的矿井水能源系统也在供暖和制冷应用中展现了良好的工程可行性[9]、[10]。近年来，废弃矿井废热的利用已逐渐从资源潜力评估转向实际供暖、制冷和地下热能储存应用。此前的研究表明，闭矿中的矿井水可作为相对稳定的低品位热源，并通过热泵系统用于建筑供暖和制冷，从而减少化石能源消耗和碳排放[3]、[11]。然而，目前的应用仍主要基于单一水源利用、直接换热或常规水源热泵系统，对矿井水和矿井通风空气作为双低品位热源协同利用的关注仍显不足。因此，矿区低品位热能实际供暖利用仍面临诸多挑战，包括热源温度品位低、季节性热负荷波动显著以及级联能源利用不充分等。仅使用矿井水或矿井通风空气直接供暖难以充分满足用户侧的稳定热需求。此外，单一热泵系统在高负荷条件或需要大温升时容易出现能耗增加和运行适应性降低的问题。因此，实现低品位热能的稳定温升、负荷适应性和级联余热利用，是矿区低碳供暖系统设计中亟待解决的关键问题。

矿井水热能利用是矿区低碳供暖的重要研究方向。Alvarado等人[6]调查了加拿大魁北克省的éléonore在产矿井，论证了基于矿井排水系统建设地热热泵系统的工程可行性。然而，其系统主要属于常规单级热泵利用形式。Oppelt等人[9]系统总结了矿井水能源系统的技术配置、现有项目和运行监测结果，指出矿井水已在多个地区用于供暖和制冷。然而，现有项目大多基于直接换热或单级水源热泵。Walls等人[12]从苏格兰煤田矿井排水出发，分析了矿井水的热回收潜力和水化学对系统开发的影响。其研究主要侧重于资源潜力评估，未进一步考虑单级热泵在大温升需求下的性能限制。Wang等人[10]以山东某废弃煤矿为案例，验证了废弃矿井水用于清洁供暖和制冷的潜力。然而，其系统仍主要面向基于单一矿井热水源的常规供暖或制冷利用。这些研究表明，矿井水作为低品位热源具有相当大的工程潜力。然而，现有系统大多基于单一热源、直接热回收或常规单级热泵，低品位热能的逐级温升仍需要进一步研究。因此，应引入两级或级联温升技术，以增强来自矿井水的低品位热能的供暖能力。

矿井通风空气是矿区低品位热能资源的重要组成部分，具有连续排放、流量大和调节灵活的特点。因此，它可以作为矿井水热源的有效补充。Luo等人[13]调查了集成地源和空气源热泵的双源热泵系统，证明多源热泵运行可以改善可变热条件下能量性能和运行适应性。Wang等人[14]优化了带闪蒸罐补气技术的两级空气源热泵中间压力。Kwon等人[15]实验评估了用于区域供暖的废能两级压缩热泵，表明两级压缩可以改善热泵在大温升条件下的性能。Zhang等人[16]总结了空气源热泵在寒冷地区的研究进展，指出两级压缩、多级压缩和级联系统是改善低温条件下空气源热泵性能的重要技术途径。Masiukiewicz等人[17]进一步表明，空气-水热泵的季节性能对气候变异性高度敏感，突出了在寒冷运行条件下需要自适应运行策略。这些研究表明，将空气侧热源与两级空气源热泵技术相结合，可以有效增强系统在可变热负荷条件下的供暖调节能力。

除了直接供暖利用外，矿区的低品位废热还可通过ORC转化为电能，从而进一步提升系统的级联能源利用水平。Cao等人[18]指出，ORC是超低温度热源利用的重要技术路线，特别是对于150°C以下低品位热源的能量回收。Lecompte等人[19]系统综述了用于废热回收的ORC系统循环构型，指出ORC系统性能受循环构型、边界条件、工质选择和热源匹配等因素显著影响。Marshall和Duquette[20]评估了热泵辅助ORC系统在低品位废热回收方面的性能，展示了热泵-ORC集成在提高废热利用方面的潜力。Eppinger等人[21]对可逆热泵-ORC系统进行了模拟和设计研究，进一步表明热泵-ORC耦合系统在热能储存、供暖和发电功能转换方面具有一定的应用潜力。Zinsalo等人[22]分析了地热ORC系统的性能和工质选择，表明热源匹配、工质选择和非设计工况运行对ORC能量、?和经济性能有显著影响。同时，现代区域供暖制冷系统正从传统集中供热模式向低温、多源和负荷自适应配置发展。第四代区域供暖强调低温热源、可再生能源和智能热网的集成，而第五代区域供暖制冷系统进一步突出了低温网络、分布式热泵、废热回收和供暖/制冷负荷协同调节[23]、[24]、[25]。这些发展表明，先进的低品位热利用系统不仅应提高能量效率，还应增强热源协调性、设备灵活性和负荷适应性。这些研究为矿区低品位热能发电和热泵-ORC耦合利用提供了重要基础。然而，现有大多数研究主要关注提升发电量、回收工业废热或最大化多能输出。ORC与主供暖单元之间的热量分配、供暖优先条件下的运行切换机制以及ORC作为辅助发电单元在系统级联能源利用中的作用，仍需要进一步研究。

综上所述，矿井水、矿井通风空气和ORC在矿区低品位能源利用方面均展现出潜力。然而，现有大多数研究聚焦于单一热泵系统、独立ORC循环或以最大化发电为目标的多能系统。供暖优先策略下多低品位热源的协同利用，特别是基础供暖、辅助供暖和余热发电回收之间的热量分配，仍尚未得到充分阐明。从热力学匹配的角度来看，矿井水温度相对稳定、热容量大，适合作为基础供暖的主热源。矿井通风空气具有连续排放特性，可在高负荷条件下提供辅助热补偿。ORC可在供暖需求满足后回收剩余可用热量，从而提高级联能源利用水平。

基于上述机理，本研究提出了一种耦合级联水源热泵（CWSHP）、两级空气源热泵（TS-ASHP）和有机朗肯循环（ORC）的集成系统，用于矿区低品位热利用，选取生活热水（DHW）供应作为典型稳定热负荷工况。所提系统的新颖性不仅在于热泵与ORC的耦合，更在于面向供暖优先的矿井水和矿井通风空气协同利用的热量分配策略。具体而言，CWSHP利用矿井水作为主热源承担基础供暖任务，TS-ASHP利用矿井通风空气在热负荷增加条件下提供按需辅助供暖，ORC仅在生活热水需求满足后回收残余热量用于辅助发电。通过这种方式，在不同季节负荷条件下实现了基础供暖、辅助供暖和余热发电回收之间的有序热量分配。本研究的主要贡献如下：

1. 开发了一种由矿井水和矿井通风空气驱动的CWSHP-TS-ASHP-ORC集成构型，以实现基础供暖、辅助供暖和余热发电回收。

2. 建立了一种供暖优先的稳态热量分配策略，其中CWSHP维持主要温升过程，TS-ASHP补偿增加的热负荷，ORC根据剩余可用热量运行或旁路。

3. 揭示了不同季节和变负荷条件下生活热水供暖、TS-ASHP辅助供暖和ORC发电输出之间的耦合关系，并阐明了热负荷变化对热量分配和部件不可逆性的影响。

本文其余部分组织如下：第2节描述系统构型、运行策略、热力学模型、工质设置和模型验证。第3节定义能量、?、经济性和优化的评估方法。第4节呈现结果与讨论，包括季节性能、?损、参数敏感性、非设计工况分析、变负荷响应、经济评估和运行优化。第5节总结主要结论。

片段：系统描述

所提出的集成能源系统由三个子系统组成，即CWSHP、TS-ASHP和ORC。

集成系统的原理性配置图和热力学过程图分别如图1和图2所示。系统以恒温矿井水和矿井通风空气作为低温热源。以生活热水（DHW）供应作为用户端热负荷场景的代表，以满足建筑物全年稳定的中低温供暖需求。热力学性能评价指标为系统评估该CWSHP-TS-ASHP-ORC集成能源系统的热力学性能，本节基于能量守恒和?理论建立了能量分析和?分析模型。通过对系统中关键部件进行能量和?分析，揭示内部能量转换过程和不可逆损耗的分布特征，从而为系统提供理论基础。所提出系统的季节性性能与热量分配表7汇总了所提出的CWSHP-TS-ASHP-ORC系统在不同季节条件下的主要运行参数和热力学性能。为阐明热量分配关系，列出了生活热水供热能力、TS-ASHP辅助供热能力和ORC净输出功率。夏季工况下，系统由CWSHP和ORC运行，TS-ASHP不参与辅助供热。生活热水供热能力为542.79 kW，ORC净……结论提出了一种CWSHP-TS-ASHP-ORC多源耦合系统，以提高单源适应性并阐明矿区供热与余热发电之间的热量分配机制。系统采用矿井水和矿井通风空气作为双低温热源，优先保障稳定的生活热水供应，并通过ORC回收剩余可用热量。(1)所提出的系统形成了"基础供热—辅助供热—余热发电"的协调运行模式。CRediT作者贡献声明王鑫：审阅与编辑、项目管理、资金获取。孙卫际：项目管理、资金获取。童浩研：初稿撰写、调查研究。王芳：资源、形式分析、数据整理。梁冰：指导。李维忠：指导。杨鑫乐：方法论。数据可用性数据可在请求时提供。符号表缩写COMP压缩机CWSHP级联水源热泵DHW生活热水DESIGN-SPECAspen Plus中的设计规格模块FCCD面对中心中心复合设计GWP全球变暖潜能值HEX换热器HV超体积MAPE平均绝对百分误差MIXER混合器NSGA-Ⅱ非支配排序遗传算法IIORC有机朗肯循环PUMP泵R2决定系数RMSER均方根误差TEE三通阀TOU分时电价声明我们声明本手稿中呈现的工作为原创，此前未曾发表，也未在其他地方（全部或部分）正在审稿中。所有署名作者均已批准所附手稿。利益冲突声明我们声明没有可能影响本论文中所述工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作由国家自然科学基金委（批准号：52474038）和辽宁省自然科学基金委（批准号：2026-MS-139）共同资助。王鑫|童浩研|孙卫际|梁冰|王芳|杨鑫乐|李维忠辽宁工程技术大学机械工程学院，中国阜新，123000