江水源熱泵適應(yīng)性與冬季能效分析.doc

江水源熱泵適應(yīng)性與冬季能效分析白雪蓮（1973-），女，副教授，博士，E-mail：基金項(xiàng)目：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題（2007BAB21B02-3）重慶大學(xué) 白雪蓮 張南橋 張震寰摘要：江水源熱泵系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)性，且與常規(guī)燃?xì)忮仩t比較其節(jié)能性也有一定的條件?；诮礋岜孟到y(tǒng)的常見(jiàn)形式，通過(guò)分析機(jī)組、水泵、水處理設(shè)備和熱交換設(shè)備等系統(tǒng)主要構(gòu)成部分的性能，研究了影響江水源熱泵系統(tǒng)能效的主要因素。以某江水源熱泵工程為例，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況和控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行了分析，提出了系統(tǒng)節(jié)能的條件和能效范圍。研究表明，熱泵機(jī)組COP在5.0以上且輸送能耗小于系統(tǒng)總能耗39%時(shí)，江水源熱泵系統(tǒng)COP不低于3.0。此時(shí)，江水源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)鍋爐節(jié)能。關(guān)鍵詞：江水，熱泵，適應(yīng)性，能效分析Studies on the Effectiveness of River Water Source Heat Pumps and Energy Efficiency in WinterChongqing University Bai xue-lian Zhang nan-qiao Zhang zhen-huanAbstract: The applicability of river water source heat pump systems should be considered for designing and operating. And compared with gas boilers, its energy efficiency is limited by some conditions. Based on the common forms of river water source heat pump systems, the functions of the main parts in systems is analyzed, including the heat pump, the water pump, the water-treating equipment and the heat-exchanger. The key factors that influence the effectiveness of the river water source heat pump system is studied. Taking an real project as example, the energy efficiency of the water source heat pump system is analyzed, combined with the actual operating conditions and the requirements of regulations. The conditions and the effectiveness of saving energy of the system. is proposed based on results of several senarios. It shows that the COP of the river water source heat pump system is not less than 3.0 when the COP of the heat pump is above 5.0 and the transportation energy consumption is less than 39%, which means the river water source heat pump systeme is more efficient than the conventional systems.Key words: river water, heat pump, adaptability, energy efficiency analysis0 前言完整的水源熱泵系統(tǒng)由水源系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、輸配系統(tǒng)、末端用戶(hù)系統(tǒng)組成，其能耗相應(yīng)也由各部分能耗共同構(gòu)成。就水源熱泵機(jī)組本身而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)非常突出，但水源熱泵系統(tǒng)增加了水源系統(tǒng)的投入以及取水輸水的能耗。一般而言，水源系統(tǒng)包括水源、取水構(gòu)筑物、輸水管網(wǎng)、水處理設(shè)備等，在與常規(guī)鍋爐系統(tǒng)形式比較時(shí)，往往也因?yàn)檫@部分投資和運(yùn)行費(fèi)的增加抵消了水源熱泵系統(tǒng)的一部分優(yōu)勢(shì)，使得應(yīng)用受到了限制。地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水輸配形式、水泵配置、管網(wǎng)布置等決定了系統(tǒng)的輸配能耗，直接影響了地表水水源熱泵技術(shù)節(jié)能效果的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于水源熱泵水輸配系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其水輸配占的比例越大，所消耗的能量就越多，整個(gè)水源熱泵系統(tǒng)的能效比就越低，當(dāng)水輸配能耗的比例達(dá)到一定程度時(shí)，利用水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供熱就不會(huì)節(jié)能。因此，地表水水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用必須滿(mǎn)足水溫、水質(zhì)、水量等的基本要求，并且與常規(guī)鍋爐相比較，滿(mǎn)足其節(jié)能是有一定條件的，而且節(jié)能的空間也是有限的。以重慶地區(qū)江水作為水源條件，進(jìn)行水源熱泵系統(tǒng)能效的研究，從而提出系統(tǒng)節(jié)能的條件和能效范圍。1 江水源熱泵系統(tǒng)的形式和構(gòu)成1.1 重慶地區(qū)的江水條件重慶地域內(nèi)水資源總量年均超過(guò)5000億m3，其中長(zhǎng)江、嘉陵江等流經(jīng)重慶地區(qū)的地表水約4600億m3，據(jù)兩江匯合口朝天門(mén)下游7km的寸灘水文資料統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江多年平均流量10930m3/s，年平均水位163.39m，江水年平均溫度約18.3。長(zhǎng)江水利委員會(huì)的檢測(cè)資料表明：重慶市長(zhǎng)江及嘉陵江河段夏季水溫約為926,冬季約為916，依據(jù)美國(guó)制冷學(xué)會(huì)ARI320標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)式系統(tǒng)水源熱泵對(duì)水溫的要求是538,在水溫1022之間運(yùn)行時(shí)能效比較高1。因此，重慶地區(qū)江水溫度適合于水源熱泵的運(yùn)行?？梢?jiàn)，重慶市擁有開(kāi)展江水源熱泵系統(tǒng)得天獨(dú)厚的水量、水溫基礎(chǔ)條件。1.2 以江水作為熱源和熱匯的利用形式地表水換熱系統(tǒng)的形式可以分為地表水直接利用方式和地表水間接利用方式。直接式是指水源水經(jīng)過(guò)一系列水處理設(shè)備后直接送入機(jī)組進(jìn)行冷熱交換。間接式是指水源水通過(guò)中間換熱裝置（熱交換設(shè)備）實(shí)現(xiàn)與機(jī)組之間的冷熱交換。兩種形式的原理圖分別如圖1、圖2所示。 圖1：直接式取水原理圖 圖2：間接式取水原理圖2 江水源熱泵取水側(cè)能耗2.1 機(jī)組熱泵機(jī)組能耗是水源熱泵系統(tǒng)能耗的主要部分，因此，機(jī)組性能直接影響著系統(tǒng)能效。綜合分析國(guó)內(nèi)大型熱泵機(jī)組，其性能差異不大。且隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的規(guī)范，機(jī)組能效水平總體較高。表1、表2分別為國(guó)內(nèi)某水源熱泵機(jī)組基本性能參數(shù)表和該水源熱泵機(jī)組在變冷卻水流量下機(jī)組COP修正值。表1：國(guó)內(nèi)某熱泵機(jī)組基本性能參數(shù)表型 號(hào)460M-4F480M-4F520M-4F560M-4F620M-4FR22額定制冷量kW15581669177919122159額定制熱量kW1561.61671.91782.31915.52163.3壓縮機(jī)制冷功率kW236.0252.8269.6286.4319.6制熱功率kW312.0334.2356.4378.6422.5冷凝器水量制冷工況m3/h308.6330.5352.3378.1426.3制熱工況m3/h268.6287.6306.6329.5372.1蒸發(fā)器水量制冷工況m3/h268.1287.0305.9328.8371.3制熱工況m3/h214.9230.1245.2264.3299.4標(biāo)準(zhǔn)工況制冷：蒸發(fā)器進(jìn)水溫度12，出水溫度7；冷凝器進(jìn)水溫度25，出水溫度30制熱：蒸發(fā)器進(jìn)水溫度10，出水溫度5；冷凝器進(jìn)水溫度40，出水溫度45表2：機(jī)組在變冷卻水流量下COP修正值冷卻水冷凍水制冷量功率COP進(jìn)水溫度流量系數(shù)出水溫度流量系數(shù)冷凍水流量不變，冷卻水流量變化250.5710.9511.0550.901250.6710.9661.0380.931250.7710.9771.0250.953250.8710.9911.0150.976250.9710.9941.0070.98725171111備注流量系數(shù)=實(shí)際流量/額定流量之比由表1、表2可以看出：標(biāo)準(zhǔn)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷COP均在6.6以上，制熱COP均在5.0以上，并且隨著冷卻水流量的減小，機(jī)組COP變化較小。在機(jī)組選擇時(shí)，應(yīng)盡可能選擇高效，并且能適應(yīng)系統(tǒng)變工況運(yùn)行的機(jī)組。2.2 水泵與常規(guī)系統(tǒng)相比較，江水源熱泵系統(tǒng)增加了水源的輸配。也正是這部分的設(shè)計(jì)和運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能性起到了關(guān)鍵作用。因此，降低水源側(cè)水泵的運(yùn)行能耗是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的研究重點(diǎn)。水泵運(yùn)行功率由式（2-1）計(jì)算： （2-1）式中：G水泵流量，單位m3/h；H水泵揚(yáng)程，單位m，取水泵揚(yáng)程=取水高差+水處理設(shè)備阻力+中間換熱器阻力+熱泵機(jī)組阻力+管道沿程阻力+管道局部阻力；水泵效率。在變轉(zhuǎn)速下，水泵流量、揚(yáng)程、功率之間的關(guān)系滿(mǎn)足相似定律3，即： （2-2）其中，下標(biāo)“0”為水泵額定值，“1”為水泵實(shí)際值。通過(guò)式（2-2）可以計(jì)算出在實(shí)際轉(zhuǎn)速下的水泵流量、揚(yáng)程以及功率值。2.3 水處理2.3.1 重慶地區(qū)江水水質(zhì)情況根據(jù)北碚、寸灘、朱沱水文站長(zhǎng)江、嘉陵江的水文數(shù)據(jù)，長(zhǎng)江、嘉陵江水域2006年月均含沙量變化,見(jiàn)圖3所示。圖3：2006北碚、寸灘、朱沱水文站月平均含沙量變化通過(guò)長(zhǎng)江水文局發(fā)布的長(zhǎng)江泥沙資料，從2005年開(kāi)始，長(zhǎng)江泥沙含量以及中值粒徑與多年平均值相比，開(kāi)始呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)。重慶段長(zhǎng)江水質(zhì)見(jiàn)表3。表3：重慶段長(zhǎng)江水質(zhì)狀況 （mg/L）測(cè)試項(xiàng)目PH礦物度CI-SO42-CaOFe2+H2S測(cè)量值6.428.21120010110820.20.2由圖3和表3可看出,長(zhǎng)江及嘉陵江河段夏季月均含沙量為81440mg/L，冬季月均含沙量為289mg/L，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50019-2003）規(guī)定的水質(zhì)要求，重慶地區(qū)江水除含沙量外，其余水質(zhì)參數(shù)均能達(dá)到規(guī)范要求4。2.3.2水處理基本形式水處理設(shè)備的選擇不但決定進(jìn)入換熱設(shè)備的水質(zhì)，而且影響到水泵揚(yáng)程大小。目前重慶地區(qū)江水源熱泵水處理設(shè)備運(yùn)用較多的是旋流除砂器+綜合水處理器，其作用分別為降低含沙量和防垢、除銹、殺菌、滅藻、過(guò)濾等。在選擇水處理設(shè)備時(shí)，必須針對(duì)具體的水質(zhì)狀況，選擇高效低阻的水處理設(shè)備。2.4熱交換設(shè)備對(duì)于水源的間接式應(yīng)用，水源水不直接進(jìn)入機(jī)組換熱，即需要熱交換設(shè)備，隔絕水源水和熱泵機(jī)組冷熱媒質(zhì)的同時(shí)，提取水源水中的冷或熱5?？蓱?yīng)用于水源熱泵的熱交換設(shè)備有兩類(lèi)，一類(lèi)是直接置于水中的水下?lián)Q熱盤(pán)管。但是，出于對(duì)行船航道的考慮，此外，水下?lián)Q熱盤(pán)管的材料、形式以及防腐防堵等方面還有待深入研究。因此，水下?lián)Q熱盤(pán)管在江水源熱泵系統(tǒng)中較少采用。板式換熱器作為緊湊型熱交換設(shè)備，則在江水源熱泵間接式系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。板式換熱器的性能主要包括換熱量、溫差和阻力。2.4.1 換熱量板式換熱器的換熱量由式（2-3）可得6： （2-3）式中：K傳熱系數(shù)，單位為W/（m2.）；A傳熱面積，單位m2；Tm傳熱溫差，單位。2.4.2 傳熱溫差由式（2-3）可看出，傳熱溫差大小影響到換熱量大小。板式換熱器平均溫差的計(jì)算按逆流情況下對(duì)數(shù)平均溫差，可由式（2-4）計(jì)算： （2-4）式中：逆流時(shí)端部溫差最大者，單位；逆流時(shí)端部溫差最小者，單位。2.4.3 阻力P液體在板式換熱器中的壓降P主要來(lái)自于摩擦阻力，其次還有角孔壓降等。根據(jù)相似原理，阻力特性可表示為準(zhǔn)則方程式的關(guān)系歐拉準(zhǔn)則方程式7： （2-5）Eu為歐拉數(shù)，再根據(jù)歐拉公式可計(jì)算出壓力： （2-6）式中：P測(cè)定的進(jìn)出口處壓降，單位Pa；流體密度，單位kg/m3；u流體流速，單位m/s；C為常數(shù)。對(duì)公式（2-5）兩側(cè)取對(duì)數(shù)，可得公式（2-7）： （2-7）改變流速u(mài)，得到一系列Re和Eu，以logRe為橫坐標(biāo)；logEu為縱坐標(biāo)擬合直線(xiàn)可求得常數(shù)C和n，代入式（2-6）即可出板式換熱器進(jìn)出口壓降。3 江水源熱泵系統(tǒng)能效的影響因素及其變化規(guī)律如圖4所示的江水源熱泵系統(tǒng)，其能耗主要由機(jī)組能耗、一次側(cè)水泵能耗、二次側(cè)水泵能耗以及用戶(hù)側(cè)水泵能耗組成。即： （3-1）式中：N系統(tǒng)能耗，單位kWh；N1機(jī)組能耗，單位kWh；N2一次側(cè)水泵能耗，單位kWh；N3二次側(cè)水泵能耗，單位kWh，直接式系統(tǒng)無(wú)此項(xiàng)；N4用戶(hù)側(cè)水泵能耗，單位kWh。圖4：水水熱泵原理圖系統(tǒng)能效COP可表示為： （3-2）式中：COP系統(tǒng)能效，單位kWh（熱、冷量）/kWh(電能)；Q系統(tǒng)提供的冷、熱量，單位kWh；N系統(tǒng)能耗，單位kWh。3.1 影響系統(tǒng)能效的主要因素從式（3-2）可以看出系統(tǒng)能效COP主要影響因素為系統(tǒng)向用戶(hù)提供的熱量Q與系統(tǒng)各用能設(shè)備的能耗N。而系統(tǒng)提供的熱量Q就是房間冷熱負(fù)荷，其影響因素主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室外氣象參數(shù)以及室內(nèi)人、家具等；機(jī)組能耗N1主要與兩側(cè)溫度有關(guān)，兩側(cè)溫差越大，則產(chǎn)生單位熱量消耗的電力越大；一次側(cè)泵能耗N2主要與取水水位、取水量、水處理設(shè)備阻力和板式換熱器阻力有關(guān)，阻力、取水量越大，一次側(cè)泵能耗越大；二次側(cè)泵能耗N3主要與熱泵機(jī)組、板式換熱器以及二次取水量有關(guān)；用戶(hù)側(cè)泵N4主要與用戶(hù)側(cè)循環(huán)水量、熱泵機(jī)組和末端設(shè)備有關(guān)。3.2系統(tǒng)能效分析3.2.1 機(jī)組能耗通過(guò)表1、表2可以分析出在不同冷卻水流量系數(shù)下，冷卻水溫差與機(jī)組功率變化修正系數(shù)的關(guān)系，具體見(jiàn)表4所列。表4：冷卻水溫差與機(jī)組功率變化系數(shù)關(guān)系冷卻水流量系數(shù)0.80.91冷卻水溫差108.355機(jī)組功率變化修正系數(shù)1.0551.0381.0251.0151.0071通過(guò)表4可以擬合出冷卻水差與機(jī)組功率變化系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，如下式所示。 （3-3）由公式（3-3）可看出：隨著冷卻水溫差的增大，機(jī)組功率增大，不過(guò)增大的程度是較小的，當(dāng)冷卻水溫差為額定溫差兩倍時(shí)，機(jī)組功率僅增大5%左右。3.2.2 水源側(cè)能耗一般來(lái)說(shuō)，水源側(cè)能耗的主導(dǎo)是取水泵能耗。取水泵能耗主要決定于水泵流量Q和揚(yáng)程H，故在輸送一定熱量時(shí)，可以通過(guò)減小水泵流量，即采用大溫差輸送來(lái)降低取水泵運(yùn)行能耗。由相似定律和公式可計(jì)算得出溫差與功率的關(guān)系見(jiàn)式（3-4）。 （3-4）可見(jiàn)，功率與溫差成三次方關(guān)系，即功率的變化率遠(yuǎn)大于溫差的變化率，因此，確定合理的設(shè)計(jì)取水溫差對(duì)提高系統(tǒng)能效具有重要作用。3.2.3 末端用戶(hù)側(cè)能耗參考文獻(xiàn)8研究了地源熱泵供熱系統(tǒng)在輸送1kW熱量時(shí)，用戶(hù)側(cè)泵在不同供回水溫差下所需的能耗，見(jiàn)表5所列。表5：地源熱泵系統(tǒng)不同供回水溫差下用戶(hù)側(cè)水泵能耗值供回水溫度2468輸送1kW熱量能耗0.10.050.0350.025其結(jié)果擬合得到，用戶(hù)側(cè)泵能耗N4與供回水溫差的函數(shù)關(guān)系式。 (3-5)一般水源熱泵機(jī)組的用戶(hù)側(cè)供回水溫差均為5，由公式（3-5）可以計(jì)算出供回水溫差在5時(shí)，輸送1kW熱量，用戶(hù)側(cè)泵的輸送能耗為0.0425kW。4 工程實(shí)例位于重慶地區(qū)的某江水源熱泵工程，夏季冷負(fù)荷16497.5kW，冬季熱負(fù)荷6489.9kW。設(shè)計(jì)冬季熱水供回水溫度為45/40，冬季取水設(shè)計(jì)溫差為5。4.1 設(shè)備選擇表6：設(shè)備基本參數(shù)設(shè)備名稱(chēng)基本參數(shù)備注水源熱泵機(jī)組額定制熱量：2163.3kW，制熱功率：422.5kW，制熱工況：冷凝器進(jìn)出水溫40/45，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫10/5取水側(cè)泵額定流量：365m3/h，額定揚(yáng)程：49m，效率78%取水形式采用直接取水用戶(hù)側(cè)泵額定流量：450 m3/h，額定揚(yáng)程：25m，效率80%4.2 系統(tǒng)能效比較4.2.1設(shè)計(jì)工況運(yùn)行進(jìn)計(jì)算，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組能耗為1267.5kW、取水泵能耗320 kW、用戶(hù)側(cè)泵能耗260 kW。由公式（3-1）、（3-2）可計(jì)算出系統(tǒng)能效比COP=3.5，折合標(biāo)煤98.5gce/kWh（熱量）。4.2.2非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由公式（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）可計(jì)算出系統(tǒng)在非穩(wěn)定工況100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)各設(shè)備能耗以及系統(tǒng)能效比。見(jiàn)表7所示。表7：系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況能效比非設(shè)計(jì)工況方案機(jī)組能耗（kW）取水泵能耗（kW）用戶(hù)側(cè)泵能耗（kW）系統(tǒng)COP折合標(biāo)準(zhǔn)煤（gce/kWh）取水溫差不變，用戶(hù)側(cè)溫差改變方案一：用戶(hù)側(cè)溫差4，取水溫差51267.5320507.83.09111.6方案二：用戶(hù)側(cè)溫差3，取水溫差51267.532012032.3150（此值與常規(guī)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)能效比2.25相當(dāng)）取水溫差改變，用戶(hù)側(cè)溫差不變方案三：取水溫差6，用戶(hù)側(cè)溫差51283.51852603.7591.9方案四：取水溫差7，用戶(hù)側(cè)溫差51298.2116.62603.8789.1方案五：取水溫差8，用戶(hù)側(cè)溫差51312782604.1882.5由表7分析可得：（1）熱泵機(jī)組COP大于5.0，輸配能耗小于系統(tǒng)總能耗的39%時(shí)，系統(tǒng)制熱COP均在3.0以上，此值高于常規(guī)鍋爐系統(tǒng)能效2.25；（2）增大取水溫差，可以提高系統(tǒng)能效比，且取水溫差越大，系統(tǒng)能效比越高。然而，對(duì)于重慶地區(qū)，冬季江水溫度一般為12，考慮機(jī)組正常運(yùn)行條