江水源熱泵適應性與冬季能效分析.doc

江水源熱泵適應性與冬季能效分析白雪蓮（1973-），女，副教授，博士，E-mail：基金項目：“十一五”國家科技支撐計劃項目課題（2007BAB21B02-3）重慶大學 白雪蓮 張南橋 張震寰摘要：江水源熱泵系統(tǒng)具有一定的適應性，且與常規(guī)燃氣鍋爐比較其節(jié)能性也有一定的條件?；诮礋岜孟到y(tǒng)的常見形式，通過分析機組、水泵、水處理設備和熱交換設備等系統(tǒng)主要構成部分的性能，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，結合實際運行工況和控制標準，對系統(tǒng)的節(jié)能性進行了分析，提出了系統(tǒng)節(jié)能的條件和能效范圍。研究表明，熱泵機組COP在5.0以上且輸送能耗小于系統(tǒng)總能耗39%時，江水源熱泵系統(tǒng)COP不低于3.0。此時，江水源熱泵系統(tǒng)較常規(guī)鍋爐節(jié)能。關鍵詞：江水，熱泵，適應性，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)、熱泵機組、輸配系統(tǒng)、末端用戶系統(tǒng)組成，其能耗相應也由各部分能耗共同構成。就水源熱泵機組本身而言，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢非常突出，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、取水構筑物、輸水管網、水處理設備等，在與常規(guī)鍋爐系統(tǒng)形式比較時，往往也因為這部分投資和運行費的增加抵消了水源熱泵系統(tǒng)的一部分優(yōu)勢，使得應用受到了限制。地表水水源熱泵空調系統(tǒng)的水輸配形式、水泵配置、管網布置等決定了系統(tǒng)的輸配能耗，直接影響了地表水水源熱泵技術節(jié)能效果的實現。對于水源熱泵水輸配系統(tǒng)來說，其水輸配占的比例越大，所消耗的能量就越多，整個水源熱泵系統(tǒng)的能效比就越低，當水輸配能耗的比例達到一定程度時，利用水源熱泵系統(tǒng)進行供熱就不會節(jié)能。因此，地表水水源熱泵系統(tǒng)的應用必須滿足水溫、水質、水量等的基本要求，并且與常規(guī)鍋爐相比較，滿足其節(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)的形式和構成1.1 重慶地區(qū)的江水條件重慶地域內水資源總量年均超過5000億m3，其中長江、嘉陵江等流經重慶地區(qū)的地表水約4600億m3，據兩江匯合口朝天門下游7km的寸灘水文資料統(tǒng)計，長江多年平均流量10930m3/s，年平均水位163.39m，江水年平均溫度約18.3。長江水利委員會的檢測資料表明：重慶市長江及嘉陵江河段夏季水溫約為926,冬季約為916，依據美國制冷學會ARI320標準，開式系統(tǒng)水源熱泵對水溫的要求是538,在水溫1022之間運行時能效比較高1。因此，重慶地區(qū)江水溫度適合于水源熱泵的運行?？梢姡貞c市擁有開展江水源熱泵系統(tǒng)得天獨厚的水量、水溫基礎條件。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過一系列水處理設備后直接送入機組進行冷熱交換。間接式是指水源水通過中間換熱裝置（熱交換設備）實現與機組之間的冷熱交換。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 江水源熱泵取水側能耗2.1 機組熱泵機組能耗是水源熱泵系統(tǒng)能耗的主要部分，因此，機組性能直接影響著系統(tǒng)能效。綜合分析國內大型熱泵機組，其性能差異不大。且隨著技術的進步和市場的規(guī)范，機組能效水平總體較高。表1、表2分別為國內某水源熱泵機組基本性能參數表和該水源熱泵機組在變冷卻水流量下機組COP修正值。表1：國內某熱泵機組基本性能參數表型 號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標準工況制冷：蒸發(fā)器進水溫度12，出水溫度7；冷凝器進水溫度25，出水溫度30制熱：蒸發(fā)器進水溫度10，出水溫度5；冷凝器進水溫度40，出水溫度45表2：機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進水溫度流量系數出水溫度流量系數冷凍水流量不變，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=實際流量/額定流量之比由表1、表2可以看出：標準工況下水源熱泵機組的制冷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，機組COP變化較小。在機組選擇時，應盡可能選擇高效，并且能適應系統(tǒng)變工況運行的機組。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。也正是這部分的設計和運行對系統(tǒng)的節(jié)能性起到了關鍵作用。因此，降低水源側水泵的運行能耗是實現系統(tǒng)節(jié)能的研究重點。水泵運行功率由式（2-1）計算： （2-1）式中：G水泵流量，單位m3/h；H水泵揚程，單位m，取水泵揚程=取水高差+水處理設備阻力+中間換熱器阻力+熱泵機組阻力+管道沿程阻力+管道局部阻力；水泵效率。在變轉速下，水泵流量、揚程、功率之間的關系滿足相似定律3，即： （2-2）其中，下標“0”為水泵額定值，“1”為水泵實際值。通過式（2-2）可以計算出在實際轉速下的水泵流量、揚程以及功率值。2.3 水處理2.3.1 重慶地區(qū)江水水質情況根據北碚、寸灘、朱沱水文站長江、嘉陵江的水文數據，長江、嘉陵江水域2006年月均含沙量變化,見圖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長江水文局發(fā)布的長江泥沙資料，從2005年開始，長江泥沙含量以及中值粒徑與多年平均值相比，開始呈現大幅下降趨勢。重慶段長江水質見表3。表3：重慶段長江水質狀況 （mg/L）測試項目PH礦物度CI-SO42-CaOFe2+H2S測量值6.428.21120010110820.20.2由圖3和表3可看出,長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，據標準采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范（GB50019-2003）規(guī)定的水質要求，重慶地區(qū)江水除含沙量外，其余水質參數均能達到規(guī)范要求4。2.3.2水處理基本形式水處理設備的選擇不但決定進入換熱設備的水質，而且影響到水泵揚程大小。目前重慶地區(qū)江水源熱泵水處理設備運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、過濾等。在選擇水處理設備時，必須針對具體的水質狀況，選擇高效低阻的水處理設備。2.4熱交換設備對于水源的間接式應用，水源水不直接進入機組換熱，即需要熱交換設備，隔絕水源水和熱泵機組冷熱媒質的同時，提取水源水中的冷或熱5?？蓱糜谒礋岜玫臒峤粨Q設備有兩類，一類是直接置于水中的水下換熱盤管。但是，出于對行船航道的考慮，此外，水下換熱盤管的材料、形式以及防腐防堵等方面還有待深入研究。因此，水下換熱盤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備，則在江水源熱泵間接式系統(tǒng)中被廣泛應用。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，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算按逆流情況下對數平均溫差，可由式（2-4）計算： （2-4）式中：逆流時端部溫差最大者，單位；逆流時端部溫差最小者，單位。2.4.3 阻力P液體在板式換熱器中的壓降P主要來自于摩擦阻力，其次還有角孔壓降等。根據相似原理，阻力特性可表示為準則方程式的關系歐拉準則方程式7： （2-5）Eu為歐拉數，再根據歐拉公式可計算出壓力： （2-6）式中：P測定的進出口處壓降，單位Pa；流體密度，單位kg/m3；u流體流速，單位m/s；C為常數。對公式（2-5）兩側取對數，可得公式（2-7）： （2-7）改變流速u，得到一系列Re和Eu，以logRe為橫坐標；logEu為縱坐標擬合直線可求得常數C和n，代入式（2-6）即可出板式換熱器進出口壓降。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)，其能耗主要由機組能耗、一次側水泵能耗、二次側水泵能耗以及用戶側水泵能耗組成。即： （3-1）式中：N系統(tǒng)能耗，單位kWh；N1機組能耗，單位kWh；N2一次側水泵能耗，單位kWh；N3二次側水泵能耗，單位kWh，直接式系統(tǒng)無此項；N4用戶側水泵能耗，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)向用戶提供的熱量Q與系統(tǒng)各用能設備的能耗N。而系統(tǒng)提供的熱量Q就是房間冷熱負荷，其影響因素主要由圍護結構、室外氣象參數以及室內人、家具等；機組能耗N1主要與兩側溫度有關，兩側溫差越大，則產生單位熱量消耗的電力越大；一次側泵能耗N2主要與取水水位、取水量、水處理設備阻力和板式換熱器阻力有關，阻力、取水量越大，一次側泵能耗越大；二次側泵能耗N3主要與熱泵機組、板式換熱器以及二次取水量有關；用戶側泵N4主要與用戶側循環(huán)水量、熱泵機組和末端設備有關。3.2系統(tǒng)能效分析3.2.1 機組能耗通過表1、表2可以分析出在不同冷卻水流量系數下，冷卻水溫差與機組功率變化修正系數的關系，具體見表4所列。表4：冷卻水溫差與機組功率變化系數關系冷卻水流量系數0.80.91冷卻水溫差108.355機組功率變化修正系數1.0551.0381.0251.0151.0071通過表4可以擬合出冷卻水差與機組功率變化系數的函數關系，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，機組功率增大，不過增大的程度是較小的，當冷卻水溫差為額定溫差兩倍時，機組功率僅增大5%左右。3.2.2 水源側能耗一般來說，水源側能耗的主導是取水泵能耗。取水泵能耗主要決定于水泵流量Q和揚程H，故在輸送一定熱量時，可以通過減小水泵流量，即采用大溫差輸送來降低取水泵運行能耗。由相似定律和公式可計算得出溫差與功率的關系見式（3-4）。 （3-4）可見，功率與溫差成三次方關系，即功率的變化率遠大于溫差的變化率，因此，確定合理的設計取水溫差對提高系統(tǒng)能效具有重要作用。3.2.3 末端用戶側能耗參考文獻8研究了地源熱泵供熱系統(tǒng)在輸送1kW熱量時，用戶側泵在不同供回水溫差下所需的能耗，見表5所列。表5：地源熱泵系統(tǒng)不同供回水溫差下用戶側水泵能耗值供回水溫度2468輸送1kW熱量能耗0.10.050.0350.025其結果擬合得到，用戶側泵能耗N4與供回水溫差的函數關系式。 (3-5)一般水源熱泵機組的用戶側供回水溫差均為5，由公式（3-5）可以計算出供回水溫差在5時，輸送1kW熱量，用戶側泵的輸送能耗為0.0425kW。4 工程實例位于重慶地區(qū)的某江水源熱泵工程，夏季冷負荷16497.5kW，冬季熱負荷6489.9kW。設計冬季熱水供回水溫度為45/40，冬季取水設計溫差為5。4.1 設備選擇表6：設備基本參數設備名稱基本參數備注水源熱泵機組額定制熱量：2163.3kW，制熱功率：422.5kW，制熱工況：冷凝器進出水溫40/45，蒸發(fā)器進出水溫10/5取水側泵額定流量：365m3/h，額定揚程：49m，效率78%取水形式采用直接取水用戶側泵額定流量：450 m3/h，額定揚程：25m，效率80%4.2 系統(tǒng)能效比較4.2.1設計工況運行進計算，系統(tǒng)在設計工況100%負荷運行時，機組能耗為1267.5kW、取水泵能耗320 kW、用戶側泵能耗260 kW。由公式（3-1）、（3-2）可計算出系統(tǒng)能效比COP=3.5，折合標煤98.5gce/kWh（熱量）。4.2.2非設計工況運行系統(tǒng)在非設計工況100%負荷運行時，由公式（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）可計算出系統(tǒng)在非穩(wěn)定工況100%負荷運行時，系統(tǒng)各設備能耗以及系統(tǒng)能效比。見表7所示。表7：系統(tǒng)在非設計工況能效比非設計工況方案機組能耗（kW）取水泵能耗（kW）用戶側泵能耗（kW）系統(tǒng)COP折合標準煤（gce/kWh）取水溫差不變，用戶側溫差改變方案一：用戶側溫差4，取水溫差51267.5320507.83.09111.6方案二：用戶側溫差3，取水溫差51267.532012032.3150（此值與常規(guī)燃氣鍋爐系統(tǒng)能效比2.25相當）取水溫差改變，用戶側溫差不變方案三：取水溫差6，用戶側溫差51283.51852603.7591.9方案四：取水溫差7，用戶側溫差51298.2116.62603.8789.1方案五：取水溫差8，用戶側溫差51312782604.1882.5由表7分析可得：（1）熱泵機組COP大于5.0，輸配能耗小于系統(tǒng)總能耗的39%時，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，對于重慶地區(qū)，冬季江水溫度一般為12，考慮機組正常運行條