江水源热泵适应性与冬季能效分析.doc

江水源热泵适应性与冬季能效分析白雪莲（1973-），女，副教授，博士，E-mail：基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目课题（2007BAB21B02-3）重庆大学 白雪莲 张南桥 张震寰摘要：江水源热泵系统具有一定的适应性，且与常规燃气锅炉比较其节能性也有一定的条件。基于江水源热泵系统的常见形式，通过分析机组、水泵、水处理设备和热交换设备等系统主要构成部分的性能，研究了影响江水源热泵系统能效的主要因素。以某江水源热泵工程为例，结合实际运行工况和控制标准，对系统的节能性进行了分析，提出了系统节能的条件和能效范围。研究表明，热泵机组COP在5.0以上且输送能耗小于系统总能耗39%时，江水源热泵系统COP不低于3.0。此时，江水源热泵系统较常规锅炉节能。关键词：江水，热泵，适应性，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 前言完整的水源热泵系统由水源系统、热泵机组、输配系统、末端用户系统组成，其能耗相应也由各部分能耗共同构成。就水源热泵机组本身而言，其节能环保的优势非常突出，但水源热泵系统增加了水源系统的投入以及取水输水的能耗。一般而言，水源系统包括水源、取水构筑物、输水管网、水处理设备等，在与常规锅炉系统形式比较时，往往也因为这部分投资和运行费的增加抵消了水源热泵系统的一部分优势，使得应用受到了限制。地表水水源热泵空调系统的水输配形式、水泵配置、管网布置等决定了系统的输配能耗，直接影响了地表水水源热泵技术节能效果的实现。对于水源热泵水输配系统来说，其水输配占的比例越大，所消耗的能量就越多，整个水源热泵系统的能效比就越低，当水输配能耗的比例达到一定程度时，利用水源热泵系统进行供热就不会节能。因此，地表水水源热泵系统的应用必须满足水温、水质、水量等的基本要求，并且与常规锅炉相比较，满足其节能是有一定条件的，而且节能的空间也是有限的。以重庆地区江水作为水源条件，进行水源热泵系统能效的研究，从而提出系统节能的条件和能效范围。1 江水源热泵系统的形式和构成1.1 重庆地区的江水条件重庆地域内水资源总量年均超过5000亿m3，其中长江、嘉陵江等流经重庆地区的地表水约4600亿m3，据两江汇合口朝天门下游7km的寸滩水文资料统计，长江多年平均流量10930m3/s，年平均水位163.39m，江水年平均温度约18.3。长江水利委员会的检测资料表明：重庆市长江及嘉陵江河段夏季水温约为926,冬季约为916，依据美国制冷学会ARI320标准，开式系统水源热泵对水温的要求是538,在水温1022之间运行时能效比较高1。因此，重庆地区江水温度适合于水源热泵的运行。可见，重庆市拥有开展江水源热泵系统得天独厚的水量、水温基础条件。1.2 以江水作为热源和热汇的利用形式地表水换热系统的形式可以分为地表水直接利用方式和地表水间接利用方式。直接式是指水源水经过一系列水处理设备后直接送入机组进行冷热交换。间接式是指水源水通过中间换热装置（热交换设备）实现与机组之间的冷热交换。两种形式的原理图分别如图1、图2所示。 图1：直接式取水原理图 图2：间接式取水原理图2 江水源热泵取水侧能耗2.1 机组热泵机组能耗是水源热泵系统能耗的主要部分，因此，机组性能直接影响着系统能效。综合分析国内大型热泵机组，其性能差异不大。且随着技术的进步和市场的规范，机组能效水平总体较高。表1、表2分别为国内某水源热泵机组基本性能参数表和该水源热泵机组在变冷却水流量下机组COP修正值。表1：国内某热泵机组基本性能参数表型 号460M-4F480M-4F520M-4F560M-4F620M-4FR22额定制冷量kW15581669177919122159额定制热量kW1561.61671.91782.31915.52163.3压缩机制冷功率kW236.0252.8269.6286.4319.6制热功率kW312.0334.2356.4378.6422.5冷凝器水量制冷工况m3/h308.6330.5352.3378.1426.3制热工况m3/h268.6287.6306.6329.5372.1蒸发器水量制冷工况m3/h268.1287.0305.9328.8371.3制热工况m3/h214.9230.1245.2264.3299.4标准工况制冷：蒸发器进水温度12，出水温度7；冷凝器进水温度25，出水温度30制热：蒸发器进水温度10，出水温度5；冷凝器进水温度40，出水温度45表2：机组在变冷却水流量下COP修正值冷却水冷冻水制冷量功率COP进水温度流量系数出水温度流量系数冷冻水流量不变，冷却水流量变化250.5710.9511.0550.901250.6710.9661.0380.931250.7710.9771.0250.953250.8710.9911.0150.976250.9710.9941.0070.98725171111备注流量系数=实际流量/额定流量之比由表1、表2可以看出：标准工况下水源热泵机组的制冷COP均在6.6以上，制热COP均在5.0以上，并且随着冷却水流量的减小，机组COP变化较小。在机组选择时，应尽可能选择高效，并且能适应系统变工况运行的机组。2.2 水泵与常规系统相比较，江水源热泵系统增加了水源的输配。也正是这部分的设计和运行对系统的节能性起到了关键作用。因此，降低水源侧水泵的运行能耗是实现系统节能的研究重点。水泵运行功率由式（2-1）计算： （2-1）式中：G水泵流量，单位m3/h；H水泵扬程，单位m，取水泵扬程=取水高差+水处理设备阻力+中间换热器阻力+热泵机组阻力+管道沿程阻力+管道局部阻力；水泵效率。在变转速下，水泵流量、扬程、功率之间的关系满足相似定律3，即： （2-2）其中，下标“0”为水泵额定值，“1”为水泵实际值。通过式（2-2）可以计算出在实际转速下的水泵流量、扬程以及功率值。2.3 水处理2.3.1 重庆地区江水水质情况根据北碚、寸滩、朱沱水文站长江、嘉陵江的水文数据，长江、嘉陵江水域2006年月均含沙量变化,见图3所示。图3：2006北碚、寸滩、朱沱水文站月平均含沙量变化通过长江水文局发布的长江泥沙资料，从2005年开始，长江泥沙含量以及中值粒径与多年平均值相比，开始呈现大幅下降趋势。重庆段长江水质见表3。表3：重庆段长江水质状况 （mg/L）测试项目PH矿物度CI-SO42-CaOFe2+H2S测量值6.428.21120010110820.20.2由图3和表3可看出,长江及嘉陵江河段夏季月均含沙量为81440mg/L，冬季月均含沙量为289mg/L，据标准采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）规定的水质要求，重庆地区江水除含沙量外，其余水质参数均能达到规范要求4。2.3.2水处理基本形式水处理设备的选择不但决定进入换热设备的水质，而且影响到水泵扬程大小。目前重庆地区江水源热泵水处理设备运用较多的是旋流除砂器+综合水处理器，其作用分别为降低含沙量和防垢、除锈、杀菌、灭藻、过滤等。在选择水处理设备时，必须针对具体的水质状况，选择高效低阻的水处理设备。2.4热交换设备对于水源的间接式应用，水源水不直接进入机组换热，即需要热交换设备，隔绝水源水和热泵机组冷热媒质的同时，提取水源水中的冷或热5。可应用于水源热泵的热交换设备有两类，一类是直接置于水中的水下换热盘管。但是，出于对行船航道的考虑，此外，水下换热盘管的材料、形式以及防腐防堵等方面还有待深入研究。因此，水下换热盘管在江水源热泵系统中较少采用。板式换热器作为紧凑型热交换设备，则在江水源热泵间接式系统中被广泛应用。板式换热器的性能主要包括换热量、温差和阻力。2.4.1 换热量板式换热器的换热量由式（2-3）可得6： （2-3）式中：K传热系数，单位为W/（m2.）；A传热面积，单位m2；Tm传热温差，单位。2.4.2 传热温差由式（2-3）可看出，传热温差大小影响到换热量大小。板式换热器平均温差的计算按逆流情况下对数平均温差，可由式（2-4）计算： （2-4）式中：逆流时端部温差最大者，单位；逆流时端部温差最小者，单位。2.4.3 阻力P液体在板式换热器中的压降P主要来自于摩擦阻力，其次还有角孔压降等。根据相似原理，阻力特性可表示为准则方程式的关系欧拉准则方程式7： （2-5）Eu为欧拉数，再根据欧拉公式可计算出压力： （2-6）式中：P测定的进出口处压降，单位Pa；流体密度，单位kg/m3；u流体流速，单位m/s；C为常数。对公式（2-5）两侧取对数，可得公式（2-7）： （2-7）改变流速u，得到一系列Re和Eu，以logRe为横坐标；logEu为纵坐标拟合直线可求得常数C和n，代入式（2-6）即可出板式换热器进出口压降。3 江水源热泵系统能效的影响因素及其变化规律如图4所示的江水源热泵系统，其能耗主要由机组能耗、一次侧水泵能耗、二次侧水泵能耗以及用户侧水泵能耗组成。即： （3-1）式中：N系统能耗，单位kWh；N1机组能耗，单位kWh；N2一次侧水泵能耗，单位kWh；N3二次侧水泵能耗，单位kWh，直接式系统无此项；N4用户侧水泵能耗，单位kWh。图4：水水热泵原理图系统能效COP可表示为： （3-2）式中：COP系统能效，单位kWh（热、冷量）/kWh(电能)；Q系统提供的冷、热量，单位kWh；N系统能耗，单位kWh。3.1 影响系统能效的主要因素从式（3-2）可以看出系统能效COP主要影响因素为系统向用户提供的热量Q与系统各用能设备的能耗N。而系统提供的热量Q就是房间冷热负荷，其影响因素主要由围护结构、室外气象参数以及室内人、家具等；机组能耗N1主要与两侧温度有关，两侧温差越大，则产生单位热量消耗的电力越大；一次侧泵能耗N2主要与取水水位、取水量、水处理设备阻力和板式换热器阻力有关，阻力、取水量越大，一次侧泵能耗越大；二次侧泵能耗N3主要与热泵机组、板式换热器以及二次取水量有关；用户侧泵N4主要与用户侧循环水量、热泵机组和末端设备有关。3.2系统能效分析3.2.1 机组能耗通过表1、表2可以分析出在不同冷却水流量系数下，冷却水温差与机组功率变化修正系数的关系，具体见表4所列。表4：冷却水温差与机组功率变化系数关系冷却水流量系数0.80.91冷却水温差108.355机组功率变化修正系数1.0551.0381.0251.0151.0071通过表4可以拟合出冷却水差与机组功率变化系数的函数关系，如下式所示。 （3-3）由公式（3-3）可看出：随着冷却水温差的增大，机组功率增大，不过增大的程度是较小的，当冷却水温差为额定温差两倍时，机组功率仅增大5%左右。3.2.2 水源侧能耗一般来说，水源侧能耗的主导是取水泵能耗。取水泵能耗主要决定于水泵流量Q和扬程H，故在输送一定热量时，可以通过减小水泵流量，即采用大温差输送来降低取水泵运行能耗。由相似定律和公式可计算得出温差与功率的关系见式（3-4）。 （3-4）可见，功率与温差成三次方关系，即功率的变化率远大于温差的变化率，因此，确定合理的设计取水温差对提高系统能效具有重要作用。3.2.3 末端用户侧能耗参考文献8研究了地源热泵供热系统在输送1kW热量时，用户侧泵在不同供回水温差下所需的能耗，见表5所列。表5：地源热泵系统不同供回水温差下用户侧水泵能耗值供回水温度2468输送1kW热量能耗0.10.050.0350.025其结果拟合得到，用户侧泵能耗N4与供回水温差的函数关系式。 (3-5)一般水源热泵机组的用户侧供回水温差均为5，由公式（3-5）可以计算出供回水温差在5时，输送1kW热量，用户侧泵的输送能耗为0.0425kW。4 工程实例位于重庆地区的某江水源热泵工程，夏季冷负荷16497.5kW，冬季热负荷6489.9kW。设计冬季热水供回水温度为45/40，冬季取水设计温差为5。4.1 设备选择表6：设备基本参数设备名称基本参数备注水源热泵机组额定制热量：2163.3kW，制热功率：422.5kW，制热工况：冷凝器进出水温40/45，蒸发器进出水温10/5取水侧泵额定流量：365m3/h，额定扬程：49m，效率78%取水形式采用直接取水用户侧泵额定流量：450 m3/h，额定扬程：25m，效率80%4.2 系统能效比较4.2.1设计工况运行进计算，系统在设计工况100%负荷运行时，机组能耗为1267.5kW、取水泵能耗320 kW、用户侧泵能耗260 kW。由公式（3-1）、（3-2）可计算出系统能效比COP=3.5，折合标煤98.5gce/kWh（热量）。4.2.2非设计工况运行系统在非设计工况100%负荷运行时，由公式（3-1）、（3-2）、（3-3）、（3-4）、（3-5）可计算出系统在非稳定工况100%负荷运行时，系统各设备能耗以及系统能效比。见表7所示。表7：系统在非设计工况能效比非设计工况方案机组能耗（kW）取水泵能耗（kW）用户侧泵能耗（kW）系统COP折合标准煤（gce/kWh）取水温差不变，用户侧温差改变方案一：用户侧温差4，取水温差51267.5320507.83.09111.6方案二：用户侧温差3，取水温差51267.532012032.3150（此值与常规燃气锅炉系统能效比2.25相当）取水温差改变，用户侧温差不变方案三：取水温差6，用户侧温差51283.51852603.7591.9方案四：取水温差7，用户侧温差51298.2116.62603.8789.1方案五：取水温差8，用户侧温差51312782604.1882.5由表7分析可得：（1）热泵机组COP大于5.0，输配能耗小于系统总能耗的39%时，系统制热COP均在3.0以上，此值高于常规锅炉系统能效2.25；（2）增大取水温差，可以提高系统能效比，且取水温差越大，系统能效比越高。然而，对于重庆地区，冬季江水温度一般为12，考虑机组正常运行条