白雪蓮,張言軍,王厚華

（重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院,重慶 400045）

水源熱泵技術(shù)是可再生能源利用技術(shù),具有提高機(jī)組效率和降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。然而,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[1]。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)空調(diào)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。地表水水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵,就在于降低水源水輸配能耗,提高系統(tǒng)整體能效。

目前,地表水水源熱泵工程設(shè)計(jì)中往往憑借經(jīng)驗(yàn)確定系統(tǒng)形式和取水方式,缺乏針對(duì)水輸配系統(tǒng)能耗的理論分析,及其相應(yīng)關(guān)鍵影響因素的量化取值,也缺乏能夠指導(dǎo)工程應(yīng)用的簡(jiǎn)易方法,從而無(wú)法從整體上實(shí)現(xiàn)地表水水源熱泵的最佳性能和能效[2]。地表水水源熱泵系統(tǒng)方面的研究,較多是針對(duì)取水和水處理方式,特別是開(kāi)式和閉式不同水系統(tǒng)形式的對(duì)比研究[3]。很多有關(guān)水源熱泵系統(tǒng)能效的研究?jī)H限于具體工程的個(gè)案分析[4]。為了分析水源熱泵的節(jié)能性,一些學(xué)者分別針對(duì)水源熱泵機(jī)組和水泵建立了理論模型[5]。然而,輸配系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù),需要考慮輸配設(shè)備與機(jī)組之間的耦合關(guān)系。對(duì)于將水源熱泵機(jī)組與水源側(cè)水泵、負(fù)荷側(cè)水泵等主要耗能設(shè)備共同構(gòu)成模型進(jìn)行優(yōu)化分析的研究和應(yīng)用尚少。因此,地表水水源熱泵輸配系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)和運(yùn)行缺乏理論依據(jù)。該研究將基于地表水水源熱泵的輸配系統(tǒng)模型,確定影響能耗的主要因素,并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明地表水水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的分析方法,旨在分析水輸配形式、水泵配置和運(yùn)行方式等對(duì)系統(tǒng)能效的影響,提出節(jié)能效果實(shí)現(xiàn)的條件以及輸配系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行依據(jù)。

1 地表水水源熱泵系統(tǒng)的臨界取水高差

1.1 水泵的能耗模型

理論上水源水循環(huán)系統(tǒng)的能耗包括循環(huán)泵能耗、循環(huán)管道能量損耗和水的蒸發(fā)損耗等,為了簡(jiǎn)化研究,僅考慮能耗最大的循環(huán)水泵的能耗。取水水泵的流量和揚(yáng)程如式（1）和（2）：

式中,Gc為取水水泵的流量,m3/s;Qe為冷負(fù)荷,kW;Qw為機(jī)組能耗,Qw為Qe/COP,kW;Tc2為冷卻水出水溫度,℃;Tc1為冷卻水進(jìn)水溫度,℃;ρ為流體密度,kg/m3;c為流體比熱,k J/（kg?℃）;Hc為取水水泵的揚(yáng)程,m;H0為取水高差,m（當(dāng)閉式取水時(shí),Hc=0）;S為取水管路的阻力系數(shù),可用式（3）計(jì)算[8]：

長(zhǎng)度,m;d為管徑,m;ζ為局部阻力系數(shù)。

根據(jù)水泵流量、揚(yáng)程和效率,水泵功率可表示為：

式中,η為水泵的效率。

由式（4）可以看出,取水泵的能耗主要與室內(nèi)冷負(fù)荷Qe、機(jī)組耗功率Qw、冷卻水進(jìn)出口溫差 ΔTc、取水管路的阻力系數(shù)S、取水高差H0以及水泵效率η等因素有關(guān)。

1.2 臨界取水高差的確定

當(dāng)取水量一定時(shí),取水泵能耗隨著取水高差的增加而不斷增加,也即意味著系統(tǒng)能效比EER（energy efficiency ratio）將不斷降低。當(dāng)系能能效比降低到一定程度時(shí),采用地表水水源熱泵與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)形式相比,則不再具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。即對(duì)于地表水水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)存在一個(gè)判斷節(jié)能與否的臨界取水高差。所以,對(duì)某一實(shí)際工程,在分析其采用地表水水源熱泵的可行性時(shí),需對(duì)工程實(shí)際條件的取水高差進(jìn)行水源熱泵節(jié)能與否的判斷。

假定系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)一定,不考慮末端設(shè)備對(duì)系統(tǒng)能效的影響,能效比EER可表示為[9]：

式中,Wc和We分別為冷卻水泵和冷凍水泵的能耗。

將式（4）帶入,可得到取水高差為：

因此,對(duì)于某實(shí)際工程,根據(jù)其條件,可知其負(fù)荷、水源供回水溫差,并確定相應(yīng)的機(jī)組功率、冷凍水泵功率、取水量。此時(shí),根據(jù)臨界EER值即可推算出該工程的臨界取水高差。例如,根據(jù)《重慶市公共建筑集中空調(diào)工程設(shè)計(jì)能效比限值規(guī)定》中的重慶市夏季能效比限定值[10],將3.0作為能效比的臨界值,將其帶入上式即可求得臨界取水高差H0。

2 水源水泵的一、二級(jí)設(shè)置

由于系統(tǒng)負(fù)荷是實(shí)時(shí)變化的,所以所需的水源水量也是變化的。當(dāng)負(fù)荷變化在一定范圍時(shí),水泵的定頻與變頻的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表明,水泵變頻運(yùn)行并無(wú)明顯節(jié)能優(yōu)勢(shì)。隨著負(fù)荷變化的增大,二者的比較將發(fā)生變化,水泵采用變頻運(yùn)行會(huì)有較大的節(jié)能潛力。從而成為系統(tǒng)中重要的節(jié)能措施之一。但是,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化較大,水源取水高差較大時(shí),如果采用一級(jí)泵,則有可能在水泵隨負(fù)荷變化而變頻運(yùn)行時(shí),發(fā)生水泵揚(yáng)程不能滿足要求的現(xiàn)象。這一問(wèn)題的解決,可以通過(guò)設(shè)置蓄水池（箱）,在蓄水池（箱）前后分設(shè)一、二次泵,水輸配系統(tǒng)采用兩級(jí)泵方式來(lái)解決。兩級(jí)泵輸配方式中的一次泵,即水源至蓄水池（箱）,采用定頻方式運(yùn)行,保證水泵高效運(yùn)行,滿足系統(tǒng)取水揚(yáng)程。兩級(jí)泵輸配方式中的二次泵,即蓄水池（箱）至換熱設(shè)備（冷水機(jī)組或板式換熱器）,采用變頻方式運(yùn)行,根據(jù)變化的系統(tǒng)負(fù)荷,調(diào)整水泵流量,實(shí)現(xiàn)節(jié)能。同時(shí),蓄水池（箱）還可起到靜水、沉沙的作用。

為了進(jìn)行地表水水源熱泵綜合節(jié)能技術(shù)的研究,在實(shí)驗(yàn)室建立了一套完整的水源熱泵系統(tǒng)。主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表 1。以下研究分析,均以該系統(tǒng)為例。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備

2.1 一級(jí)泵方式

根據(jù)所選水泵的樣本性能參數(shù),利用MATLAB進(jìn)行性能曲線的擬合,可表示為：

水泵所在管道的性能可表示為：

通過(guò)計(jì)算,水泵功率與流量的關(guān)系可以擬合成如式（10）所示的多項(xiàng)式,其相關(guān)系數(shù)滿足R2=0.999,說(shuō)明該擬合方程可以很好地表示功率隨流量變化的關(guān)系。根據(jù)水泵性能模型的分析,不同目標(biāo)流量時(shí),水泵能耗的變化見(jiàn)表2。

表2 一級(jí)泵方式水泵性能隨流量的變化

2.2 二級(jí)泵方式

當(dāng)采用有蓄水箱的取水方式時(shí),一次泵始終處于定流量運(yùn)行,二次泵變頻運(yùn)行。同樣,參照所選水泵的樣本性能參數(shù),利用MATLAB擬合,一次泵的水泵性能可表示如下：

二次泵的水泵性能可表示如下：

同樣,二次泵水泵功率與流量的關(guān)系可以擬合成如式（15）所示的多項(xiàng)式,其相關(guān)系數(shù)滿足R2=1,說(shuō)明該擬合方程可以很好的表示二次泵水泵功率隨流量變化的關(guān)系。二次泵變速運(yùn)行時(shí),其功率隨流量變化的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

設(shè)置蓄水池,即采用兩級(jí)泵的水泵配置方式一次側(cè)定流量運(yùn)行,水泵流量和揚(yáng)程為設(shè)計(jì)工況,保證水泵高效運(yùn)行。一次泵的設(shè)計(jì)流量根據(jù)蓄水箱容積和二次泵的設(shè)計(jì)流量確定。此時(shí),水泵的功率

表3 二次泵水泵性能隨流量的變化

2.4 2種方式的對(duì)比

將以上2種水泵配置形式下取水水泵功率隨流量變化的規(guī)律對(duì)比如圖1所示。

圖1 水泵功率隨流量變化規(guī)律

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)流量較小時(shí),取水側(cè)采用一級(jí)泵方式較為節(jié)能,當(dāng)流量較大時(shí),采用二級(jí)泵方式較為節(jié)能。對(duì)于該實(shí)例系統(tǒng),2種方式的流量臨界值為4.7m3/h。

3 水源水輸配的定、變流量運(yùn)行

取水流量的變化同時(shí)影響著機(jī)組和水泵的能耗。水源熱泵機(jī)組的能耗受冷卻水流量影響較大,冷卻水流量變小時(shí),冷卻水泵能耗逐漸變小,但此時(shí)機(jī)組的能效比也在降低,因此取水水泵的定、變頻運(yùn)行要綜合分析機(jī)組和冷卻水泵的能耗。

水源熱泵輸配系統(tǒng)冷卻水側(cè)變頻運(yùn)行通常采用溫差控制法,這時(shí)室內(nèi)冷負(fù)荷的變化導(dǎo)致冷卻水流量隨之變化。參考所選機(jī)組的樣本性能參數(shù),根據(jù)變流量下制冷量與耗功率的修正系數(shù),將機(jī)組COP（coefficient of perform ance）擬合成負(fù)荷率的如下關(guān)系式。定流量和變流量下的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

圖2 熱泵機(jī)組制冷COP隨負(fù)荷率的變化規(guī)律

分析發(fā)現(xiàn),機(jī)組的COP在負(fù)荷率0.9左右達(dá)到最大值,然后隨著流量的減少而不斷變小,但是變流量較定流量相比,COP變化幅度更大。相同制冷量下,變流量的機(jī)組能耗較高。

水源熱泵機(jī)組的耗功量可表示為制冷量Qe與性能系數(shù)COP的比值,應(yīng)用前述所得機(jī)組COP表達(dá)式和水泵功耗表達(dá)式,定流量運(yùn)行和變流量運(yùn)行時(shí),機(jī)組和冷卻水泵的總能耗可分別表示為式（19）和式（20）。

假定系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)水泵定流量運(yùn)行,根據(jù)式（5）、（19）和（20）,分別計(jì)算取水泵定流量和變流量運(yùn)行下,僅計(jì)入機(jī)組和水泵能耗的系統(tǒng)能效。結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5,二者的對(duì)比如圖3所示。

比較發(fā)現(xiàn),對(duì)于該例,取水泵變流量運(yùn)行的系統(tǒng)整體能耗始終比定流量運(yùn)行小。說(shuō)明,在部分負(fù)荷運(yùn)行下,機(jī)組能耗相對(duì)的增加量始終小于冷卻水泵的節(jié)能量。

圖3 取水泵定流量與變流量運(yùn)行的系統(tǒng)能耗對(duì)比

表4 取水泵定流量運(yùn)行下的系統(tǒng)能效

表5 取水泵變流量運(yùn)行下的系統(tǒng)能效

4 結(jié)論

與常規(guī)系統(tǒng)相比較,地表水水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重點(diǎn),在于有效降低水源水輸配能耗,從而提高系統(tǒng)整體能效。研究通過(guò)建立水泵能耗的模型,找到了取水高差與取水泵能耗的關(guān)系。并結(jié)合系統(tǒng)能效的限定值,提出地表水水源熱泵臨界取水高差的概念及計(jì)算分析方法。研究分析表明,對(duì)于具備水源條件的實(shí)際工程,首先可利用臨界取水高差進(jìn)行系統(tǒng)能否節(jié)能的初步判斷。在判斷可行的基礎(chǔ)上,基于機(jī)組和水泵之間的耦合關(guān)系,以系統(tǒng)整體能效最佳為目標(biāo),分別對(duì)取水水泵的一、二級(jí)配置和定、變流量運(yùn)行進(jìn)行對(duì)比分析,確定最優(yōu)輸配系統(tǒng)。研究結(jié)合具體水源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用研究所提出的方法,分析得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)取水水泵功率隨流量變化規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)地表水水源熱泵取水蓄水池設(shè)置與否,即一、二級(jí)泵的設(shè)置,主要取決于取水水量。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),2種方式的流量臨界值為4.7 m3/h。

2）水量變化對(duì)機(jī)組和水泵將產(chǎn)生耦合影響。因此水源水輸配的定、變流量運(yùn)行,需要綜合分析機(jī)組和水泵的總能耗隨流量的變化規(guī)律。研究得到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)定、變流量運(yùn)行下的總能耗計(jì)算式,分析表明取水泵變流量運(yùn)行為該系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行方式。

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（編輯胡英奎）