地表水水源熱泵水輸配系統的能效分析

白雪蓮,張言軍,王厚華

（重慶大學 城市建設與環境工程學院,重慶 400045）

水源熱泵技術是可再生能源利用技術,具有提高機組效率和降低系統運行費用的優點。然而,水源熱泵系統增加了水源系統的投入以及取水輸水的能耗[1]。一般而言,水源系統包括水源、取水構筑物、輸水管網、水處理設備等,在與常規空調系統形式比較時,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的一部分優勢,使得應用受到了限制。地表水水源熱泵系統設計和運行的關鍵,就在于降低水源水輸配能耗,提高系統整體能效。

目前,地表水水源熱泵工程設計中往往憑借經驗確定系統形式和取水方式,缺乏針對水輸配系統能耗的理論分析,及其相應關鍵影響因素的量化取值,也缺乏能夠指導工程應用的簡易方法,從而無法從整體上實現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方面的研究,較多是針對取水和水處理方式,特別是開式和閉式不同水系統形式的對比研究[3]。很多有關水源熱泵系統能效的研究僅限于具體工程的個案分析[4]。為了分析水源熱泵的節能性,一些學者分別針對水源熱泵機組和水泵建立了理論模型[5]。然而,輸配系統的節能技術,需要考慮輸配設備與機組之間的耦合關系。對于將水源熱泵機組與水源側水泵、負荷側水泵等主要耗能設備共同構成模型進行優化分析的研究和應用尚少。因此,地表水水源熱泵輸配系統的節能設計和運行缺乏理論依據。該研究將基于地表水水源熱泵的輸配系統模型,確定影響能耗的主要因素,并通過實例說明地表水水源熱泵系統優化運行的分析方法,旨在分析水輸配形式、水泵配置和運行方式等對系統能效的影響,提出節能效果實現的條件以及輸配系統的節能設計和優化運行依據。

1 地表水水源熱泵系統的臨界取水高差

1.1 水泵的能耗模型

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

式中,Gc為取水水泵的流量,m3/s;Qe為冷負荷,kW;Qw為機組能耗,Qw為Qe/COP,kW;Tc2為冷卻水出水溫度,℃;Tc1為冷卻水進水溫度,℃;ρ為流體密度,kg/m3;c為流體比熱,k J/（kg?℃）;Hc為取水水泵的揚程,m;H0為取水高差,m（當閉式取水時,Hc=0）;S為取水管路的阻力系數,可用式（3）計算[8]：

長度,m;d為管徑,m;ζ為局部阻力系數。

根據水泵流量、揚程和效率,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冷負荷Qe、機組耗功率Qw、冷卻水進出口溫差 ΔTc、取水管路的阻力系數S、取水高差H0以及水泵效率η等因素有關。

1.2 臨界取水高差的確定

當取水量一定時,取水泵能耗隨著取水高差的增加而不斷增加,也即意味著系統能效比EER（energy efficiency ratio）將不斷降低。當系能能效比降低到一定程度時,采用地表水水源熱泵與常規空調系統形式相比,則不再具有節能優勢。即對于地表水水源熱泵空調系統存在一個判斷節能與否的臨界取水高差。所以,對某一實際工程,在分析其采用地表水水源熱泵的可行性時,需對工程實際條件的取水高差進行水源熱泵節能與否的判斷。

假定系統的負荷側一定,不考慮末端設備對系統能效的影響,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,對于某實際工程,根據其條件,可知其負荷、水源供回水溫差,并確定相應的機組功率、冷凍水泵功率、取水量。此時,根據臨界EER值即可推算出該工程的臨界取水高差。例如,根據《重慶市公共建筑集中空調工程設計能效比限值規定》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、二級設置

由于系統負荷是實時變化的,所以所需的水源水量也是變化的。當負荷變化在一定范圍時,水泵的定頻與變頻的經濟技術比較表明,水泵變頻運行并無明顯節能優勢。隨著負荷變化的增大,二者的比較將發生變化,水泵采用變頻運行會有較大的節能潛力。從而成為系統中重要的節能措施之一。但是,當系統負荷變化較大,水源取水高差較大時,如果采用一級泵,則有可能在水泵隨負荷變化而變頻運行時,發生水泵揚程不能滿足要求的現象。這一問題的解決,可以通過設置蓄水池（箱）,在蓄水池（箱）前后分設一、二次泵,水輸配系統采用兩級泵方式來解決。兩級泵輸配方式中的一次泵,即水源至蓄水池（箱）,采用定頻方式運行,保證水泵高效運行,滿足系統取水揚程。兩級泵輸配方式中的二次泵,即蓄水池（箱）至換熱設備（冷水機組或板式換熱器）,采用變頻方式運行,根據變化的系統負荷,調整水泵流量,實現節能。同時,蓄水池（箱）還可起到靜水、沉沙的作用。

為了進行地表水水源熱泵綜合節能技術的研究,在實驗室建立了一套完整的水源熱泵系統。主要設備參數見表 1。以下研究分析,均以該系統為例。

表1 實驗系統主要設備

2.1 一級泵方式

根據所選水泵的樣本性能參數,利用MATLAB進行性能曲線的擬合,可表示為：

水泵所在管道的性能可表示為：

通過計算,水泵功率與流量的關系可以擬合成如式（10）所示的多項式,其相關系數滿足R2=0.999,說明該擬合方程可以很好地表示功率隨流量變化的關系。根據水泵性能模型的分析,不同目標流量時,水泵能耗的變化見表2。

表2 一級泵方式水泵性能隨流量的變化

2.2 二級泵方式

當采用有蓄水箱的取水方式時,一次泵始終處于定流量運行,二次泵變頻運行。同樣,參照所選水泵的樣本性能參數,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系可以擬合成如式（15）所示的多項式,其相關系數滿足R2=1,說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系。二次泵變速運行時,其功率隨流量變化的計算結果見表3。

設置蓄水池,即采用兩級泵的水泵配置方式一次側定流量運行,水泵流量和揚程為設計工況,保證水泵高效運行。一次泵的設計流量根據蓄水箱容積和二次泵的設計流量確定。此時,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律對比如圖1所示。

圖1 水泵功率隨流量變化規律

通過分析發現,當流量較小時,取水側采用一級泵方式較為節能,當流量較大時,采用二級泵方式較為節能。對于該實例系統,2種方式的流量臨界值為4.7m3/h。

3 水源水輸配的定、變流量運行

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

水源熱泵輸配系統冷卻水側變頻運行通常采用溫差控制法,這時室內冷負荷的變化導致冷卻水流量隨之變化。參考所選機組的樣本性能參數,根據變流量下制冷量與耗功率的修正系數,將機組COP（coefficient of perform ance）擬合成負荷率的如下關系式。定流量和變流量下的對比關系見圖2所示。

圖2 熱泵機組制冷COP隨負荷率的變化規律

分析發現,機組的COP在負荷率0.9左右達到最大值,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,變流量的機組能耗較高。

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

假定系統的負荷側水泵定流量運行,根據式（5）、（19）和（20）,分別計算取水泵定流量和變流量運行下,僅計入機組和水泵能耗的系統能效。結果分別見表4和表5,二者的對比如圖3所示。

比較發現,對于該例,取水泵變流量運行的系統整體能耗始終比定流量運行小。說明,在部分負荷運行下,機組能耗相對的增加量始終小于冷卻水泵的節能量。

圖3 取水泵定流量與變流量運行的系統能耗對比

表4 取水泵定流量運行下的系統能效

表5 取水泵變流量運行下的系統能效

4 結論

與常規系統相比較,地表水水源熱泵系統設計和運行的重點,在于有效降低水源水輸配能耗,從而提高系統整體能效。研究通過建立水泵能耗的模型,找到了取水高差與取水泵能耗的關系。并結合系統能效的限定值,提出地表水水源熱泵臨界取水高差的概念及計算分析方法。研究分析表明,對于具備水源條件的實際工程,首先可利用臨界取水高差進行系統能否節能的初步判斷。在判斷可行的基礎上,基于機組和水泵之間的耦合關系,以系統整體能效最佳為目標,分別對取水水泵的一、二級配置和定、變流量運行進行對比分析,確定最優輸配系統。研究結合具體水源熱泵實驗系統,采用研究所提出的方法,分析得到如下結論：

1）通過對取水水泵功率隨流量變化規律的研究,發現地表水水源熱泵取水蓄水池設置與否,即一、二級泵的設置,主要取決于取水水量。對于該實驗系統,2種方式的流量臨界值為4.7 m3/h。

2）水量變化對機組和水泵將產生耦合影響。因此水源水輸配的定、變流量運行,需要綜合分析機組和水泵的總能耗隨流量的變化規律。研究得到了實驗系統定、變流量運行下的總能耗計算式,分析表明取水泵變流量運行為該系統的節能運行方式。

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（編輯胡英奎）