基于壽命周期成本評價方法的開式地表水源熱泵系統優化分析

陳金華　袁娟娟　李百戰

摘要：針對開式地表水源熱泵系統，建立了應用于工程評價的簡化的壽命周期成本（LCC）計算模型.采用Destc對某工程實例進行全年能耗模擬，根據結果分析負荷需求特性，結合機組及水泵的性能曲線，進行系統LCC值分析.將開式地表水源熱泵系統與常規冷熱源系統組成LCC的各項成本進行比較，得出開式地表水源熱泵系統LCC的影響因素主要為設計取水溫度、排放水溫度和取水高差.通過對以上問題的分析，探討了優化系統的措施.在取水溫度為24 ℃時，取水泵定溫差變頻運行，通過擬合曲線得到最佳取水溫差為7.7 ℃，對應的最小LCC為441.80.另外，考慮機組變工況運行情況，得到了更小的LCC值為433.50，說明變工況運行能進一步產生節能效益.

關鍵詞：開式地表水源熱泵；壽命周期成本；能耗；系統優化

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A

研究表明：全生命周期理論適合評價較大初投資情形下的未來投資回收問題7].全壽命周期不僅包括經濟意義的成本，還包括環境成本、社會成本.從理論上講，全壽命周期是指產品從研究開發、設計、建設、使用直到報廢所經歷的全部時間8-9].由于本文討論的是開式地表水源熱泵系統這一特定對象的評價方法，故可簡化為只考慮設備的經濟壽命，即指設備從開始使用到再繼續使用在經濟上已不合理為止的全部時間，本文稱之為“壽命周期”.

本文將建立應用于開式地表水源熱泵系統工程評價的簡化的壽命周期成本計算模型，通過比較不同冷熱源系統的LCC，分析能耗的組成及特征.研究一定取水溫度下的最佳取水溫差以及系統變工況運行策略，以此來改進方案，力求最優.

3.2方案初選

本文采用LCC這一概念，目標并不是全面、完整地計算整個費用，而是通過比較各方案的LCC，為選擇最佳方案提供決策依據.

方案1為螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐系統，方案2為江水源熱泵系統.在計算兩者的LCC時，只考慮不同的部分，而不考慮相同的部分.比如認為機房土建費用、末端設備費、夏季冷凍水循環泵能耗都是相同的，設備安裝費也近似相等.兩種方案的設備選型見表2和表3.冬季供熱時，水源熱泵機組單臺運行.熱泵機組及冷水機組部分負荷下的能效比曲線見圖4，縱坐標為對應橫坐標某負荷率下的能效比與額定工況能效比的比值.方案1燃氣熱水鍋爐由于缺乏隨負荷變化的效率曲線，本文假定運行中效率保持額定值，不隨負荷率降低而降低，則耗氣量隨負荷率線性變化，這部分偏差可作為工程上的安全系數.

從表5可以看出，方案3的LCC值最小，其次是方案2，LCC值最大的是方案4.

在本工程保證機組最小水流量40%的前提下，方案1，2，3的變頻泵變頻范圍依次為72%～100%，56%～100%，40%～100%，方案2變頻泵變頻范圍較小，一定程度上影響了其變頻泵的節能潛力，其機組能效在3種方案中最低.方案4機組能效最高，但由于取水量較大，取水泵能耗較高，并且取水量增大導致取水部分投資增大，所以其LCC值最大.而方案3的機組能耗和取水泵能耗雖然均不是最小的，但是LCC值卻最小，為最佳方案.

由此可見，取水量過大或過小均不佳.取水量太小，與機組額定流量相差較大，會引起取水泵變頻范圍減小，而且排放水溫度過高會使機組能效比降低.若取水量太大，則會增加取水設施投資，導致取水泵能耗過高，而機組因能效比提高而得到的節能效益無法抵消甚至低于取水泵的能耗增量.因而，要保證取水泵能耗、機組能耗和初投資均在合理范圍內，才能得到最低LCC值.

下面根據多組工況計算結果進行曲線擬合.進水溫度為24 ℃.橫坐標為取排放水溫差，縱坐標為對應的LCC值.由圖5可知，本工程在定溫差運行工況下，最佳取排放水溫差為7.7 ℃，最小LCC值為441.80.

4.2考慮機組變工況運行，提高系統綜合能效

根據Destc的模擬結果可知，滿負荷運行時間占空調總運行時間的比例是很小的，可以考慮機組的變工況運行，兼顧取水泵的能耗及機組能效比，提高系統的整體綜合能效.

考慮設計方案5：按照9 ℃溫差來選擇取水泵，80%～100%負荷率區間下定頻運行，負荷率為80%時，計算得源水側進出水溫差約為7.2 ℃，接近前面分析得到的最佳取水溫差，此時開始定溫差變頻運行能獲得較小的LCC值，取得較好的節能效益.直至通過機組的流量小于所需最小流量時，水泵再次轉為定頻運行.

此方案在選擇水泵時，按照大溫差的原則來選擇水泵，盡量減少設計取水量，降低取水泵額定能耗.同時，通過變工況運行，使除了接近滿負荷下的大部分時間，機組都在最佳設計取水溫差工況下高效運行.計算得該方案LCC值為433.50.

相比方案3，方案5的LCC值更低.方案5不僅降低了運行年限產生的費用，同時也減少了一部分前期投資.說明系統變工況運行能進一步產生節能效益，值得深入研究.

5結論

建立了基于壽命周期成本的簡化的工程評價方法，可對開式地表水源熱泵系統進行準確的評價和優化.通過對實際案例的分析，得到如下結論：

1） 建立的LCC計算模型采用流程圖的形式呈現，清晰明了，易于理解.并且通過合理的簡化后，運算簡便，準確度高，便于應用實際工程的評價和優化中.

2）開式地表水源熱泵系統的LCC組成部分中，最主要的是運行年限內的總運行費，其中，又以機組所占費用比重最大，因而，選取能效品質高的水源熱泵機組本身就至關重要.

3） 在開式地表水源熱泵系統中，影響LCC值的因素主要有兩點：取水高差、設計取排放水溫度.取水高差和取水溫差直接影響到取水泵的能耗.而取排放水溫度同時又會影響機組能效.取水量又與初投資有直接的關系.另外，要考慮在滿足機組的最小水流量要求下，變頻泵的變頻范圍受影響的程度.因此，在方案設計時，要綜合考慮取水泵能耗和機組能耗的相關關系，考慮運行費用的同時，不能忽略初投資.通過計算分析得到，對本工程而言，在源水進水溫度為24 ℃且定溫差變頻運行時，最佳取水溫差7.7 ℃，對應的LCC值為441.80.

4）按照9 ℃溫差進行取水泵的選型，保證盡量減小取水能耗和取水設施投資，同時考慮機組變工況運行，使除接近滿負荷時間的大部分時間內，系統能在最佳設計取水溫差工況下，保持高效運行，計算得該方案的LCC值為433.50，說明變工況運行更為有利，具有節能潛力.只有從提高系統綜合能效著手，全面考慮，才能得到更優方案.

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