江水源熱泵系統動態取水溫差控制策略研究

王作林 李 沫 白雪蓮

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江水源熱泵系統動態取水溫差控制策略研究

王作林1李 沫2白雪蓮1

（1.重慶大學城市建設與環境工程學院 重慶 400045；2.河北省建筑科學研究院 石家莊 050021）

江水水溫對江水源熱泵系統的設計和運行具有重要影響。通過對嘉陵江水溫的連續測試，探究了江水水溫的變化規律，發現江水全年溫度變化較大，在系統設計和運行中應充分考慮江水的溫度變化特性。結合水溫實測數據，研究提出了動態取水溫差控制策略。以某水源熱泵工程為例，對比分析了兩種運行控制方式，發現采用動態取水溫差控制策略較采用固定取水溫差控制策略具有在水溫條件不利時保證系統能滿足建筑的負荷需求，在水溫條件有利時減少系統運行能耗的特點。

熱泵；水溫；取水溫差；動態

0 引言

水源熱泵技術因國家政策的支持及其節能性而得到廣泛的推廣和應用[1,2]。江水作為水源熱泵系統的一種熱源和熱匯，其溫度較空氣而言較為穩定。但是江水受氣候條件、流量等因素影響較大，而較土壤源或地下水源具有溫度波動大的特點。江水取水溫度直接影響江水源熱泵系統的能效[3]，且江水取水溫度的設計取值影響著系統的容量和設備配置[4,5]。然而我國目前對江水取水溫度的確定一般按最熱/冷月平均水溫作為江水取水溫度設計值，用定值代替實際值而忽視江水溫度的變化[6]。在江水源熱泵應用領域亦存在水溫基礎數據不完整的問題[7]。因此，有必要對江水溫度進行連續實測以便于分析江水溫度變化規律和江水源熱泵系統的節能潛力。目前國內外對江水溫度特性的研究較多，集中于分析采用江水為冷熱源的節能性。Büyükalaca等對Seyhan河水溫進行了全年測試，并將水溫數據與氣溫進行了比較，結果表明采用河水為冷熱源更節能[8]。譚洪衛等對黃浦江水溫進行實測，探討了以黃浦江水作為江水源熱泵系統冷熱源的節能潛力[9]。在水源熱泵用水溫方面，則往往是對依據定水溫設計條件下的取水溫差展開的研究。文獻[10]指出冷卻水采用“大溫差、小流量”的設計原則可以減少取水量，降低輸配能耗，但隨著冷卻水取水量的減小，會使得機組水源測換熱器表面傳熱系數減小，機組運行能耗加大。因此考慮到機組能耗和冷卻水泵輸配能耗的耦合關系，取水側溫差不能無限加大，而是存在一個最佳的取水溫差。文獻[11,12]對水源熱泵系統最佳取水溫差的確定方法進行了研究，并證明采用最佳取水溫差比采用傳統的5℃溫差節能顯著。然而這些研究均未考慮實際運行中江水溫度的變化。因此本文旨在對江水溫度進行實測，以掌握江水溫度變化規律，從而為確定不同水溫條件下的最佳取水溫差奠定基礎，進而提出動態取水溫差控制策略，進一步發揮江水源熱泵系統的節能潛力。

1 江水溫度變化規律

1.1 水溫數據的獲取

為充分了解江水溫度全年變化規律，筆者對嘉陵江重慶段洪崖洞區域水溫進行了連續的觀測。主要測試儀器為T型熱電偶（精度±0.2℃）和安捷倫34970A數據采集儀，測試記錄時間間隔為5min，測試深度為水面下5m和10m。

1.2 江水溫度變化規律

1.2.1 同一日內江水溫度變化

由于江水具有較大的熱惰性，江水水溫并不能隨著氣溫等外界條件的變化而及時變化。從圖1中可以看出同一日內江水溫度變化較小，通常小于1℃，對于工程應用而言可以忽略，因此在研究中可以用日平均水溫代替逐時江水溫度。另外，還可以看出同一日內不同水深處水溫變化是同步的，且水面下5m與水面下10m處水溫相差不大，平均溫差0.3℃，最大溫差為0.49℃，這是因為江水不同于水庫等靜止水體，其劇烈的擾動流動破壞了水溫分層現象，因而可以忽略深度對水溫的影響。

圖1 同一日內江水溫度變化

1.2.2 全年江水溫度變化規律

江水全年溫度受氣候條件、流量等因素影響較大，具有一定的波動性。從圖2中可以看出江水溫度全年變化較大，江水最低溫度低于10℃，最高達30℃。就整個供冷季而言，實際江水水溫在多數時段也較大偏離常采用的25℃的設計取水水溫。在供冷初期和末期，江水溫度明顯低于25℃，而在供冷中期江水溫度又明顯高于25℃，因此將江水溫度取作一個定值是不合適的。

圖2 全年江水日平均溫度變化

2 江水源熱泵系統動態取水溫差控制策略

目前變水量作為節能技術被廣泛采用，其設計的主要依據是根據變化的負荷來調整輸配流量從而達到供回水溫差恒定的要求，節能效果明顯。而江水實際水溫與設計水溫的偏差，使得水源熱泵系統在實際運行過程中冷熱量的供應與需求不能很好地匹配，從而產生浪費或不足。如果能夠在設計最佳取水溫差的基礎上考慮江水水溫的實際變化情況，將更大程度地發揮水源熱泵系統的節能效果。因此，可以在滿足系統負荷的基礎上，根據取水溫度變化情況，合理控制和優化取水溫差，使之與機組性能相匹配，達到水源熱泵系統高效穩定運行的目的。

2.1 最佳取水溫差的確定

圖3 不同取水溫度下取水溫差與的關系

2.2 動態取水溫差控制策略

針對冷卻水特性的研究表明[13,14]，將取水溫差恒定取為5℃不利于系統節能。對于江水源熱泵的系統設計，目前較普遍采用的方法是取最熱月平均水溫25℃作為冷卻水的進水溫度，選取在此溫度下的最佳取水溫差。根據公式（1）可得江水取水溫度為25℃時最佳取水溫差為7℃，此溫差具有一定的系統節能意義。然而，在整個供冷季江水水溫并非始終保持25℃，當水溫較高時，系統達不到設計工況無法滿足建筑供冷需求，而當水溫較低時，則具有更多的節能空間。動態取水溫差策略充分考慮了江水溫度的變化特性，在不同的江水取水溫度下采用不同的取水溫差。在實際運行中取水溫差不可能取連續的任意值，因此本文將最佳取水溫差值相近的水溫劃分為同一個水溫段，在此水溫段取同一個取水溫差。最終將整個供冷期江水溫度劃分為3段：當江水水溫為20℃～25℃時，取水溫差為7.3℃；當江水水溫為25℃～30℃時，取水溫差為6.5℃；當江水水溫為30℃以上時，取水溫差為5.5℃。

2.3 實例研究

以重慶市某江水源熱泵工程為例，該工程采用嘉陵江水作為水源熱泵系統的熱源和熱匯，其主要設備參數如表1所示。該工程的建筑類型為商業類建筑，利用DeST軟件模擬可以獲得該建筑夏季制冷工況逐時負荷如圖4所示。根據水溫數據、建筑負荷，以及水源熱泵系統性能特性便可以計算出整個供冷季分別采用兩種取水溫差控制策略下的能耗。圖5為動態取水溫差控制策略較固定取水溫差控制策略在整個供冷季的節能率情況。

表1 某工程主要設備參數表

圖4 某建筑夏季制冷工況逐時負荷變化

圖5 供冷季動態取水溫差控制策略較固定取水溫差控制策略節能率

從圖5中可以看出，采用動態取水溫差控制策略較采用固定取水溫差控制策略在整個供冷季具有節能優勢。在供冷初期，此時江水溫度較低，可以采用比設計取水溫度下最佳取水溫差更大的值來降低系統的運行能耗。而在供冷中期，之所以在某些時段采用動態取水溫差控制策略比采用固定取水溫差控制策略耗能更高，是因為此時建筑負荷較大且江水取水水溫實際值已達到較高的水平甚至超過30℃，此時系統在實際運行中已達不到7℃的取水溫差，仍然采用固定的7℃的設計溫差系統已不能滿足建筑的供冷需求。動態取水溫差控制策略在江水進水溫度較高時采用較小的取水溫差，通過增大取水量來保證水源熱泵機組的正常運行，從而更大程度地保證系統滿足建筑的負荷需求。通過理論計算發現，在整個供冷期采用動態取水溫差控制策略總能耗比采用固定取水溫差控制策略總能耗節省3%，單日最大節能率12.87%。因此，在保證建筑負荷、滿足室內熱舒適的前提下，采用動態取水溫差控制策略節能效果顯著。

3 結論

本文通過對嘉陵江重慶段的水溫測試，探究了江水溫度變化規律。測試結果表明江水溫度同一日內變化不大，可以忽略。而江水全年溫度變化較大，在系統設計和運行時應充分考慮江水的溫度變化特性。此外，研究提出了動態取水溫差控制策略，結合重慶市某實際工程案例分析，發現采用動態取水溫差控制策略較采用固定最佳取水溫差控制策略更具節能性，且采用動態取水溫差控制策略還能更大程度的保證系統滿足建筑的負荷需求。因此，在水源熱泵系統設計與運行指導過程中，江水水溫不宜取恒定值，應充分考慮江水溫度的變化特性。采用動態取水溫差控制策略能夠保證水源熱泵系統在水溫條件不利時滿足建筑負荷的冷熱需求，而在水溫條件有利時減少水源熱泵系統的運行能耗。

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A Water Temperature Model for River Water Source Heat Pump and its Application

Wang Zuolin1Li Mo2Bai Xuelian1

( 1.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045;2.Hebei Academy of Building Research, Shijiazhuang, 050021 )

The water-intake temperature is a key factor affecting the design and operation of river water source heat pump systems. In order to master the dynamic characteristics of river water temperature, the temperature of Jialing river was tested. Result shows that water temperature changes dramaticly with time. The dynanmic water-intake temperature difference control strategy was proposed with the water temperature data. A case study shows that the dynamic water-intake temperature difference control strategy does better in matching the cold/heat supplied by the heat pump and the cooling/heating load of the building than the fixed water-intake temperature difference control strategy.

heat pump systems; water temperature; water-intake temperature difference; dynamic

1671-6612（2017）02-113-05

TU831

A

中央高校基本科研業務費項目（No.106112012CDJZR210005）

王作林（1988-），男，碩士，E-mail：wangzuolin@cqu.edu.cn

白雪蓮（1973-），女，博士，教授，E-mail：xuelianbai@cqu.edu.cn

2015-12-21