地熱水耦合熱泵供熱系統設計方案差異性分析

蘆 巖，林 輝，田雨辰，田 亮，竹巧艷

(1.天津市市政工程設計研究院，天津 300051；2.天津大學 仁愛學院，天津 300051)

1 概述

隨著清潔供熱的大力推廣以及環保要求的不斷提高，地熱供熱越來越受到重視，尤其是在我國華北地熱資源較豐富的地區。

本文介紹地熱耦合熱泵供熱系統的設計方案、工藝流程、運行策略，建立供暖期系統能效比的計算模型。結合算例，在分階段改變流量的質調節運行方式下，對兩種地熱耦合熱泵供熱系統的供暖期系統能效比進行對比計算。

2 設計方案

地熱耦合熱泵供熱系統以梯級利用地熱水熱量為原則，采取地熱水直接供熱與熱泵機組利用地熱尾水余熱的供熱系統。根據供熱循環泵的設置位置，地熱耦合熱泵供熱系統通常分為兩種設計方案：方案1：制熱設備(換熱器、熱泵機組)與供熱循環泵采取一機一泵的固定設置(見圖1)。方案2：供熱循環泵集中并聯設置(見圖2)。對于方案1、2，地熱水均逐級流經地熱水換熱器1～3。

圖1 方案1系統流程1～3.地熱水換熱器 4、5.中間循環泵 6、7.熱泵機組 8～10.供熱循環泵 11.潛水泵

① 方案1的運行策略

由圖1可知，方案1的供熱循環泵與制熱設備對應關系固定，啟用某臺制熱設備時必須啟用相應的供熱循環泵。當供暖熱負荷小于地熱水換熱器1的供熱能力時，啟用地熱水換熱器1與供熱循環泵8。當供暖熱負荷大于地熱水換熱器1的供熱能力且小于地熱水換熱器1與熱泵機組6的供熱能力之和時，啟用地熱水換熱器1、地熱水換熱器2、熱泵機組6與供熱循環泵8、9。供暖熱負荷繼續增加，最終將地熱水換熱器1～3、熱泵機組6、7以及供熱循環泵8～10全部啟用。

② 方案2的運行策略

方案2的運行策略與方案1類似。由圖2可知，由于供熱循環泵集中并聯設置，供熱循環泵與制熱設備的對應關系相對松散，因此制熱設備與供熱循環泵的匹配更加靈活。

圖2 方案2系統流程1～3.地熱水換熱器 4、5.中間循環泵 6、7.熱泵機組 8～10.供熱循環泵 11.潛水泵

3 供暖期系統能效比計算

3.1 計算流程

計算流程見圖3。

圖3 計算流程

3.2 關鍵計算內容

① 分階段改變流量的質調節方程組

分階段改變流量的質調節方程組為[1]：

θw=θn-η(θn-θw,d)

Δθs,d=0.5(θg,d+θh,d-2θn)

Δθd=θg，d-Δθh,d

式中η——負荷率

Φ、Φd——實際、設計熱負荷，kW

θw——室外溫度，℃

θn——供暖室內設計溫度，℃

θw,d——供暖室外計算溫度，℃

qr——相對質量流量

qm、qm,d——實際、設計質量流量，t/h

θg、θh——實際供、回水溫度，℃

Δθs,d——設計工況散熱設備過余溫度，℃

b——散熱設備散熱特性系數，地面輻射供暖系統取1.05

Δθd——供熱系統設計供回水溫差，℃

θg,d、θh,d——供熱系統設計供、回水溫度，℃

② 供暖期系統能效比

供暖期系統能效比ISEER的計算式為：

式中ISEER——供暖期系統能效比

Qtot——供暖期系統總供熱量，kW·h

Etot——供暖期系統耗電量，kW·h

Pi——第i種負荷率的系統耗電功率，kW

ti——第i種負荷率的延續時間，h

③ 熱泵機組制熱性能系數

根據生產廠家提供的熱泵機組部分負荷性能曲線，可以得到部分負荷條件下，額定出水溫度時熱泵機組6的制熱性能系數Ir,6的擬合式為：

Ir,6=1 343.2γ6-4 615γ5+6 211.6γ4-

4 112.1γ3+1 365γ2-203.3γ+16.442

式中Ir,6——部分負荷條件下，額定出水溫度時熱泵機組6的制熱性能系數

γ——熱泵機組部分負荷率

部分負荷條件下，額定出水溫度時熱泵機組7的制熱性能系數Ir,7的擬合式為：

Ir,7=314.35γ6-1 154.2γ5+1 623.7γ4-

1 069.8γ3+312.82γ2-24.962γ+3.033 9

式中Ir,7——部分負荷條件下，額定出水溫度時熱泵機組7的制熱性能系數

部分負荷條件下，實際出水溫度時熱泵機組制熱性能系數I的計算式為：

式中I——部分負荷條件下，實際出水溫度時熱泵機組的制熱性能系數

Ir——部分負荷條件下，額定出水溫度時熱泵機組的制熱性能系數

θd、θ——部分負荷條件下，熱泵機組額定出水溫度、實際出水溫度，℃

β——制熱性能系數變化率，K-1，本文取2.21 K-1[2]

4 算例

4.1 設定條件

由系統工藝流程及運行策略可知，分階段改變流量的質調節運行方式更加適合地熱耦合熱泵供熱系統。以天津地區作為研究對象，供暖期按當地惠民政策為151 d，當年11月1日至次年3月31日。地熱井出水溫度為80 ℃，采水量為80 t/h，設計回灌溫度為10 ℃。用戶室內采用地面輻射供暖系統，供暖室內設計溫度為20 ℃，設計供、回水溫度為50、40 ℃。

① 設備配置

方案1、2的設備配置情況一致，地熱耦合熱泵供熱系統設備額定參數見表1。

表1 地熱耦合熱泵供熱系統設備額定參數

② 氣象參數

逐時氣象參數采用《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中天津市典型氣象年中11月1日至次年3月31日的逐時室外干球溫度。

③ 熱負荷延續時間

設計熱負荷為7 383.6 kW。不同負荷率的持續時間、室外溫度見表2。

表2 不同負荷率的持續時間、室外溫度

④ 供熱調節曲線

方案1、2的供熱調節曲線一致，見圖4。供暖期分為3個階段：室外溫度大于7.85 ℃時僅需啟用供熱循環泵8。室外溫度小于等于7.85 ℃且大于-0.25 ℃時，啟用供熱循環泵8、9。室外溫度小于等于-0.25 ℃時，啟用供熱循環泵8～10。在每個階段內進行質調節。

圖4 供熱調節曲線

4.2 計算結果

① 供熱設備運行情況

雖然供熱調節曲線相同，但計算結果顯示兩種系統在運行時存在著差異。供暖期方案1、2設備啟用情況分別見表3、4。由表3、4可知，在分階段改變流量的質調節方式下，方案2可以靈活匹配制熱設備與供熱循環泵，單獨運行地熱水換熱器1的時間比方案1長655 h，縮短了熱泵機組的運行時間。

表3 供暖期方案1設備啟用情況

表4 供暖期方案2設備啟用情況

② 供暖期系統能效比

由計算結果可知，方案1、2的供暖期系統能效比分別為9.20、10.03。與方案1相比，方案2的供暖期系統能效比提高9%。主要原因為供熱量相同的前提下，方案2縮短了熱泵機組運行時間。

5 結論

① 與方案1相比，由于方案2的供熱循環泵集中并聯設置，供熱循環泵與制熱設備的對應關系相對松散，制熱設備與供熱循環泵的匹配更加靈活。

② 方案1、2的供暖期系統能效比分別為9.20、10.03。與方案1相比，方案2的供暖期系統能效比提高9%。