集成式熱源塔熱泵能源站塔側水力特性及其優化

陳肖楠，梁彩華，尤伊霖，周強，張小松

(1.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京，210096；2.國網江蘇綜合能源服務有限公司，江蘇 南京，211106)

目前，我國社會總能耗中建筑能耗約占22%[1]，而建筑采暖、制冷能耗占建筑能耗的50%～60%。因此，建筑空調系統的節能降耗是實現碳達峰、碳中和目標的有效途徑。現有建筑常規冷熱能源方案主要有3 種：冷水機組+鍋爐，空氣源熱泵以及水/地源熱泵。冷水機組+鍋爐方案存在冬夏季設備閑置的問題[2]；空氣源熱泵方案制熱運行時蒸發器表面易結霜，機組的制熱效率低[3-5]；水/地源熱泵方案的應用受地理地質條件限制，存在初投資高和土壤熱失衡等問題[6-7]。近年來，新發展的熱源塔熱泵方案夏季利用冷卻水在熱源塔中的蒸發吸收熱量，制冷效率高，冬季時利用低冰點的溶液在熱源塔中與空氣換熱，從空氣中吸取熱量，無結霜困擾，不受地理地質條件限制，初投資費用相對合理[8]，應用前景廣闊。

能源站作為一種新型的建筑節能手段，相比于傳統中央空調系統，可降低系統裝機總容量，大規模利用可再生能源，具有運行能效高、運營維護成本低和建筑空間利用率高等優勢[9]，引起了國內外學者的廣泛關注。LEI等[10]通過構建能源站管道的傳熱模型，發現區域管網在能源運輸中的延時效應可以有效平衡區域能源負荷，降低區域能源站的配置容量；WANG等[11]提出了一種考慮多能耦合變化特征曲線的區域綜合能源多能負荷預測方法；徐成司等[12]以初期投資建設和后期運行成本最小化為目標，基于能流平衡約束和熱網特性建立能源系統的拓撲模型；GUO等[13]構建了考慮需求響應的區域綜合能源站系統模型，得到了負荷需求響應和能源網絡的優化結果，包括設備裝機容量以及運行策略。

能源站的優勢明顯但也存在其局限之處，大規模利用可再生能源導致能源站的應用受地域資源限制，必須依托江河湖海、污水等條件才能建立，分布不靈活，且能源站的輸送距離長，輸送流量大，導致其輸送能耗高，供能管網初投資大。

集成式能源站和熱源塔熱泵技術的有機結合解決了上述問題，集成式熱源塔熱泵能源站占地面積小，集成性高，可以更好地適應不同功能分區的負荷特性，降低能源站的輸送能耗。分布式方案下的集成式熱源塔熱泵能源站不僅不受地域條件的限制，可按需設置數量與規模，而且可根據區域負荷的成長及運行特性進行調控，保證了集成式熱源塔熱泵能源站的配置及調控的靈活性。現有熱源塔熱泵研究主要集中在傳熱傳質特性[14-16]，溶液再生裝置[17-18]及可再生能源耦合系統供熱[19-20]等方面，而熱源塔熱泵由于冬夏季工作介質不同，流量不同，但共用一套輸配系統，導致冬夏工況下系統塔側輸配系統的水力特性發生變化。水力特性包含阻力特性及流量均勻特性，前者影響能源站的輸送能耗，后者則影響塔側換熱及其混合出水溫度進而影響主機性能[21-22]，集成式熱源塔熱泵能源站在兼顧冬夏需求的基礎上需克服水力特性變化的問題，因此，研究塔側輸配系統水力特性的影響因素與規律具有重要意義。

1 集成式熱源塔熱泵能源站

某5 MW集成式熱源塔熱泵能源站采用3臺螺桿熱泵機組、4 臺熱源塔、3 臺塔側水泵和3 臺用戶側水泵作為主體，額定制冷量為4.8 MW，額定制熱量為4.2 MW。作為高度集成化的模塊范例，其具有占地面積小、布置靈活、擴展性強等特點。基于常規的區域能源站設計理念與方法，集成式能源站設計基準方案如圖1(a)所示。能源站系統原理圖及各節點間管段所處位置如圖1(b)所示，其中管段5代表熱泵機組，管段8代表熱源塔塔高所帶來的能量耗散，其余管段則代表其所處管路位置。當系統處于制冷工況時，打開A閥，關閉B閥；當系統處于制熱工況時，打開B閥，關閉A閥。

圖1 集成式熱源塔熱泵能源站及系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated heat source tower heat pump energy station and system schematic

2 能源站塔側輸配系統模型

2.1 模型建立

集成式熱源塔熱泵能源站系統的每一節點遵守能量守恒定律和質量守恒定律：

式中：ρ為流體的密度，kg/m3；u為流體的速度，m/s；下標i和j分別代表系統各節點；P為壓力，kPa；z為節點處流體所處位置的相對高度，m；mij為連接節點i和j的管路內的質量流量，kg/s；Pfi為節點間管段的壓降，kPa。計算公式如下[23]，

式中：Pf1為沿程阻力，kPa；Pf2為局部阻力，kPa；λ為摩擦因數，層流時選用式(5)，紊流時選用式 (6)[24]；ξ為局部阻力系數；K為管壁粗糙度，具體取值由文獻[25]確定，mm；di為管路管徑，m；Re為管段水流雷諾數；μ為流體動力黏度，Pa·s。

系統局部阻力部件主要包括彎頭、三通、閥門和傳感器等。其中，彎頭、三通直流段、分流段的局部阻力系數根據具體類型由文獻[23]確定，閥門的局部阻力由阻力系數及流量特性確定，計算公式[26]如下。

對于通斷閥門(蝶閥，閘閥等)：

對于直線流量特性調節閥：

對于等百分比流量特性調節閥：

式中：L為閥門開度，通斷閥門中開度為0或1；Q為體積流量，m3/s；Qmax為開度最大時的體積流量，m3/s；R為可調比，即最大流量與最小可控流量之比。

以流量分配系數，流量分配最大不平衡系數以及流量分配不均勻系數來表征系統流量分配的均勻程度。

流量分配系數xi為

流量分配最大不平衡系數ymax為

流量分配不均勻系數z為

式中：Qs為設備設計流量，kg/s；Qi為各設備實際分配流量，kg/s；n為設備實際臺數。當流量分配系數xi=1，流量分配最大不平衡系數ymax=0，流量分配不均勻系數z=0時，各設備流量相同，系統流量分配均勻性最好。z越大，則表明設備偏離其設計值的程度越大，系統整體流量分配均勻性越差。

2.2 模型精度分析

為驗證集成式熱源塔熱泵塔側輸配系統模型的精度，利用所構建的模型與暖通專業設計軟件HVAC 中水力計算模塊對同一水力系統進行建模。調整系統的運行流量，系統壓降隨之變化，結果如圖2所示。通過本模型所得阻力與HVAC阻力結果的相對誤差均在±3%之間，由此可見，所述模型具有較高精度，可用于后續研究。

圖2 HVAC與本模型的阻力結果對比Fig.2 Comparison of resistance between HVAC and model

3 塔側輸配系統水力特性的影響因素

集成式熱源塔熱泵能源站方案兼顧冬夏需求，夏季工況，塔側為散熱端，以水為工作介質；冬季工況，塔側為吸熱端，以低冰點溶液為工作介質。冬季溶液比熱容小于夏季水的比熱容，且冬季額定溫差低于夏季額定溫差，導致冬季額定流量高于夏季額定流量。不同的運行工況導致塔側輸配系統的阻力及流量分配均勻特性不同，塔側水泵的實際運行條件及熱源塔的換熱性能也存在差異，因此，下文研究能源站塔側輸配系統水力特性的影響因素。

3.1 管路設計

塔側輸配系統的管路設計是系統整體水力特性的重要影響因素。本文根據BIM 三維設計圖對基準方案塔側輸配系統進行建模，各設備、管路閥門及附件的高度、管線和管徑參數等均由BIM圖給出。不同工況系統節點間管段壓降及各設備流量分配情況如圖3和4所示。

由圖3可知：在夏季和冬季工況下，塔側輸配系統總壓降分別為146 kPa和179 kPa，在冬季工況下，額定流量高于夏季額定流量，且冬季溶液的密度和黏度均高于夏季水的密度和黏度，因此，冬季工況塔側輸配系統總壓降比夏季的高，水泵選型時應以冬季工況為準。此外，不同工況下熱泵主機壓降及塔高所帶來的能量耗散均明顯比其他管段的大，是系統總壓降的主要組成部分。

由圖4可知：同一系統在冬夏工況下的流量分配情況存在差異，冬季工況系統各設備的流量分配最大不平衡系數ymax和不均勻系數z均比夏季工況的小。塔側水泵及熱泵機組間的流量均勻情況較好，夏季流量分配最大不平衡系數ymax僅為0.049 4，最大流量不均勻系數z僅為0.050 3，而熱源塔入口段的流量不均情況較嚴重，夏季流量分配最大不平衡系數ymax為0.448 9，流量分配不均勻系數z為0.318 5。由此可見，熱源塔入口段的流量分配情況制約著塔側輸配系統的流量分配均勻上限，因此，本文后續主要研究熱源塔入口段的流量分配均勻特性。

圖4 冬夏工況塔側輸配系統設備流量分配情況Fig.4 Equipment flow distribution of tower side distribution system in winter and summer working conditions

3.2 配水支管管徑

熱源塔的配水管徑及管路布置情況會影響入口段的水力特性。本研究中熱源塔配水總管管徑為400 mm，不同配水支管管徑下熱源塔入口段的系統壓降及流量分配情況如圖5 所示。由圖5 可知：隨著熱源塔配水支管管徑減小，熱源塔入口段壓降逐漸增加，流量分配趨于均勻，流量分配最大不平衡系數ymax和不均勻系數z均逐漸減小。當配水支管管徑從300 mm 變為250 mm 時，冬季和夏季工況下的壓降分別增加了2.3 kPa和1.6 kPa，流量分配最大不平衡系數ymax分別降低了23.9%和24.7%，不均勻系數z分別降低了22.8%和23.2%，流量分配不均的情況得到明顯改善，而系統壓降增加幅度較小，因此，可適當減小支管配水管徑以保證流量分配均勻，在實際工程中，在滿足設計流速的區間內，配水支管推薦采用小管徑。

圖5 不同配水支管管徑下熱源塔入口段水力特性變化Fig.5 Hydraulic characteristics of inlet section of heat source tower under different diameter of water distribution pipe

3.3 運行負荷率

能源站塔側輸配系統大部分時間均在部分負荷工況下運行，不同運行負荷率下系統實際運行流量不同，其輸配系統的阻力特性和流量分配特性也存在差別。冬季變運行負荷率下各管段壓降所占比例變化如圖6所示，熱源塔入口段壓降及流量分配情況變化如圖7所示。由圖6可知：系統管路的總壓降隨運行負荷率減小而降低，并且各工況管段壓降所占的比例也逐漸下降，只有塔高引起的能量損耗所占比例逐漸增加。因此，在滿足換熱效果及場地允許的前提下，應降低塔的高度以降低能量耗散。

圖6 冬季變運行負荷率下各管段壓降所占比例圖Fig.6 Proportion diagram of pressure drop at each pipe section under variable running load in winter

圖7 變運行負荷率下熱源塔入口段水力特性變化情況Fig.7 Hydraulic characteristics of inlet section of heat source tower under variable running load

由圖7可知：隨著運行負荷率增加，熱源塔入口段壓降逐漸升高，運行負荷率從0.6 增加為1.0，冬夏工況壓降分別增加了6.5 kPa 和5.6 kPa，而流量分配則隨運行流量增加趨于均勻，冬季和夏季工況下的流量分配最大不平衡系數ymax分別降低1.7% 和2.3%，不均勻系數z分別降低0.9% 和1.1%，下降幅度較小，此時，影響流量分配情況的主要因素是入口段的管道布置和管徑情況。因此，需著重考慮熱源塔入口段管道設計及布置方式的合理性，當運行負荷率低于0.6時，建議考慮減小熱源塔運行臺數。

3.4 溶液性質

熱源塔在夏季工況運行時，采用水作為工作介質，而在冬季工況時需采用凝固點低于0 ℃的低冰點溶液作為載熱介質。低冰點溶液的物理化學性質不僅關系著熱源塔熱泵系統的換熱性能，其密度和黏度也影響著塔側輸配系統能耗。不同密度和黏度溶液對塔側輸配系統的水力特性影響如圖8所示。

圖8 溶液性質對塔側輸配系統水力特性的影響Fig.8 Influence of solution properties on hydraulic characteristics of tower side distribution system

由圖8可知：隨著溶液密度增加，塔側輸配系統的壓降不斷增加。溶液密度從1 000 kg/m3增加到1 100 kg/m3時，系統壓降增加了18 kPa，流量分配最大不平衡系數ymax和不均勻系數z基本不變；當溶液黏度從0.001 Pa·s 增加到0.010 Pa·s 時，系統壓降增加了43 kPa，流量分配最大不平衡系數ymax和不均勻系數z分別增加了4.3%和3.1%；溶液密度和黏度對塔側輸配系統壓降影響較大，溶液密度對于系統的流量分配情況影響可以忽略，溶液黏度對系統的流量分配不均程度影響較小。由此可見，在滿足凝固點和換熱性能要求的前提下，應盡可能采用低密度、低黏度的溶液以降低系統壓降，從而降低輸配系統能耗。

4 塔側輸配系統優化方案

由上述分析可知，系統阻力及流量分配特性的主要影響因素有管路設計、配水管徑、運行負荷率及溶液性質。設備流量分配不均是管路阻力不平衡所導致的，因此，改進系統的水力特性需要改善管路布置情況，減小管路阻力差異。阻力優化措施包括將直角三通彎頭改為順水三通彎頭，選擇低密度和低黏度的防凍溶液等，可有效降低系統的局部阻力和沿程阻力。流量分配優化措施包括更改熱源塔入口段進水管道布置，適當減小熱源塔配水支管管徑等，可降低系統流量不均勻系數，但會增加系統壓降。管道更改布置情況由能源站優化設計方案圖9所示，優化方案壓降及流量分配情況變化如圖10所示。

圖9 能源站優化設計方案Fig.9 Optimization design scheme of energy station

由圖10 可知：與基準方案相比，在冬季和夏季工況下，優化方案的總壓降分別降低6.9 kPa 和 4.8 kPa；塔側水泵及熱源塔的流量分配不均情況得到改善，在冬季和夏季工況下，優化方案的熱源塔入口段流量分配最大不平衡系數ymax分別降低了74.5%和76.3%，不均勻系數z分別降低了63.2%和65.3%。管段5 即熱源塔入口段改變了管路布置，其流量分配不均勻程度降低，但增加了該部分的壓降。其余管段處壓降均降低或者不變，因而優化前后系統壓降變化較小。

圖10 優化方案水力變化情況圖Fig.10 Change of hydraulic characteristics of optimization scheme

5 結論

1) 集成式熱源塔熱泵能源站兼顧冬夏，配置與調控的靈活性高，能較好地適應不同的冷熱負荷成長及運行特性。在冬夏工況下，水力特性存在差異，針對所研究的某能源站，額定運行條件下冬季壓降比夏季高約23%，熱源塔入口段流量分配不均情況較為嚴重。

2) 集成式熱源塔熱泵能源站塔側輸配系統中水力特性與系統管路結構、運行負荷率與溶液性質密切相關。溶液密度降低100 kg/m3，黏度降低0.009 Pa·s，系統壓降可分別降低18 kPa和43 kPa；熱源塔配水支管管徑降低17%，流量分配不均勻系數可降低約25%；系統壓降隨溶液密度和黏度增加而增加，溶液密度對于系統的流量分配情況影響很小，溶液黏度增加會小幅度增加系統的流量分配不均程度。系統的阻力特性及流量分配特性間存在耦合關系，系統優化設計需綜合考慮以上因素。

3) 常規設計方案下能源站塔側輸配系統存在局部阻力大、流量分配不均等問題，可采取將直角彎頭三通更改為順水彎頭三通、適當縮小一級配水管徑、選擇低密度和低黏度的溶液等措施，優化后，塔側輸配系統壓降和流量分配不均勻系數分別降低了4%和62%左右。