寒冷地區地表水地源熱泵系統設計及應用

吳榮華 王鶴翔 展 浩

(1.哈爾濱工業大學(威海),威海,中國;2.加州大學圣地亞哥分校,圣地亞哥,美國;3.青島科創藍新能源股份有限公司,青島,中國)

0 引言

我國北方寒冷地區冬季地表水溫度普遍低于5 ℃[1],極寒天氣下會降低到2 ℃以下,這也是北方地區湖水源熱泵得不到應用和海水源熱泵應用失敗的主要原因之一。此溫度下的水源直接引入熱泵機組會造成機組蒸發器結冰損壞,如果采取二次換熱的形式,則換熱器也面臨結冰損壞的問題。國內外針對寒冷地區地表水地源熱泵的研究主要集中在提取湖水/海水潛熱[2-3]或改進蒸發器結構[4-5]等方面。

本文總結寒冷地區地表水地源熱泵系統的設計與應用經驗,對寒冷地區冬季水溫特點,地表水地源熱泵系統形式、運行工況和設備配置,尤其是取水工況和二次換熱結冰等問題進行分析,并給出實際案例,為地表水地源熱泵在寒冷地區的應用提供參考。

1 寒冷地區冬季地表水溫度特點

寒冷地區是我國5個氣候區之一,該類地區最冷月平均溫度為-10～0 ℃,日平均溫度≤5 ℃的天數為90～145 d,主要包括北京、天津、河北、山東、山西、寧夏、陜西大部、遼寧南部、甘肅中東部、新疆南部、河南、安徽、江蘇北部及西藏南部等地區。

1.1 水體溫度分層特性

除冬季外,寒冷地區的湖泊、江河水體溫度主要受太陽輻射與空氣溫度的影響,變化規律與其他地區一致[6-7]。但冬季寒冷地區室外溫度長期低于0 ℃,湖泊、江河等水體表面會形成厚度不等的冰層,冰層增加了水體與空氣間的換熱熱阻,同時反射了大部分太陽輻射[8],由此形成了特殊的水體溫度分布。準確了解冬季冰層下水體溫度分布及外界環境因素對水體溫度的影響,是在寒冷地區設計應用地表水地源熱泵系統的關鍵。

常壓下水的三相點溫度為0 ℃,因此冰層附近的水體始終保持冰點溫度。水具有特殊的反常膨脹現象,淡水湖泊的水體在4 ℃左右時密度最大[9],由于湖水的流動性較小,溫度高于4 ℃的湖水在密度差的作用下上浮降溫,最終使得大部分水體的水溫與水深成正比,深度越深,水溫越高。我國北方地區冰蓋下淺層湖水的溫度普遍低于5 ℃[10]。由于河水與海水的流動性較強,使得水體的整體溫度分布較為均勻,實測深度在5 m以內的河流及近岸海水沒有明顯的溫度分層現象。

1.2 水體溫度主要影響因素

由于冰蓋的阻隔,冰蓋下水體的溫度主要與太陽輻射和土壤溫度有關。一般認為未結冰水體太陽凈輻射量的50%～60%在水面被吸收,另外40%～50%穿過水面向下傳播[6],對于裸露冰蓋,只有可見光能夠透射穿過冰蓋進入水體,而紅外線在冰蓋表面被完全吸收[11]。Henneman等人的研究指出,由于冰蓋的阻隔,用于加熱水體的可見光輻射能與總輻射能之比為0.443～0.483,根據當地天氣狀況,晴天取較小值,陰天取較大值[8]。我國各地區深層土壤溫度年均變化不大,以深圳地區為例,地表40 cm以下的土層溫度基本不受太陽輻射的影響[12],地表150 cm以下的土壤溫度常年恒定[12-14]。冬季水體溫度隨氣溫降低[15],但周圍土壤溫度波動不大,土壤熱量會通過熱傳導與熱對流傳遞到水體[16],其在水體總蓄熱量中占有很大的比例。設計初期計算水體可提供熱量時需要同時考慮太陽輻射與土壤蓄熱的影響,計算式見式(1)、(2)。

Qty=AiIfΓ

(1)

式中Qty為太陽輻射熱能,W;Ai為太陽輻射界面面積,m2;If為確定緯度下的太陽輻照度,W/m2;Γ為太陽輻射吸收率,地表水體一般取0.15～0.30。

Qtr=AsDt

(2)

式中Qtr為土壤熱能,W;As為土壤導熱界面面積,m2;Dt為土壤熱通量密度,W/m2。

2 地表水地源熱泵系統連接形式

地表水地源熱泵系統的基本原理如圖1所示。熱泵機組與水源熱泵的連接方式有直接連接與間接連接2種[17]。熱泵機組間的連接方式又可分為并聯式、串聯式和混水式。不同連接方式各有優劣,需要根據實際需要和用熱建筑特點進行選擇和設計。

圖1 地表水地源熱泵系統原理圖

2.1 源側與機組連接形式

圖1所示為熱泵機組與源側直接連接的系統形式,圖2所示為間接連接的系統形式。對于常規地表水地源熱泵系統,若源側水質良好,冬季最低水溫在5 ℃以上,且源側取熱溫差不超過5 ℃,則機組可以直接連接水源取熱。直接連接系統運行效率較高,且管路結構簡單,運行維護難度較低。若可利用水源的水質不佳,如從原生污水[18]或海水取熱,則應在水源與機組間增加一級間接換熱系統。間接連接系統的管路結構較為復雜,但有效避免了前期的水處理步驟。對于寒冷地區,水溫波動較大,供熱中期水溫普遍低于5 ℃,供熱初末期與中期源側水流量大幅變化,增加間接換熱系統可以維持機組蒸發側流量穩定,同時將結冰風險轉移到中間換熱器,避免結冰導致蒸發器銅管破損。

圖2 間接連接并聯系統示意圖

2.2 機組連接形式

機組并聯是指將多個熱泵機組單獨安裝,每個機組的熱量輸出依次經過換熱器進行傳遞,從而為整個建筑提供熱量,各機組的源側進水與末端回水溫度相同。如圖2所示,并聯系統的結構簡單,機組運行效率高,但用水量更大,水源條件較好的地區建議使用此類系統,以提高系統的制熱能力與穩定性。

機組串聯是指將多個熱泵機組的蒸發側或冷凝側串聯,每個機組可以獨立運行。其中:蒸發側串聯適合源側水量不足但水溫較高的使用環境;冷凝側串聯則多用于末端供回水溫差較大時,通過逐級加熱提高系統的整體效率。圖3所示為在寒冷地區應用的水源熱泵系統使用的冷凝器串聯方案,通過冷凝器串聯可以有效降低單臺壓縮機的壓比,提高系統的運行穩定性。

圖3 間接連接串聯系統示意圖

混水系統包括源側混水和末端混水2種。源側混水主要用于水溫條件良好但水流量不足的環境,系統結構相對復雜且機組效率不高;末端混水則是通過控制供水與回水混合的比例,調節出水溫度,從而達到控制室內溫度的目的。極寒天氣源側取熱量不足時,可以在供熱系統中增加調峰熱源,并通過混水系統調節末端供回水溫度,如圖4所示,對于調峰負荷占比不大的供熱系統,建議將調峰熱源與機組串聯,盡可能降低調峰循環對末端流量的影響。

圖4 供水管路并聯調峰系統示意圖

3 系統設計工況

設計之初,必須確保當地的水文條件,如水源的水量、水溫、水質等全部符合水源熱泵機組的使用要求,并取得當地主管部門許可,同時對使用水源熱泵系統帶來的經濟效益進行分析,確保使用水源熱泵系統的合理性。寒冷地區水源熱泵系統的夏季制冷工況與常規水源熱泵相同,本文所述的系統設計及應用主要針對寒冷地區水源熱泵的冬季運行工況。

3.1 末端設計工況

如圖1所示,水源熱泵系統可以分為末端、機組和源側。末端循環系統主要由末端散熱裝置、連接管網和循環泵組成,設計系統末端時應當綜合考慮熱泵機組性能及管網初投資。設計前初步調查供暖系統的末端裝置類型,以此確定末端供回水溫度。增大供回水溫差會提高熱泵機組的冷凝溫度,降低機組運行效率,但末端循環管路可以使用更小的管徑和小功率循環泵,大幅減少了末端管網的初投資。寒冷地區應用地表水地源熱泵系統時,若末端管網建設成本過高,可考慮適當增大末端換熱溫差,減小末端管徑,同時將機組冷凝器串聯,以提高單機運行效率。對于大型能源站,以青島為例,由于新建小區基本都采用地面輻射供暖,一次網設計溫差一般為10～15 ℃,二次網設計溫差一般為10 ℃,一次網供/回水溫度建議設為60 ℃/48 ℃,二次網供/回水溫度建議設為45 ℃/35 ℃,此溫度下機組運行效率較高且管網初投資相對較低。

3.2 源側設計工況

應用于寒冷地區的水源熱泵系統源側主要包括中間循環和湖(河)水循環系統。中間循環系統主要由中間換熱器、連接管網和中間泵組成。由于冬季水溫較低,為了防止換熱器及機組蒸發器結冰,一般采用冰點溫度較低的載冷劑作為中間循環介質,如乙二醇、丙二醇水溶液等。設計中間循環系統時需綜合考慮管網投資、機組運行效率和循環能耗。增大中間側循環溫差降低了管網初投資及循環能耗,同時也降低了機組的蒸發溫度,機組效率有所下降。由于換熱器一般緊鄰機組布置,管網阻力不大,為提高機組運行能效,中間循環系統可以按3～4 ℃溫差設計。

一般而言,根據當地氣候,水源水進出機組的溫差Δts可以取5～11 ℃,具體的溫差取值可以參考所選熱泵機組的設計工況,根據機組蒸發吸熱量匹配管網管徑與循環泵功率。寒冷地區冬季湖(河)水溫度一般低于5 ℃[19],最低溫度低于2 ℃,且此時機組的取熱量遠大于供熱初末期,按照常規工況設計的管網系統極易結冰凍裂,因此,設計工作于寒冷地區的水源熱泵系統時,源側管網管徑與循環泵功率需要匹配極端工況,最大許用流量應當滿足極端天氣下引、退水溫差1 ℃時的機組取熱要求。

確定機組末端和源側設計工況后,計算末端熱量與冷量需求,按照熱量與冷量中的較大值選擇熱泵機組。

4 系統主要設備配置

水源熱泵系統的主要設備包括水源熱泵機組、換熱器、循環泵及連接管網等。針對寒冷地區的特殊工況,部分設備需要采用特殊的設計和運行策略,尤其是中間換熱器,要應對大流量小溫差的變工況運行和防凍問題。

4.1 中間系統設備配置

相較于機組與源側直接連接,間接連接會導致同等水溫下機組的蒸發溫度下降,同時增加系統的循環能耗,但考慮到機組蒸發器凍裂帶來的損失,增加一級中間循環是必要的。

常規污水源或海水源熱泵系統的中間換熱器設計時主要考慮結垢堵塞、化學腐蝕和生物腐蝕問題,多采用聚丙烯換熱器、鈦管換熱器、紅銅換熱器和聚氯乙烯(PVC)U形管換熱器等,這類換熱器或價格昂貴或換熱性能較差,很難在投資與性能之間達到平衡。由于主要以湖(河)水作為熱源,水體相對清潔且腐蝕性不強,寒冷地區水源熱泵系統可以使用常規的水-水換熱器,或使用專為污水及地表水系統設計的疏導式換熱器。實際工程中發現,中間換熱器也存在結垢堵塞及藻類附著問題,但結垢速率明顯低于污水換熱系統,常規的化學清洗、水壓清洗、機械清洗等方式都可以快速有效地解決此類問題[20]。

相對而言,寒冷地區水源熱泵的中間換熱器有較高的結冰風險,建議選用壁厚2 mm以上的疏導式換熱器或殼管式換熱器,并在換熱器入口側增加過濾裝置,出口側增加溫度傳感器。此類換熱器結構較為堅固,少量結冰不會影響機組運行,但不可長期運行于此工況下。

4.2 取水泵站設備配置

常規水源熱泵設計取水溫差為5～11 ℃,寒冷地區冬季源側設計取熱溫差則為1.0～1.5 ℃。寒冷地區地表水地源熱泵系統的取水泵站可以按圖5設計。

圖5 地表水地源熱泵近岸取水示意圖

取水泵站由進水口、集水間和水泵間組成。在集水間設置孔篦或格柵,以防止懸浮物堵塞水泵。在河流中設置取水點時,取水點要避免設在易于產生水內冰的急流、冰穴、冰凍等地方及支流出口的下游,以及流冰易于堆積的淺灘、沙洲、回流區和橋孔的上游附近,以避免冰凌的影響。

與常規水源熱泵系統取水泵站的設計方案不同[5],寒冷地區水源熱泵的取水泵站設計需要兼顧供暖初末期與供暖中期的流量要求。供暖初末期湖(河)水溫度較高,且末端負荷較低,此時部分機組停機,部分機組串聯運行,系統的用水量較小;供暖中期湖(河)水溫度降低,此時末端負荷為全年最大,所有機組滿負荷運行,系統的用水量最大,因此引、退水管網的管徑應按最小溫差、最大流量設計。需要注意的是,當機組部分負荷運行時,管網流量小于設計流量,此時的管道阻力遠低于設計工況,水泵有超電流風險。

綜合考慮機組運行于供熱初末期及供熱中期時的管網阻力問題,為避免單臺水泵超電流損壞,且要滿足機組流量需求,建議選擇多臺同型號變頻水泵并聯,或增設一拖一變頻器,供熱初期部分水泵變頻運行,隨水源側溫度變化適時調整水泵運行數量和功率,泵站內水泵的總功率應滿足極寒天氣時機組的流量和揚程要求。

5 典型案例

青島市高新區2號能源站供熱項目采用典型的寒冷地區地表水地源熱泵系統。該項目早期使用空氣源熱泵機組臨時供熱,由于極寒天氣影響,機組供熱季實際綜合運行能效低于2.0,供熱運行成本較高,因此后期項目選擇使用水源熱泵機組供熱,使用電鍋爐調峰。該項目按照優化后的水源熱泵系統方案進行設計,2022年11月正式投入運行,已穩定工作1個供熱季。

5.1 冬季水資源特性

2號能源站位于青島市高新區,該項目從祥茂河取水,引水管道連接羊毛溝四支流,退水管道連接羊毛溝三支流,取水點所在支流連接高新區匯流入海口。

根據式(1)與式(2)初步計算高新區水系的可用熱量。高新區水系流域面積為364萬m2,根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》數據可知,青島地區冬季太陽輻照度If=118 W/m2,太陽輻射吸收率Γ取0.17,可得高新區水系所能吸收的太陽輻射能為73 MW。將地表水流域面積(364萬m2)、土壤熱通量密度(Dt=20 W/m2)代入式(2)可得高新區水系所能吸收的土壤熱能為72.8 MW。高新區水系蓄水量為790萬m3,可取河水顯熱溫差為2.5 ℃,顯熱取熱量為16.0 MW。同理,2號站取水水系流域面積為40萬m2,蓄水量為80萬m3,太陽輻射取熱量為8 MW,土壤導熱量為8 MW,河水顯熱為1.6 MW?？側崃繛?7.6 MW。

為進一步分析當地水文條件,統計了1月28—30日羊毛溝四支流水溫與冰面光照度的變化,結果如圖6所示。該時段內天氣較為晴朗,冰面無積雪,水溫測試點位于水深1.5 m處。從圖6可以看出,河水的溫度與太陽輻射密切相關,14:00左右水溫最高,夜間水溫逐漸降低。太陽輻射對水體溫度的影響具有延遲性,即每日水溫達到最高點的時刻較太陽輻照度的峰值時刻晚1～2 h,這可能與水溫監測點較深有關?？傮w上,河水日平均溫度持續升高,監測時間內,河水最低溫度為0.7 ℃,最高溫度為2.4 ℃。

圖6 水溫與冰面光照度變化

5.2 系統形式和設計工況

2號能源站的總供熱面積為66.3萬m2,二期供熱面積為11.5萬m2。末端系統設計時參考青島地區室外設計參數,如表1所示。末端用戶采用地面輻射供暖,設計室內溫度為20 ℃。根據表1及建筑實際圍護結構參數,計算得到二期水源熱泵系統的制熱量為5 200 kW。

表1 青島地區室外設計參數

取水點位于祥茂河入?？诟浇?冬季最低水溫低于1 ℃,具有較高的結冰風險,因此選用間接換熱系統,極寒工況下設計取水溫差為1.2 ℃,水源側具體設計參數如表2所示。

表2 水源熱泵設計參數 ℃

5.3 系統主要設備配置

根據表1和表2,該項目選用2臺四機頭熱泵機組,熱泵機組的性能參數如表3所示。單臺機組蒸發器并聯、冷凝器串聯,具體連接方式如圖7所示,間接換熱系統選用8臺換熱面積為200 m2的疏導式換熱器,使用質量分數為26%、常壓下冰點溫度為-11.4 ℃的乙二醇水溶液作為中間換熱工質,并配有1臺流量900 t/h、揚程32 m、功率110 kW的中間泵,該水泵采用變頻控制。

表3 熱泵機組性能參數

圖7 能源站熱泵機組管路連接示意圖

從表2可知,該項目的設計工況較為惡劣,機組水源側的取熱溫差只有1.2 ℃,但在供暖初末期,當地水文條件較為良好,河水溫度一般為5～10 ℃,顯然,此時將取熱溫差設置為1.2 ℃是不合理的。因此,為了同時滿足供暖初末期和極寒天氣的水源側流量要求,該系統一期、二期共設置5臺流量800 t/h、揚程50 m、功率160 kW的取水泵,四用一備,每臺水泵都設有獨立的變頻器,極寒天氣下備用泵也可以并聯投入運行。供熱初末期,機組取熱量不大且水源溫度較高,可以設定2臺水泵30～40 Hz運行,以避免水泵超電流損壞;極寒天氣下,機組取熱量大且水源溫度較低,此時可以使用5臺機組高頻運行,以滿足末端用熱要求;其余時段,根據水源側溫度適當調節水泵啟用數量和運行頻率。

該系統引、退水采用地埋管路,總長度超過3 km,深埋及后期鋪平成本較高,且后續幾期工程即將投入建設,為減少后期管網鋪設成本,一期工程鋪設的引、退水管路管徑均為DN1000。為避免管徑過大導致取水泵損壞,二期建設的水源熱泵系統啟用前預先設定變頻器最高運行頻率為45 Hz。

5.4 極寒天氣實際運行參數

2號能源站2022年10月試運行,迄今已穩定工作1個供暖季。1月28日全天機組運行參數變化如圖8～11所示,此時段內河水流量穩定在1 800 m3/h。

圖8 環境溫度與引、退水溫度變化

圖9 機組蒸發器進、出水溫度變化

圖10 機組冷凝器進、出水溫度變化

圖11 熱泵機組COP變化

圖8顯示,隨著環境溫度升高,河水溫度緩慢回升。在1月28日凌晨至次日正午時分,系統的退水溫度已經接近0 ℃,引水溫度則長時間低于1 ℃,源側換熱溫差小于1 ℃,此工況超出常規水源熱泵機組的許用范圍,直接將此溫度的河水引入熱泵機組蒸發器極易導致蒸發器內部結冰,進而凍裂換熱銅管,導致制冷劑泄漏,造成供熱事故。因此,極寒工況下采用間接換熱模式是必要的。

圖9顯示,機組的蒸發器出水溫度在-2 ℃左右,即中間系統的換熱溫差為2 ℃,與設計工況相匹配。河水流量略大于設計工況流量,可能是由于取水管管徑過大,阻力過小,即使水泵頻率設定在45 Hz,實際流量仍超出額定值,此時應適當降低水泵頻率。監測時間內,疏導式換熱器前后壓差恒定,未觀察到明顯的結冰現象。

圖10顯示了單臺機組2個冷凝器的進、出水溫度,由于單臺機組的2個冷凝器串聯,進入第2臺冷凝器的回水即為第1臺機組的供水,末端系統的一級實際溫升為4 ℃左右,二級實際溫升為5 ℃左右,機組供水溫度設定為50 ℃,系統的供熱性能穩定。

圖11顯示了1月28日全天熱泵機組的能效變化。如圖7所示,單臺熱泵機組的蒸發器并聯、冷凝器串聯,一級冷凝溫度設定為43 ℃,二級冷凝溫度設定為50 ℃。從圖11可以看出:由于蒸發溫度相同,冷凝溫度較低的一級壓縮機性能系數COP1較高,為3.9左右;冷凝溫度較高的二級壓縮機性能系數COP2相對較低,為3.3左右;當日機組的整體運行工況良好,綜合COP為3.6左右,極寒天氣下水源熱泵機組仍具有較高的運行能效,運行成本相較于空氣源熱泵機組有明顯優勢。

6 結論

北方寒冷地區冬季湖水、海水溫度普遍低于2 ℃,使用地表水地源熱泵供熱時極易發生取熱溫差過小機組無法運行與機組結冰管道凍裂問題,這在一定程度上限制了水源熱泵在我國的推廣。為解決此類問題,本文分析了寒冷地區的水資源特性,給出了湖水、河水蓄熱量計算公式,從系統連接形式、系統運行工況和主要設備配置等方面對水源熱泵系統進行了改進和優化,以期進一步拓展高效節能的水源熱泵機組在北方地區的應用。

由于冰蓋影響,寒冷地區冬季河湖水及海水溫度普遍低于5 ℃,部分時段低于2 ℃,熱泵機組與水源側直接連接極易導致蒸發器結冰損壞,建議采用間接連接,使用壁厚大于2 mm的殼管式或疏導式換熱器作為中間換熱器,中間換熱工質可以選用冰點較低的載冷劑。

供熱初末期與供熱中期水溫波動較大,為保證機組低水溫時的流量要求,源側管網管徑與循環泵功率需要匹配極端工況,預測極端天氣末端用熱量,并確保最大流量滿足1 ℃溫差的取熱要求;由于管徑較大,設計泵站時應采用多臺同型號取水泵并聯,水泵變頻運行,并根據水泵特性曲線設定最高安全運行頻率,設計泵站時取水點應注意避免結冰與產生冰凌。

對高新區水源熱泵供熱項目的研究表明,冬季水體溫度受太陽輻射影響明顯,正午時分水溫較高,凌晨時分水溫較低;1月28日凌晨引、退水管路的退水溫度為0 ℃左右,此時換熱器阻力恒定,未發生結冰堵塞現象;源側取熱溫差為0.9 ℃、流量為1 800 m3/h時,可以滿足2臺單臺制熱量2 600 kW水源熱泵機組的取熱要求。優化后的水源熱泵系統具有較高的穩定性和可靠性,可以在北方寒冷地區推廣和應用。