地表水源热泵取水能耗限值计算方法及系统运行能耗模型的建立

 地表水源热泵系统分为开式和闭式。在国外，闭式水源热泵应用项目较多，而开式水源热泵系统研究较少。由于闭式系统不存在取水自然扬程能耗，其一次侧能耗主要与环路阻力有关，因此，对于取水能耗的研究相对较少。在国内，开式地表水水源热泵应用工程实例明显多于闭式水源热泵系统。中国对于地表水源热泵的研究也主要针对开式地表水源热系统。由于换热温差的存在，夏季闭式水源热泵的进水温度要高于水体的温度，而在冬季，闭式水源热泵的进水温度要低于水体的温度。

 

  因此，闭式水源热泵系统的换热效率一般要低于开式水源热泵系统。开式地表水源热泵系统的取水温度和水体温度一致，但是，如果水源热泵的取水能耗过大，将导致开式地表水源热泵系统的整体能耗过高，引起水源热泵系统不节能。因此，必须要对开式水源热泵系统的取水能耗作限值研究。

 

  地表水源热泵系统应用得当有两个关键因素：

 

  一个是取水温度和取水水量，另一个重要因素就是取水能耗。确定一个地表水源热泵系统是否节能应该考虑取水温度和取水能耗的最优耦合值。即取水温度高，取水能耗就必须更低；而取水温度低，则取水能耗限值范围就可以更宽。取水能耗的限值实际是建立在取水温度的基础上。不同的取水温度对应不同的取水温度限值，这个限值也就决定了地表水源热泵系统的节能性的确定和系统的节能率。

 

  １ 模型建立的条件

 

  为了更准确的确定开式地表水源热泵系统取水

 

  能耗的限值，利用数学建模的方法来进行研究。即分别对系统各个部分的耗能情况建立数学模型，以使用冷却塔的常规空调系统为参照对象，进行分析研究。模型建立满足如下前提：１）对与使用冷却塔的常规空调系统，其使用的冷水机组的能耗计算和水源热泵机组的能耗计算公式规律相同；２）两种系统的末端形式一致；３）不考虑大温差、小流量和小温差、大流量的问题，机组两端的进出水温差保持为５℃；４）以传统空调冷却塔出水温度为３２℃为比较标准。

 

  为直观比较，两种系统给定一致的初始数据，其工程基本参数为：冷负荷为１ ８００ｋＷ，热负荷为１ ３００ｋＷ；负荷侧的冷冻水循环泵名义扬程为２７ｍ，变频运行。冷却水系统所用冷却水泵的扬程为２５ｍ，变频运行。

 

  由于常规空调系统冬季一般采用锅炉供给空调系统，此时常规空调系统结构与水源热泵系统不同，暂不作分析，仅讨论系统在夏季运行时，取水能耗限值的确定方法。

 

  ２．１ 取水能耗限值计算方法简介

 

  取水能耗限值是定义在节能率基础上的表示能

 

  使水源热泵系统节能的最高取水能耗值。取水能耗限值会受到系统负荷、取水方式、取水温度等因素的影响。取水能耗限值的计算首先应该在不同系统负荷、不同输配能耗下分别计算不同的取水温度下水源热泵系统的系统能效比；在取水温度与取水能耗的耦合性基础上，对不同工况点的两种系统的能效比进行分析得出。

 

  主要计算步骤为：１）根据实际工程具体参数建立水源热泵系统和常规空调系统各个部分的能耗模型；２）分别计算不同负荷率、不同输配能耗下水源热泵系统的能效比；３）分别计算在冷却塔出水温度３２℃时不同负荷率下常规空调系统的能效比；４）以常规空调系统的能效比作为基准，分别比较不同工况点下二者的系统能效比，得到水源热泵系统不同取水温度下相对于常规空调系统的节能率。

 

  ２．２ 水源热泵机组的能耗数学模型

 

  目前在水源热泵工程中使用较多的为螺杆式热

 

  泵机组，现以螺杆式热泵机组为研究对象，将热泵机组的耗功量拟合为冷冻水与冷却水进口温度的函数，ＡＳＨＲＡＥ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［１３］上推荐用温度的四次多项式或两个二次多项式乘积的形式，即ｆ１ ＝ＮΣ ２

 

  ｉ＝０Σ

 

  ２ｊ＝０

 

  Ｄｉｊ（Ｔｃ１－Ｔｃ１）ｉ（Ｔｅ１－Ｔｅ１）ｊ，（１）式中：ｆ１为热泵机组耗功量，ｋＷ；Ｎ 为热泵机组的名义耗功率，ｋＷ；Ｔｃ１为水源水侧机组进水温度，℃；Ｔｅ１为空调水侧机组进水温度，℃；Ｔｃ１为回归用水源水侧机组进水温度参数平均值，℃；Ｔｅ１为回归用空调水侧机组进水温度参数平均值，℃；Ｄｉｊ为回归系数，由机组实际性能决定。

 

  在实际运行中，机组基本上是在部分负荷情况下运行。因此，在数学模型建立时需考虑部分负荷率ＰＬＲ。为此可得到热泵机组能耗模型，其数学表述为：

 

  Ｗ１ ＝ＰＬＲ×ｆ１。（２）

 

  对比工程对象采用半封闭螺杆水源热泵机组，

 

  其型号为ＬＳＢＬＧＲ－Ｍ－２４００Ｍ。根据机组夏季各工况下的运行数据，利用ＭＡＴＬＡＢ 数学拟合得出Ｄｉ.

 

  ２．３ 开式水源热泵系统取水水泵能耗数学模型对于水源水侧的系统而言，取水水泵的能耗是影响系统节能效果的关键因素。因此，首先通过最小二乘法的曲线拟合方法建立水泵的能耗模型。

 

  根据水泵的性能曲线图可以得出，Ｈ－Ｇ，η－Ｇ 的关系曲线近似为抛物线，因此选择二次函数作拟合曲线建立拟合的水泵性能曲线方程。

 

  Ｈ ＝ａ０＋ａ１Ｇ＋ａ２Ｇ２， （３）

 

  η＝ｂ０＋ｂ１Ｇ＋ｂ２Ｇ２。（４）

 

  当水泵转速发生变化时，曲线也发生变化。结

 

  合相似定律关系式，可以求得不同转速下，水泵的性能曲线方程：

 

  Ｈ ＝ｃ０ｎ２＋ｃ１ｎＧ ＋ｃ２Ｇ２， （５）η＝ｄ０＋ｄ１Ｇ／ｎ＋ｄ２Ｇ２／ｎ２。（６）式中：ｎ为水泵转速，系数ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｄ０、ｄ１、ｄ２与转速对应，不同的转速下其取值不同。结合管路特性曲线方程和水泵轴功率方程可以求出一系列不同转速下，水泵工作状态点的Ｗ 、Ｇ、Ｈ 和η。

 

  参照开式水源热泵系统水泵能耗方程，根据实际测试得到的夏季水泵运行的各组数据，采用最小二乘法原理，按照流量与水泵能耗的三次函数关系，拟合出不同转速下，对应工作状态点的水泵能耗与水流量关系式（管路特性曲线不变）：

 

  Ｗ２ ＝－２．２＋０．４１Ｇｑ＋０．８×１０－３ Ｇ２ｑ＋０．１９×１０－４ Ｇ３ｑ， （７）式中：Ｗ２为水源水循环水泵能耗，ｋＷ；Ｇｑ为水源水流量，Ｌ／ｓ。

 

  ２．４ 水处理设备的能耗

 

  开式取水系统需要对水源水进行处理，其耗电

 

  量与水泵相比较小，可以视为常数。在取水水泵耗能较大时，可忽略。确定水处理设备的能耗Ｗ３＝Ｃ＝常数。

 

  ２．５ 冷却塔的能耗模型

 

  冷却塔的能耗模型参照ＣＤＦＮ 逆流式冷却塔，采用式（８）进行计算［１４］。

 

  Ｗｌ＝１．９８×１０－５ Ｇ３ｃ

 

  ＋８×１０－５ Ｇ２ｃ＋０．１４３ １５８Ｇｃ－２．１６８， （８）式中：Ｗｌ为冷却塔的能耗，ｋＷ；Ｇｃ为冷却塔水流量，Ｌ／ｓ。

 

  ２．６ 其他能耗

 

  对于水源热泵空调系统与常规空调系统，具有

 

  相同的冷水系统及末端风系统。其能耗模型的建立方法与以上系统各部分能耗模型的建立相同。空调水循环水泵能耗为Ｗ４，空调末端风系统能耗为Ｗ５。