低溫地表水源熱泵系統(tǒng)可行性試驗(yàn)分析

朱孔陽

(廣東省輸變電工程公司，廣州 510160)

低溫地表水源熱泵系統(tǒng)可行性試驗(yàn)分析

朱孔陽

(廣東省輸變電工程公司，廣州 510160)

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少供暖期內(nèi)煤、天然氣等一次能源消耗，對(duì)低溫地表水源熱泵系統(tǒng)供暖的可行性進(jìn)行研究。受冬季地表水源溫度的限制，采用閉式水源熱泵系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)分別采用單級(jí)、雙級(jí)耦合運(yùn)行，計(jì)算并分析系統(tǒng)制熱效能比(EER)，得出冬季水溫極端情況下熱泵提供45.0 ℃水時(shí)，系統(tǒng)制熱效能比均大于2.6，證明了冬季利用低溫水源供熱的可行性。同時(shí)對(duì)單級(jí)熱泵系統(tǒng)和雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)制熱效能比作對(duì)比，確定了低溫水源熱泵系統(tǒng)分別提供45.0 ℃和50.0 ℃熱水的單、雙級(jí)切換條件的水溫為5.0 ℃和8.0 ℃。

水源熱泵；單、雙級(jí)切換；制熱效能比；閉式系統(tǒng)

0 引言

近年來，全球能源消耗平均以每年3%的速度遞增[1]。地表水源熱泵具有高效節(jié)能、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、環(huán)境效益顯著等特點(diǎn)。我國(guó)北方地區(qū)冬季氣溫很低，很多地區(qū)地表水源的溫度低于0 ℃，而在水層底部一般高于表層水3～5 ℃，充分利用底層地表水來供熱，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。如果能夠在北方地區(qū)發(fā)展熱泵系統(tǒng)，就可以減少一次能源的使用，減少經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭資源的依賴[2]，同時(shí)減少溫室氣體和氮氧化物的排放量，減輕對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)人類與環(huán)境的和諧發(fā)展。

1 單、雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行

雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)是指兩臺(tái)熱泵機(jī)組接力運(yùn)行，低溫?zé)岜脵C(jī)組從戶外低溫水源中提取熱量，將熱量運(yùn)輸至高溫?zé)岜脵C(jī)組低溫側(cè)，高溫?zé)岜脵C(jī)組制取高溫水。雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：適用性強(qiáng)；組裝靈活方便，操作簡(jiǎn)單；能克服水源溫度低這一不利因素持續(xù)供暖。

溫度較高時(shí)，雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)制熱效能比(EER)低于單級(jí)熱泵系統(tǒng)；反之，溫度較低時(shí)，單級(jí)熱泵系統(tǒng)效能較低。因此，供暖期內(nèi)，控制水源溫度，適時(shí)合理地切換單、雙級(jí)熱泵系統(tǒng)，將更具經(jīng)濟(jì)性。

2 熱泵系統(tǒng)的選取

熱泵系統(tǒng)的選取主要取決于水源水質(zhì)以及水溫情況。地表水的水質(zhì)指標(biāo)包括水的濁度、硬度以及藻類和微生物含量等。開式系統(tǒng)直接利用水源熱泵系統(tǒng)，具有更高的能源利用效率，可充分提取水中的熱能。對(duì)于水質(zhì)的具體要求，在目前還沒有機(jī)組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以參照以下要求：pH值，6.5～8.5；CaO的質(zhì)量濃度<200mg/L；Cl-的質(zhì)量濃度<100mg/L；SO42-的質(zhì)量濃度<200mg/L；Fe3+的質(zhì)量濃度<1mg/L；H2S的質(zhì)量濃度< 0.5mg/L[3]。

閉式系統(tǒng)與外界間接連接，通過換熱盤管與地表水源進(jìn)行換熱。由于間接連接存在傳熱溫差，導(dǎo)致?lián)Q熱盤管中的介質(zhì)與外界水源溫度相差2～7 ℃，因而會(huì)降低熱泵及組的制熱性能，即機(jī)組的EER有所下降。由于冬季供暖期內(nèi)地表水水溫會(huì)低于5 ℃，因而采用閉式地表水源熱泵系統(tǒng)，并且環(huán)路內(nèi)必須采用防凍液。

開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)水源熱泵原理如圖1所示。江水換熱器的材料采用高密度聚乙烯塑料管[4]。江水換熱器多做成平鋪的環(huán)狀盤管，通過重物將其沉入江底，盤管里流動(dòng)的載冷劑與管外流動(dòng)的江水進(jìn)行換熱。在施工安裝固定閉式換熱器時(shí)，要注意水的流速問題[5]。

圖1 水源熱泵開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)原理

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由2臺(tái)水/水熱泵機(jī)組、1臺(tái)低溫冷水機(jī)組、3個(gè)水箱、模擬室及末端設(shè)備和數(shù)據(jù)檢測(cè)采集系統(tǒng)5部分組成，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，試驗(yàn)照片如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)照片

本試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由34980A測(cè)量單元、34924A終端數(shù)據(jù)集成模塊和34924T接線盒3個(gè)部分組成，采集系統(tǒng)由美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)。溫度、壓力、流量分別由4線制鎧裝鉑電阻、渦輪流量變送器、精度為0.5級(jí)的壓力變送器測(cè)得。測(cè)量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)存入電腦。

水/水熱泵機(jī)組采用全封渦旋壓縮機(jī)，機(jī)組參數(shù)為：熱泵機(jī)組制熱功率，21.8kW；耗電功率，4.9kW；地表水源側(cè)阻力，30kPa；制熱水側(cè)阻力，30kPa；電源電壓，380V；制冷劑采用R22。低溫冷源系統(tǒng)是由制冷機(jī)組、水箱、一級(jí)熱泵機(jī)組及其相應(yīng)的附件構(gòu)成。

水箱分為低溫水箱、熱水箱、中間環(huán)路蓄水箱。低溫水箱作為熱泵的低溫?zé)嵩?，其下部設(shè)有用于降溫的換熱盤管，內(nèi)部設(shè)有電加熱器，與水/水熱泵機(jī)組連接口處設(shè)有可調(diào)電加熱器，因而本試驗(yàn)臺(tái)可以非常精確地控制熱泵機(jī)組的進(jìn)水溫度。低溫水箱與熱泵機(jī)組循環(huán)管路中傳熱介質(zhì)為水，為了防止溫度過低而導(dǎo)致結(jié)冰，采用大流量小溫差方式循環(huán)。熱水箱用來貯存熱泵產(chǎn)生的高溫水，為末端裝置提供熱量。中間環(huán)路蓄水箱在雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)中起到穩(wěn)定水溫的作用。

4 單級(jí)熱泵機(jī)組和雙級(jí)耦合熱泵機(jī)組的運(yùn)行

4.1 單級(jí)熱泵運(yùn)行

單級(jí)熱泵運(yùn)行如圖4所示，蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水進(jìn)口水溫分別控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，向末端設(shè)備提供45.0 ℃和50.0 ℃的熱水，運(yùn)行工況參數(shù)見表1和表2。

圖4 單級(jí)熱泵運(yùn)行示意

根據(jù)熱泵機(jī)組的制熱功率和熱泵、水泵的能耗可以計(jì)算出單級(jí)熱泵機(jī)組系統(tǒng)供熱效能比K1：

(1)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000 ，

(2)

式中：P為熱泵吸收低溫水的功率，kW；P1為機(jī)組輸入功率，kW；PX為循環(huán)水泵總功率，kW；c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·K)；t1為蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度，℃；t2為蒸發(fā)器側(cè)回水溫度，℃；qV為一級(jí)蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水流量, m3/h；ρ為水的密度,1.0×103kg/m3。

表1 45.0 ℃熱水時(shí)單級(jí)熱泵機(jī)組運(yùn)行工況參數(shù)

表2 50.0 ℃熱水時(shí)單級(jí)熱泵機(jī)組運(yùn)行工況參數(shù)

4.2 雙級(jí)耦合熱泵運(yùn)行

根據(jù)熱泵機(jī)組的制熱量和熱泵、水泵的能耗可以計(jì)算出雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)供熱效能比K2。

(3)

P=cρqV(t1-t2)/3 600 000，

(4)

式中：P為熱泵吸收低溫水的功率，kW；P1′為一級(jí)熱泵輸入功率，kW ；P2為二級(jí)熱泵輸入功率，kW；PX為循環(huán)水泵總功率，kW；c為水的比熱容，4.2×103J/(kg·K)；t1為蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度，℃；t2為蒸發(fā)器側(cè)回水溫度，℃；qV為一級(jí)蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水流量, m3/h；ρ為水的密度,1.0×103kg/m3。

2臺(tái)熱泵機(jī)組雙級(jí)耦合運(yùn)行系統(tǒng)如圖5所示。一級(jí)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水進(jìn)口水溫分別控制在9.0,8.0,7.0,6.0,5.0,4.0 ℃，中間環(huán)路保持在10.0～20.0 ℃，向末端設(shè)備提供45.0 ℃和50.0 ℃的熱水，運(yùn)行工況參數(shù)見表3和表4。

圖5 雙級(jí)熱泵運(yùn)行示意

項(xiàng)目參數(shù)一級(jí)熱泵蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度t1/℃8．07．06．05．04．0一級(jí)熱泵蒸發(fā)器側(cè)回水溫度t2/℃4．53．62．71．80．9一級(jí)熱泵輸入功率P1′/kW3．003．003．002．902．90二級(jí)熱泵輸入功率P2/kW4．204．204．204．204．10一級(jí)蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)水流量qV/(m3·h-1)4．384．374．364．364．38循環(huán)水泵總功率PX/kW2．802．802．802．802．80系統(tǒng)供熱效能比2．792．732．682．652．62

表4 50.0 ℃熱水時(shí)雙級(jí)耦合熱泵機(jī)組運(yùn)行工況參數(shù)

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出結(jié)果如圖6和圖7所示。結(jié)合表1和表2，可以得出以下結(jié)論。

(1)在冬季極端水溫條件下，江水深水層水溫4.0 ℃時(shí)，熱泵機(jī)組提供45.0 ℃熱水時(shí)，系統(tǒng)供熱效能比最低值接近2.6。由此可見，冬季采用松花江江水作為水源熱泵的地位熱源具有很好的前景。

(2)熱泵系統(tǒng)提供45.0 ℃熱水的單雙級(jí)切換溫度是5.0 ℃，提供50.0 ℃熱水的單雙級(jí)切換溫度是8.0 ℃。當(dāng)水源溫度低于5.0 ℃時(shí)，雙級(jí)耦合熱泵供熱效能比EER要高于單級(jí)運(yùn)行，當(dāng)水溫高于5.0 ℃時(shí)，采用單級(jí)熱泵運(yùn)行比雙級(jí)耦合更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)水源溫度低于8.0 ℃時(shí)，雙級(jí)耦合熱泵供熱效能比EER要高于單級(jí)運(yùn)行，當(dāng)水溫高于8.0 ℃時(shí)，采用單級(jí)熱泵運(yùn)行則具有更高的效率。因此，在冬季12月、1月、2月寒冷月份，采用雙級(jí)耦合方式運(yùn)行,采暖期的其他月份則采用單級(jí)運(yùn)行。

圖6 45.0 ℃水時(shí)單、雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)性能對(duì)比

圖7 50.0 ℃水時(shí)單、雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)性能對(duì)比

5 結(jié)束語

通過上述試驗(yàn)，充分證明了低溫水源熱泵應(yīng)用的可行性。同時(shí)提出了供暖季節(jié)單級(jí)熱泵系統(tǒng)和雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的方案，得出單、雙級(jí)熱泵機(jī)組的切換條件。為了擴(kuò)展系統(tǒng)的適用性和提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在今后擬研究單級(jí)熱泵加輔助熱源的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)問題。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-11-24；

2017-01-05

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1674-1951(2017)02-0062-03

朱孔陽( 1984—) ，男，山東臨沂人，工程師，工學(xué)碩士，從事土建設(shè)計(jì)方面的工作(E-mail:421623984@qq.com)。