中水源熱泵地板供暖運(yùn)行策略分析

崔明輝，劉 萌，鄒韋唯

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050081)

中水源熱泵地板供暖運(yùn)行策略分析

崔明輝，劉 萌，鄒韋唯

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050081)

為研究中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)的節(jié)能策略，以石家莊市某實(shí)際運(yùn)行小區(qū)的中水源熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)為對(duì)象，引入室外綜合溫度的概念，綜合考慮室外氣溫、太陽輻射熱與風(fēng)速等環(huán)境因子的影響，推導(dǎo)得出了地板輻射供暖系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)情況下，保證熱用戶舒適度的二次網(wǎng)供、回水溫度調(diào)節(jié)公式。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，由該調(diào)節(jié)公式計(jì)算得出的二次網(wǎng)供、回水溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)分時(shí)段質(zhì)調(diào)節(jié)的依據(jù)，可以在滿足熱用戶舒適度要求的情況下，取得良好的節(jié)能效果。中水源熱泵系統(tǒng)與地板輻射供暖系統(tǒng)的結(jié)合及推廣為城市集中供熱提供了新思路。

供熱與供燃?xì)夤こ?；中水源熱泵；地板輻射供暖；供暖運(yùn)行方式；室外綜合溫度；質(zhì)調(diào)節(jié)

中水源熱泵系統(tǒng)可以高效、環(huán)保地制出低溫?zé)崴?，地板輻射供暖系統(tǒng)可以利用低溫?zé)崴疄樽≌峁┕?jié)能、環(huán)保、舒適的供熱。本文把中水源熱泵系統(tǒng)與地板輻射供暖系統(tǒng)相結(jié)合， 以石家莊

實(shí)際運(yùn)行小區(qū)的中水源熱泵系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行分析。

該小區(qū)供暖面積30萬m2，末端系統(tǒng)采用地板輻射供暖方式，小區(qū)二次網(wǎng)采用分區(qū)供暖方式，分為高區(qū)供暖系統(tǒng)、中區(qū)供暖系統(tǒng)和低區(qū)供暖系統(tǒng)，詳細(xì)參數(shù)見表1。圖1為熱泵機(jī)房原理圖，從圖1中可以看出，研究對(duì)象主要由中水輸配系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及末端系統(tǒng)3部分組成。其供暖基本原理為從污水處理廠排出的達(dá)標(biāo)中水通過中水提升泵輸送至小區(qū)的中水源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)，熱泵機(jī)組將用戶側(cè)的循環(huán)水加熱，最后輸送至用戶的末端系統(tǒng)釋放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱用戶的供暖[1-3]。

表1 研究對(duì)象基本參數(shù)Tab.1 Basicparameters供暖區(qū)域供暖面積/萬m2末端系統(tǒng)高區(qū)供暖6地板采暖中區(qū)供暖10.5地板采暖低區(qū)供暖13.5地板采暖

圖1 熱泵機(jī)房原理圖Fig.1 Schematic diagram of heat pump machine room

1 地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)

1.1室外綜合溫度

運(yùn)行調(diào)節(jié)是指當(dāng)熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，為實(shí)現(xiàn)按需供熱，而對(duì)供暖系統(tǒng)的流量、供水溫度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。供暖調(diào)節(jié)的目的在于使供暖用戶散熱設(shè)備的散熱量與用戶熱負(fù)荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以維持供暖房間的室內(nèi)計(jì)算溫度tn，防止供暖熱用戶出現(xiàn)室溫過高或過低[4]。

通常假設(shè)，供暖熱負(fù)荷與室內(nèi)外溫差的變化成正比[5]。但實(shí)際上，室內(nèi)外溫差并不能反映風(fēng)速和風(fēng)向，特別是太陽輻射熱對(duì)供暖熱負(fù)荷的影響，因此這一假設(shè)會(huì)有一定的誤差。為修正這一誤差，引入室外綜合溫度的概念來指導(dǎo)供暖[6-7]。室外綜合溫度是為了更接近實(shí)際運(yùn)行中的室外情況，綜合考慮氣溫、太陽輻射熱與風(fēng)速等環(huán)境因子得出的溫度tz[7-8]。在一天中，室外綜合溫度在不斷變化，導(dǎo)致室內(nèi)外溫差不斷變化，因此可通過室內(nèi)外溫差的逐時(shí)變化來不斷調(diào)整供暖熱負(fù)荷。但這種做法在實(shí)際操作中太過繁瑣，加之地板輻射采暖系統(tǒng)具有“熱惰性”，室內(nèi)溫度不能很好地做出反應(yīng)[8]。因此采用一天的室外綜合平均溫度來指導(dǎo)系統(tǒng)的供、回水溫度更有現(xiàn)實(shí)意義。

室外綜合溫度計(jì)算公式如下：

tz=tw+ty+tf。

(1)

式中：tz為室外綜合溫度，℃；tw為室外溫度，℃；ty為太陽輻射對(duì)室外溫度的修正量，℃；tf為風(fēng)力對(duì)室外溫度的修正量，℃。

根據(jù)實(shí)際供熱和計(jì)算的平均供熱，太陽輻射對(duì)氣溫的修正量公式如下[9]：

ty=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siq。

(2)

風(fēng)力對(duì)氣溫的修正量公式如下：

tf=∑(Hi-Siq(tiin-tiout))/∑Siqvi。

(3)

式中：i取值為1，2，…，n，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)；Hi為對(duì)應(yīng)第i次實(shí)驗(yàn)的單位時(shí)間實(shí)際供熱總量，W；Si為對(duì)應(yīng)第i次實(shí)驗(yàn)的供熱面積，m2；q為單位時(shí)間、單位面積保持1 ℃溫差所損失的熱量，W/(℃·m2)；tiin為對(duì)應(yīng)第i次實(shí)驗(yàn)的室內(nèi)溫度，℃；tiout為對(duì)應(yīng)第i次實(shí)驗(yàn)的室外溫度，℃；vi為對(duì)應(yīng)第i次實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速，m/s。

實(shí)際應(yīng)用中，ty，tf常選用以下數(shù)值進(jìn)行計(jì)算：

在雨天，ty≈-1.3 ℃；晴天，ty≈1.3 ℃；其他天氣，ty≈0 ℃。

tf=-0.2v℃，

(4)

v為平均風(fēng)速，m/s。

1.2地板輻射供暖系統(tǒng)在任意室外綜合溫度下的質(zhì)調(diào)節(jié)公式

當(dāng)供暖網(wǎng)路在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，如不考慮管網(wǎng)沿途熱損失，則網(wǎng)路的供熱量等于供暖用戶系統(tǒng)末端設(shè)備的放熱量，等于建筑耗熱量，同時(shí)也應(yīng)等于供暖熱用戶的熱負(fù)荷。則有如下的熱平衡方程式[10]：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Q1=Q2=Q3=Q4,

(10)

Q1=qV(tn-tw),

(11)

Q2=9.47A(tpj,d-tn)1.032,

(12)

Q3=KA(tpj,w-tpj,d),

(13)

Q4=1.163G(tg-th)。

(14)

(15)

(16)

式中：Q1為設(shè)計(jì)供暖熱負(fù)荷，W；Q2為在供暖室外計(jì)算溫度下，建筑耗熱量，W；Q3為在供暖室外計(jì)算溫度下，地面?zhèn)鳠崃?，W；Q4為在供暖室外計(jì)算溫度下，熱網(wǎng)供熱量，W；G為熱水實(shí)際質(zhì)量流量，kg/h。

綜合上述計(jì)算公式，可得：

(17)

根據(jù)地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程[11]，低溫地板輻射采暖的地板表面平均溫度可按以下公式計(jì)算：

(18)

設(shè)計(jì)工況下，盤管內(nèi)熱水平均溫度的計(jì)算式為

(19)

又由式(1)可得：

tw=tz-ty-tf。

(20)

2 運(yùn)行策略分析

2.1運(yùn)行方式分析

中水源熱泵地板供暖系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示[12-13]。根據(jù)室外綜合溫度的變化，利用質(zhì)調(diào)節(jié)公式計(jì)算出實(shí)際供、回水溫度作為地板供暖系統(tǒng)運(yùn)行的指導(dǎo)溫度。為了便于地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行策略的分析，本文暫不討論熱泵機(jī)組的配置及開啟情況。

將室內(nèi)溫度控制在20 ℃時(shí)，測(cè)試儀器為隨機(jī)放置的，因供熱面積較大，加之現(xiàn)實(shí)因素的復(fù)雜，戶內(nèi)溫度會(huì)有低于20 ℃的情況發(fā)生，但絕大部分還是在20 ℃及20 ℃以上。使用室外綜合平均溫度進(jìn)行計(jì)算，得出質(zhì)調(diào)節(jié)供、回水溫度值如表2所示。

圖2 運(yùn)行策略模式簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the operation strategy

表2 由室外綜合平均溫度計(jì)算得出的供暖質(zhì)調(diào)節(jié)指導(dǎo)供、回水溫度

Tab.2 Supply and return water temperature calculated from the comprehensive outdoor temperature

室外平均溫度tw/℃-9-7-5-3-113室外綜合平均溫度tz/℃-8-6-4-2024供水溫度tg/℃45.043.241.339.537.735.934.0回水溫度th/℃35.033.932.831.730.629.528.4供回水溫差Δt/℃10.09.38.57.87.16.45.6

該小區(qū)設(shè)計(jì)供、回水溫度為45 ℃/35 ℃，采用室外綜合平均溫度計(jì)算供、回水溫度指導(dǎo)供暖系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，可由表2看出，供、回水溫度降低且供、回水溫差減小。

在一天中，根據(jù)不同時(shí)段的室外天氣情況和峰谷電價(jià)時(shí)段，結(jié)合地板輻射供暖系統(tǒng)的蓄熱性能，改變供、回水溫度進(jìn)行供暖[14-15]，即采用分時(shí)段改變供、回水溫度的供暖系統(tǒng)運(yùn)行策略進(jìn)行供暖，這不僅可以改善供暖系統(tǒng)運(yùn)行效果，還可以進(jìn)一步節(jié)約能源。

2.2節(jié)能效果分析

為確定分時(shí)段改變供、回水溫度運(yùn)行策略的節(jié)能潛力，選取天氣狀況相同的2個(gè)典型日(2016-12-14與2016-12-15)，對(duì)其24 h平穩(wěn)運(yùn)行與分時(shí)段改變供、回水溫度運(yùn)行兩種方式下的耗電量情況進(jìn)行對(duì)比。24 h平穩(wěn)運(yùn)行即全天采用固定供水溫度平穩(wěn)運(yùn)行，“分時(shí)段”運(yùn)行方式是在一天中，根據(jù)不同時(shí)段的室外天氣情況和峰谷電價(jià)時(shí)段，改變供、回水溫度進(jìn)行供暖。具體運(yùn)行方式見表3。

表3 兩種運(yùn)行方式對(duì)比

供暖系統(tǒng)循環(huán)水所提供的熱量可由式(21)進(jìn)行計(jì)算：

Q=cmΔt。

(21)

式中：Q為能量，J；C為比熱容，水的比熱容為4.2×103J/(kg·K)；m為物質(zhì)質(zhì)量，kg；Δt為溫差，K。

由式(21)計(jì)算可得，該小區(qū)供暖系統(tǒng)24 h平穩(wěn)運(yùn)行工況下，供暖系統(tǒng)供熱量為

Q1=4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×24×(38.6-31.1)=7.261×1011J。

該小區(qū)供暖系統(tǒng)24 h中分時(shí)段改變供、回水溫度運(yùn)行工況下，供暖系統(tǒng)供熱量為

Q2=4.2×103×(363.51+417.23+179.31)×103×12×(35.9-29.5)+4.2×103×(363.51+417.23+179.71)×103×12×(38.6-31.1)=6.729×1011J。

可見，該小區(qū)供暖系統(tǒng)運(yùn)行24 h，分時(shí)段運(yùn)行方式較24 h平穩(wěn)運(yùn)行方式可節(jié)約供熱量7.3%。另由表3中數(shù)據(jù)可得該小區(qū)供暖系統(tǒng)運(yùn)行24 h，分時(shí)段運(yùn)行方式較24 h平穩(wěn)運(yùn)行方式可節(jié)約電量9.3%。

3 運(yùn)行效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在室外綜合平均溫度指導(dǎo)下的供暖方式運(yùn)行效果，選取2016-12-15的小區(qū)供暖情況進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)日具體運(yùn)行情況如表4所示，其中不同時(shí)段下室外綜合溫度的計(jì)算結(jié)果分別為

tz1=t+ty+tf=2.2+1.3-0.2=3.3 ℃,

在小區(qū)低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)熱用戶客廳內(nèi)隨機(jī)放置GPRS溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行室溫采集(位置要按照室內(nèi)測(cè)溫標(biāo)準(zhǔn)放置)，監(jiān)測(cè)供暖系統(tǒng)在24 h運(yùn)行過程中熱用戶室溫變化情況。其中，低區(qū)放置5塊遠(yuǎn)程測(cè)溫儀，中區(qū)放置5塊遠(yuǎn)程測(cè)溫儀，高區(qū)放置4塊遠(yuǎn)程測(cè)溫儀。監(jiān)測(cè)情況如圖3—圖5所示。

圖3為小區(qū)低區(qū)被監(jiān)測(cè)用戶12月15日室內(nèi)溫度曲線圖，可以看出室內(nèi)溫度均在20 ℃以上，且室溫曲線基本平穩(wěn)；圖4為小區(qū)中區(qū)被監(jiān)測(cè)用戶12月15日室內(nèi)溫度曲線圖，其中有1個(gè)熱用戶在10:00左右室溫有明顯的降低，這可能是由于熱用戶開窗通風(fēng)導(dǎo)致，其他用戶室內(nèi)溫度均維持在20 ℃左右，且室溫曲線基本平穩(wěn)；圖5為小區(qū)高區(qū)被監(jiān)測(cè)用戶12月15日室內(nèi)溫度曲線圖，可以看出室內(nèi)溫度平穩(wěn)，無較大波動(dòng)，溫度均維持在18 ℃以上。假設(shè)二次網(wǎng)水力平衡較理想，從該典型日反饋的室溫曲線圖看，采用室外綜合溫度指導(dǎo)地板輻射供暖系統(tǒng)分時(shí)段進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式能達(dá)到良好的供暖效果，滿足用戶熱舒適要求。

圖3 小區(qū)低區(qū)12月15日室內(nèi)溫度變化圖Fig.3 Indoor temperature curves in lower floors on Dec.15

圖4 小區(qū)中區(qū)12月15日室內(nèi)溫度變化圖Fig.4 Indoor temperature curves in media floors on Dec.15

圖5 小區(qū)高區(qū)12月15日室內(nèi)溫度曲線圖Fig.5 Indoor temperature curves in upper floors on Dec.15

4 結(jié)論與展望

1)將室外綜合溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)計(jì)算的依據(jù)，能夠客觀地反映系統(tǒng)運(yùn)行過程中其他環(huán)境因子對(duì)供暖效果的影響。

2)地板輻射供暖系統(tǒng)運(yùn)行過程中，以室外綜合溫度作為地板輻射供暖系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)計(jì)算的依據(jù)，并結(jié)合電網(wǎng)的“峰谷”特性和地板輻射供暖系統(tǒng)蓄熱的特點(diǎn)，在運(yùn)行中“削峰填谷”，既保證了地板供暖的運(yùn)行效果，又降低了運(yùn)行成本。

3)引入室外綜合溫度的概念，推導(dǎo)得出了地板輻射供暖系統(tǒng)質(zhì)調(diào)節(jié)情況下，保證用戶熱舒適度的二次網(wǎng)供、回水溫度調(diào)節(jié)公式。

4)分時(shí)段改變供、回水溫度的運(yùn)行方式較24 h固定水溫平穩(wěn)運(yùn)行方式節(jié)約電量9.3%，節(jié)約供熱量7.3%。

5)由于實(shí)際工程中二次網(wǎng)水泵并非變頻水泵，所以本文并未對(duì)供暖系統(tǒng)量調(diào)節(jié)進(jìn)行論述。在今后的地板輻射供暖運(yùn)行調(diào)節(jié)研究中，將在質(zhì)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入分時(shí)段改變流量調(diào)節(jié)方式的研究。

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Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump

CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei

(School of Civil Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

The energy reservation strategy of floor radiant heating system powered by reclaimed water source heat pump is analyzed by taking an actual running floor radiant heating system in Shijiazhuang as research subject. Considering the influences of environmental factors of outdoor temperature, solar radiate heat and wind speed, in the calculation of supply and return water temperature in the secondary circuit, a comprehensive outdoor temperature is introduced to obtain the regulation formula that guarantee heat users' comfort level during the temperature regulation of floor radiant heating system. According to actual operation tests and the divided periods temperature regulation of the floor radiant heating system by the regulation formula of return water temperature in secondary circuit, the supply and return water temperatures calculated from the comprehensive temperature model not only can meet users' comfort level requirement, but also achieve good energy saving effects. The combination and popularization of reclaimed water source heat pump and floor radiant heating system provide new idea for urban centralized heating system.

heat and gas supply engineering; reclaimed water source heat pump; floor radiant heating system; operation strategy of heating system; comprehensive outdoor temperature; temperature regulation

1008-1534(2017)05-0368-06

2017-03-26;

2017-06-30；責(zé)任編輯：陳書欣

河北科技大學(xué)研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目

崔明輝(1962—)，男，河北滄州人，教授，主要從事暖通空調(diào)方面的研究。

E-mail:cuiminghui666@163.com

TK37

：Adoi: 10.7535/hbgykj.2017yx05010

崔明輝，劉 萌，鄒韋唯.中水源熱泵地板供暖運(yùn)行策略分析[J].河北工業(yè)科技,2017,34(5):368-373. CUI Minghui, LIU Meng, ZOU Weiwei.Analysis on operation strategy of floor heating system powered by reclaimed water source heat pump[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(5):368-373.