大型再生水源熱泵系統(tǒng)性能仿真和決策軟件設計

謝沛初,昝 成,史 琳

(1.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室,北京 100084;2.中國石油勘探開發(fā)研究院熱力采油研究所,北京 100083)

0 引 言

城鎮(zhèn)二級出水具有冬暖夏涼、來源穩(wěn)定和含能豐富的特點,是再生(污)水源熱泵理想的冷卻介質及低品位熱源[1]。再生水源熱泵技術是我國建筑節(jié)能的重要技術之一。由于再生水熱泵特有的污垢對性能影響問題、水源地與建筑物的距離問題、大型再生水熱泵各部分的優(yōu)化匹配問題,使得服務于系統(tǒng)前期設計與投資決策和后期優(yōu)化運行的系統(tǒng)仿真成為城鎮(zhèn)再生水源熱泵應用中關鍵的問題之一。大型間接式再生水源熱泵在國際上得到關注[2],在國內研究還較少。本項目組在承擔國家科技攻關奧運專項的過程中,對大型間接式(板式換熱器+離心式熱泵機組)熱泵系統(tǒng)進行了全面研究,得到了水質、污垢、除垢等系列結果[3],基于此,編寫了大型間接式熱泵系統(tǒng)性能仿真和決策軟件RWT U-SIMULATION-2.1?？蔀榇笮驮偕礋岜孟到y(tǒng)的決策、優(yōu)化設計和運行策略提供指導。本文對建模思路,軟件功能和校核及其初步應用實例進行介紹。

1 建模思路和模型設計

采用模塊化的思想,功能齊全且人性化思路進行編寫。將大型再生水源熱泵系統(tǒng)分為四個模塊,分別是:輸能模塊(板式換熱器+離心式熱泵機組)、循環(huán)水輸運模塊(循環(huán)管網(wǎng)+變頻水泵)、用戶負荷模塊和經(jīng)濟及決策模塊。其中輸能模塊和循環(huán)水輸運模塊構建成“單臺板式換熱器+單臺變頻水泵+單臺離心式熱泵”的性能仿真模型,用戶負荷模塊與DeST軟件相接口,經(jīng)濟及決策模塊既可與整體軟件聯(lián)合使用也可獨立使用。以C++和Fortran語言混編的方法進行編程,其中Fortran語言用于科學計算程序的編寫,Visual VC++用于輸入輸出對話框界面的制作。

1.1 輸能模塊和循環(huán)水輸運模塊

“單臺板式換熱器+單臺變頻水泵+單臺離心式熱泵”的性能仿真模型的及參數(shù)見圖1。分為制冷和制熱兩個模式,仿真涉及的系統(tǒng)參數(shù)均已在圖中標出。以制冷工況為例,已知量:板式換熱器二級出水側進水溫度 t1,熱泵蒸發(fā)器側出水溫度t8(te,out)和熱泵冷負荷 Ec;待求解量:板式換熱器二級出水側出水溫度 t2與循環(huán)水側進出水溫度 t4和 t3,熱泵冷凝器進出水溫度t5(tc,in)和t6(tc,out),蒸發(fā)器進水溫度 t7(te,in),板式換熱器換熱量,熱泵電耗E及制冷系數(shù)COPc。

圖1 仿真單元模型及參數(shù)Fig.1 Simulation unit model and index

仿真模型中,板式換熱器及離心式熱泵機組變工況性能的數(shù)學模型的建立較為關鍵。對于板式換熱器,依據(jù)設備供應商提供的性能參數(shù),采用常規(guī)方法擬合獲得熱泵工況下板式換熱器的傳熱性能如式 (1),其中C,n和m為擬合參數(shù)。

對于離心式熱泵機組,依據(jù)設備供應商提供的性能參數(shù),擬合獲得了系統(tǒng)性能系數(shù)的數(shù)學模型如式 (2)。夏季工況下,制冷溫度te,out恒定為5℃,制冷系數(shù)COPc為冷負荷Ec與冷凝器進水溫度tc,in的函數(shù);冬季工況下,考慮供暖溫度可變,制熱系數(shù) COPh為熱負荷 Eh、蒸發(fā)器進水溫度te,in、冷凝器出水溫度tc,out的函數(shù)。

二級出水板式換熱器結垢特性實驗結果表明,污垢熱阻時變規(guī)律呈S型[3]。據(jù)此建立污垢熱阻的數(shù)學模型如式(3):

式中:θ為系統(tǒng)運行時間,h;R*f為污垢熱阻的漸進值,cm2?K/W;θind為污垢起始期時間長度,h;θasy為污垢熱阻達到漸進值的時間長度,h;r為污垢最大生長率。

為了進一步模擬板式換熱器CIP在位清洗過程,在式(3)基礎上對污垢預測模型進行一定的修改,設定 θfm為清洗周期時間長度,h;n為清洗次數(shù);如式(4)所示。

變頻水泵模型按照變頻水泵在循環(huán)管網(wǎng)上的工作原理進行編制。其中,變頻水泵特性曲線數(shù)據(jù)庫需要依據(jù)廠家提供的水泵特性曲線,按照相似原理計算后擬合得到,而循環(huán)管網(wǎng)的特性曲線在設計期可根據(jù)熱媒管路的管路阻力計算方法計算得到,在運行期可根據(jù)泵網(wǎng)匹配工作情況反算得出。

仿真軟件可在僅考慮輸能模塊或輸能模塊+循環(huán)水輸運模塊同時考慮的情況下進行仿真計算。在圖2中給出軟件仿真功能的主要運算流程。右側是RWT U-SIMULAT ION-2.1中輸能模塊仿真計算主程序。左側為循環(huán)水輸運模塊的計算流程。

圖2 仿真運算流程 (左為輸運模塊,右為輸能模塊)Fig.2 Process of simulation(left for water transportation,right for energy transportation)

1.2 用戶負荷模塊

兼顧考慮再生水源熱泵系統(tǒng)前期設計和后期運行仿真,軟件輸入可根據(jù)實際情況靈活選擇目前比較通用的DeST軟件模擬負荷和溫度參數(shù)接口輸入或者實際運行負荷文件輸入兩種參數(shù)輸入方式。

1.3 經(jīng)濟及決策模塊

一個工程項目是否具有實用價值,除了考察它的技術性能,同時,也應當將其經(jīng)濟效益納入考慮的范圍,以幫助科學決策。本模塊設計時主要考慮了一下因素:

(1)工程總投資費用應包括整個系統(tǒng)設備和材料消耗的直接費用和工程、建設和偶然性因素等間接的費用。其中,設備購買成本 EPC(E-quipment Purchase Cost)是最重要的部分,其他的投資都可以按照推薦的比例或計算依據(jù)根據(jù)EPC和設計負荷進行估算。模型為用戶提供數(shù)據(jù)庫選型和直投選型兩種方式,以方便投資者根據(jù)需求對系統(tǒng)進行選型和初期投資決策。其中,構建的部件數(shù)據(jù)庫包括:熱泵機組末端設備、循環(huán)水泵、循環(huán)管網(wǎng)、板式換熱器等部件,具有更新和修復功能,可方便投資者根據(jù)實際詢價進行投資決策。

(2)參照建設項目安裝工程概預算方法以及空調暖通行業(yè)的標準[4],確定了系統(tǒng)建設費用的計算方法,可對系統(tǒng)建設和維護費用進行計算。

(3)采用工程經(jīng)濟學中主流現(xiàn)金流法對影響項目投資決策的主要經(jīng)濟性參數(shù)包括初投資、運行費用、比投資、動靜態(tài)回收期、內部收益率IRR(Internal Return Rate)、凈現(xiàn)值NPV(Net Present Value)等經(jīng)濟性參數(shù)進行計算,對系統(tǒng)的經(jīng)濟性和外生風險的敏感性具有分析和預測的功能。

1.4 軟件功能與特點

(1)預測大型間接式熱泵系統(tǒng)在不同條件下(不同再生水溫、不同用戶負荷、污垢的影響、清洗的影響等)的性能,對系統(tǒng)設計提供指導;

(2)對已經(jīng)運行的系統(tǒng),通過不同工況的計算,為優(yōu)化運行提供依據(jù);

(3)對初投資、運行費用、動靜態(tài)回收期、內部收益率等經(jīng)濟性參數(shù)的計算,可為工程決策提供依據(jù)。

(4)軟件具有功能齊全且人性化的特點,其特色是包括了污垢模型和CIP清洗模型。

2 軟件校驗

軟件的仿真結果是否能如實反映系統(tǒng)的真實運行情況,是軟件實用性的重要方面。本文采用奧運村再生水源熱泵系統(tǒng)在北京奧運會期間系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)對仿真軟件進行校驗。由于熱泵機組夏季制冷設計工況為ETout=5℃(蒸發(fā)器出口即用戶端),熱泵廠商也僅提供了ETout=5℃時熱泵性能曲線,仿真軟件仿真的額定條件也是ETout=5℃。使用 RWTU-SIMULAION-2.1分別對額定仿真條件和非額定仿真條件下再生水源熱泵系統(tǒng)進行仿真。按照這一目的將校核數(shù)據(jù)整理并分組,具體分組參見表1。

表1 仿真軟件校核分組Tab.1 Checking packct for simulation softwave

通過校驗發(fā)現(xiàn):

(1)在額定仿真條件下仿真結果與實測結果吻合得很好,仿真準確性在12.9%之內,且仿真軟件在額定仿真條件下的仿真準確性明顯高于非額定仿真條件下的仿真。說明仿真軟件編寫正確。

(2)奧運試運行期 (仿真400 h以前,即8月6日前)和奧運期間 (仿真410 h以后,即8月7日后),仿真軟件的仿真準確性有明顯的增加。這些數(shù)據(jù)點都是每天選取 ETout最接近5℃的一個小時數(shù)據(jù),但是在奧運試運行期,各種設備都處于磨合階段,現(xiàn)場工作人員也在不斷熟悉設備的操作。致使供給用戶的溫度 (ETout)比奧運期間偏離5℃平均要大一些,這是導致仿真偏差的主要原因。說明在設備趨于正常運行后,仿真軟件在長周期內的仿真準確性也高。

(3)添加污垢模型后,仿真計算值與實測值之間的誤差有所減少,說明添加污垢熱阻模型是有必要的。但由于奧運期間除垢頻繁,對污垢模型的檢驗還需進一步分析。

3 軟件應用

以奧運村再生水熱泵系統(tǒng)作為大型再生水源熱泵系統(tǒng)的實例,使用性能仿真和決策軟件對這一技術典型工況的性能變化,節(jié)能性和經(jīng)濟性進行分析。

3.1 系統(tǒng)性能優(yōu)化

對以下兩個系統(tǒng)優(yōu)化運行方案的實施效果進行了數(shù)值模擬:

(1)夏季工況下采用CIP在位清洗方法控制污垢生長。夏季工況下污垢對系統(tǒng)性能的影響較為顯著,因此考慮對板式換熱器實施CIP在位清洗。系統(tǒng)制冷季運行時間為6月10日至8月31日,共計80天。蒸發(fā)器出口水溫恒定為5℃。CIP清洗周期設定為5天,每次清洗后傳熱系數(shù)均可恢復至初始值的98%。如圖3左側所示,CIP在位清洗的實施對于系統(tǒng)制冷性能具有顯著的影響。熱泵系統(tǒng)瞬時COPc有明顯上升趨勢,據(jù)統(tǒng)計,制冷季單臺熱泵機組累計可節(jié)電6.9萬kW?h。

(2)冬季工況下根據(jù)室外溫度變化實施供暖水溫調節(jié)。冬季工況下,根據(jù)室外氣溫變化調節(jié)熱泵冷凝器出水溫度,以實現(xiàn)供暖節(jié)能。供暖季模擬時段從12月12日至3月4日,共計80天。質調節(jié)運行策略為:當室外溫度分別＞3℃、≈0℃、≈-5℃和＞-7℃,熱泵冷凝器出水溫度分別為38.5℃、40.5℃、42.5℃和44.5℃。如圖3右側的模擬結果可看出,質調節(jié)策略的實施在系統(tǒng)節(jié)能運行中可起到很明顯的作用。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化運行效果 (左為制冷季,右為供暖季)Fig.3 Comparison of system performanceswith and without fouling(left for air conditioning period,right for heating period)

3.2 優(yōu)化設計

通過對奧運村系統(tǒng)現(xiàn)行設計系統(tǒng)的循環(huán)水泵和管網(wǎng)模塊的計算,發(fā)現(xiàn)原設計水泵偏大,使得綜合COP下降明顯。利用仿真軟件計算的優(yōu)化水泵參數(shù)后,可使水泵耗功比例從73%下降到41%,可明顯提升系統(tǒng)綜合COP,見圖4。

3.3 敏感性分析

應用軟件,還可針對熱價 (熱價和冷價的總和)和用戶與水源間距離 (能輻半徑)對系統(tǒng)的影響進行靈敏度分析。圖5是以奧運村工程為例,整體熱價在30～100元/m2之間,能輻半徑在1～7 km間動態(tài)投資回收期的變化。

圖4 單元機組COPFig.4 COP of unit device

圖5 敏感性分析(左為熱價是敏感因素,右為能輻半徑是敏感因素)Fig.5 The sensitivity analysis(left for price,right for radius)

通過 RWTU-SIMULAT ION-2.1的敏感性分析功能,可得出決定工程投資價值的經(jīng)濟性參數(shù)如動態(tài)投資回收期等與整體熱價和能輻半徑等因素之間的關系。從而,可以了解不同大小外生風險對投產項目的沖擊大小。

4 結 論

大型再生水源熱泵系統(tǒng)仿真投資決策軟件RWTU-SIMULATION-2.1具有較高的仿真算計精度。通過模塊化的軟件設計,軟件能夠為再生水源熱泵系統(tǒng)的初期設計與投資和后期運行維護提供有力的技術支撐。

該軟件還需在更多的熱泵模式以及數(shù)據(jù)庫的豐富上繼續(xù)完善。the Beijing Olympic Village DHC system using municipal reclaimed water source heat pump[C].9th International IEA Heat Pump Conference,Conf-ID.

[1]昝成,史琳,程鄴,等.二級再生水水溫特點與熱利用[J].華北電力大學報,2007,34(2):31-34.

[2]Zan C,Shi L.Simulation and operation optimization of

[3]昝成.以二級出水為換熱介質的板式換熱器結垢問題的研究[D].北京:清華大學,2008.

[4]全國統(tǒng)一安裝工程預算定額第一冊機械設備安裝工程[M].北京:中國計劃出版社,2001.