基于壽命周期成本評價方法的開式地表水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化分析

陳金華　袁娟娟　李百戰(zhàn)

摘要：針對開式地表水源熱泵系統(tǒng)，建立了應(yīng)用于工程評價的簡化的壽命周期成本（LCC）計算模型.采用Destc對某工程實例進行全年能耗模擬，根據(jù)結(jié)果分析負荷需求特性，結(jié)合機組及水泵的性能曲線，進行系統(tǒng)LCC值分析.將開式地表水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源系統(tǒng)組成LCC的各項成本進行比較，得出開式地表水源熱泵系統(tǒng)LCC的影響因素主要為設(shè)計取水溫度、排放水溫度和取水高差.通過對以上問題的分析，探討了優(yōu)化系統(tǒng)的措施.在取水溫度為24 ℃時，取水泵定溫差變頻運行，通過擬合曲線得到最佳取水溫差為7.7 ℃，對應(yīng)的最小LCC為441.80.另外，考慮機組變工況運行情況，得到了更小的LCC值為433.50，說明變工況運行能進一步產(chǎn)生節(jié)能效益.

關(guān)鍵詞：開式地表水源熱泵；壽命周期成本；能耗；系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A

研究表明：全生命周期理論適合評價較大初投資情形下的未來投資回收問題7].全壽命周期不僅包括經(jīng)濟意義的成本，還包括環(huán)境成本、社會成本.從理論上講，全壽命周期是指產(chǎn)品從研究開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)、使用直到報廢所經(jīng)歷的全部時間8-9].由于本文討論的是開式地表水源熱泵系統(tǒng)這一特定對象的評價方法，故可簡化為只考慮設(shè)備的經(jīng)濟壽命，即指設(shè)備從開始使用到再繼續(xù)使用在經(jīng)濟上已不合理為止的全部時間，本文稱之為“壽命周期”.

本文將建立應(yīng)用于開式地表水源熱泵系統(tǒng)工程評價的簡化的壽命周期成本計算模型，通過比較不同冷熱源系統(tǒng)的LCC，分析能耗的組成及特征.研究一定取水溫度下的最佳取水溫差以及系統(tǒng)變工況運行策略，以此來改進方案，力求最優(yōu).

3.2方案初選

本文采用LCC這一概念，目標并不是全面、完整地計算整個費用，而是通過比較各方案的LCC，為選擇最佳方案提供決策依據(jù).

方案1為螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng)，方案2為江水源熱泵系統(tǒng).在計算兩者的LCC時，只考慮不同的部分，而不考慮相同的部分.比如認為機房土建費用、末端設(shè)備費、夏季冷凍水循環(huán)泵能耗都是相同的，設(shè)備安裝費也近似相等.兩種方案的設(shè)備選型見表2和表3.冬季供熱時，水源熱泵機組單臺運行.熱泵機組及冷水機組部分負荷下的能效比曲線見圖4，縱坐標為對應(yīng)橫坐標某負荷率下的能效比與額定工況能效比的比值.方案1燃氣熱水鍋爐由于缺乏隨負荷變化的效率曲線，本文假定運行中效率保持額定值，不隨負荷率降低而降低，則耗氣量隨負荷率線性變化，這部分偏差可作為工程上的安全系數(shù).

從表5可以看出，方案3的LCC值最小，其次是方案2，LCC值最大的是方案4.

在本工程保證機組最小水流量40%的前提下，方案1，2，3的變頻泵變頻范圍依次為72%～100%，56%～100%，40%～100%，方案2變頻泵變頻范圍較小，一定程度上影響了其變頻泵的節(jié)能潛力，其機組能效在3種方案中最低.方案4機組能效最高，但由于取水量較大，取水泵能耗較高，并且取水量增大導(dǎo)致取水部分投資增大，所以其LCC值最大.而方案3的機組能耗和取水泵能耗雖然均不是最小的，但是LCC值卻最小，為最佳方案.

由此可見，取水量過大或過小均不佳.取水量太小，與機組額定流量相差較大，會引起取水泵變頻范圍減小，而且排放水溫度過高會使機組能效比降低.若取水量太大，則會增加取水設(shè)施投資，導(dǎo)致取水泵能耗過高，而機組因能效比提高而得到的節(jié)能效益無法抵消甚至低于取水泵的能耗增量.因而，要保證取水泵能耗、機組能耗和初投資均在合理范圍內(nèi)，才能得到最低LCC值.

下面根據(jù)多組工況計算結(jié)果進行曲線擬合.進水溫度為24 ℃.橫坐標為取排放水溫差，縱坐標為對應(yīng)的LCC值.由圖5可知，本工程在定溫差運行工況下，最佳取排放水溫差為7.7 ℃，最小LCC值為441.80.

4.2考慮機組變工況運行，提高系統(tǒng)綜合能效

根據(jù)Destc的模擬結(jié)果可知，滿負荷運行時間占空調(diào)總運行時間的比例是很小的，可以考慮機組的變工況運行，兼顧取水泵的能耗及機組能效比，提高系統(tǒng)的整體綜合能效.

考慮設(shè)計方案5：按照9 ℃溫差來選擇取水泵，80%～100%負荷率區(qū)間下定頻運行，負荷率為80%時，計算得源水側(cè)進出水溫差約為7.2 ℃，接近前面分析得到的最佳取水溫差，此時開始定溫差變頻運行能獲得較小的LCC值，取得較好的節(jié)能效益.直至通過機組的流量小于所需最小流量時，水泵再次轉(zhuǎn)為定頻運行.

此方案在選擇水泵時，按照大溫差的原則來選擇水泵，盡量減少設(shè)計取水量，降低取水泵額定能耗.同時，通過變工況運行，使除了接近滿負荷下的大部分時間，機組都在最佳設(shè)計取水溫差工況下高效運行.計算得該方案LCC值為433.50.

相比方案3，方案5的LCC值更低.方案5不僅降低了運行年限產(chǎn)生的費用，同時也減少了一部分前期投資.說明系統(tǒng)變工況運行能進一步產(chǎn)生節(jié)能效益，值得深入研究.

5結(jié)論

建立了基于壽命周期成本的簡化的工程評價方法，可對開式地表水源熱泵系統(tǒng)進行準確的評價和優(yōu)化.通過對實際案例的分析，得到如下結(jié)論：

1） 建立的LCC計算模型采用流程圖的形式呈現(xiàn)，清晰明了，易于理解.并且通過合理的簡化后，運算簡便，準確度高，便于應(yīng)用實際工程的評價和優(yōu)化中.

2）開式地表水源熱泵系統(tǒng)的LCC組成部分中，最主要的是運行年限內(nèi)的總運行費，其中，又以機組所占費用比重最大，因而，選取能效品質(zhì)高的水源熱泵機組本身就至關(guān)重要.

3） 在開式地表水源熱泵系統(tǒng)中，影響LCC值的因素主要有兩點：取水高差、設(shè)計取排放水溫度.取水高差和取水溫差直接影響到取水泵的能耗.而取排放水溫度同時又會影響機組能效.取水量又與初投資有直接的關(guān)系.另外，要考慮在滿足機組的最小水流量要求下，變頻泵的變頻范圍受影響的程度.因此，在方案設(shè)計時，要綜合考慮取水泵能耗和機組能耗的相關(guān)關(guān)系，考慮運行費用的同時，不能忽略初投資.通過計算分析得到，對本工程而言，在源水進水溫度為24 ℃且定溫差變頻運行時，最佳取水溫差7.7 ℃，對應(yīng)的LCC值為441.80.

4）按照9 ℃溫差進行取水泵的選型，保證盡量減小取水能耗和取水設(shè)施投資，同時考慮機組變工況運行，使除接近滿負荷時間的大部分時間內(nèi)，系統(tǒng)能在最佳設(shè)計取水溫差工況下，保持高效運行，計算得該方案的LCC值為433.50，說明變工況運行更為有利，具有節(jié)能潛力.只有從提高系統(tǒng)綜合能效著手，全面考慮，才能得到更優(yōu)方案.

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