寒區(qū)沼氣工程地下水源熱泵加熱系統(tǒng)能效分析

劉建禹，賀佳貝，楊勝明，隋 新，鄧斯文

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

近年來(lái)，隨著化石能源的日益枯竭和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，集有機(jī)廢棄物處理、清潔能源生產(chǎn)、資源化利用為一體的沼氣工程越來(lái)越受到重視。沼氣的生產(chǎn)過(guò)程需要消耗能源，特別是在北方寒冷地區(qū)的冬季，若使沼氣工程正常運(yùn)行，必須要消耗大量的能源，通過(guò)加熱系統(tǒng)對(duì)沼氣工程進(jìn)行加熱，維持穩(wěn)定的發(fā)酵溫度。沼氣工程加熱系統(tǒng)如何能更有效、更合理地利用能源，提高能源利用率，使沼氣工程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的低能耗，能源生產(chǎn)的高產(chǎn)出是必須解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[1-6]。因此，有必要對(duì)沼氣工程加熱系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，對(duì)系統(tǒng)用能狀況做出全面科學(xué)的評(píng)價(jià)，減少用能過(guò)程的損失和浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

傳統(tǒng)用能分析的方法是以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，單純從能量平衡的觀點(diǎn)，以熱效率作為用能評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)。但是，能不僅有量的多少，而且還有質(zhì)的差異。僅以熱效率作為用能評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)，只能反映能在數(shù)量上的得失，不能反映能在質(zhì)量的得失，也無(wú)法全面地反映能源利用的完善程度，甚至可能還會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論[7-9]。?分析法是建立在熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的一種用能分析方法，它是把能的數(shù)量和質(zhì)量結(jié)合起來(lái)，綜合評(píng)價(jià)各種不同形態(tài)能的價(jià)值，用?效率評(píng)定各種裝置或設(shè)備合理用能的完善程度，探尋用能過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，為科學(xué)合理用能指明方向[10-11]。工程?分析的方法主要有兩類，一類是按照工程設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行的?分析，稱為設(shè)計(jì)?分析；另一類依據(jù)工程在運(yùn)行中的實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行的?分析，稱為運(yùn)行?分析[12-14]。另外，在實(shí)際工程中，用能過(guò)程不僅要求供應(yīng)的能量中?得到充分利用，而且供應(yīng)的能量的能級(jí)應(yīng)與用戶所需的能量的能級(jí)相匹配，兩者能級(jí)差越小，用能過(guò)程越趨于合理。本文依據(jù)地下水源熱泵加熱系統(tǒng)在沼氣工程的應(yīng)用實(shí)例，采用運(yùn)行?分析法，并結(jié)合熱平衡法和能級(jí)分析法，從用能和節(jié)能的角度對(duì)加熱系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行分析和研究，為其他形式的沼氣工程加熱系統(tǒng)的能效分析提供參考。

1 沼氣工程地下水源熱泵加熱系統(tǒng)的組成

本研究基于黑龍江省雞西市蘭嶺鄉(xiāng)一沼氣工程，工程設(shè)計(jì)處理糞便約20余t，建有容積為30 m3的配料池2個(gè)，容積為700 m3的“發(fā)酵—產(chǎn)氣”一體全混合式的地上厭氧發(fā)酵反應(yīng)器1座，容積為2 000 m3的沼渣沼液池1處。為了使發(fā)酵工程正常運(yùn)行，需對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器采取保溫措施。其中，搪瓷鋼板厚度為0.008 m；苯板厚度為0.15 m；C30混凝土厚度為0.5 m；C15混凝土厚度為0.1 m；貯氣膜厚度為0.001 2 m。沼氣工程的地下水源熱泵加熱系統(tǒng)主要由地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和沼氣工程用戶系統(tǒng)兩部分組成。地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)主要設(shè)備包括熱泵機(jī)組、熱水循環(huán)泵和潛水泵等。沼氣工程用戶系統(tǒng)采用盤管式換熱器對(duì)發(fā)酵料液進(jìn)行加熱。其中，反應(yīng)器內(nèi)的盤管選取內(nèi)徑DN=50 mm的鋼管，加熱盤管總傳熱系數(shù)為125.6 W/(m2·K)，加熱盤管的長(zhǎng)度為250 m，呈螺旋狀安裝在距離罐體內(nèi)壁500 mm處。圖1為地下水源熱泵加熱系統(tǒng)示意圖。

圖1 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Chart of ground water-source heat pump heating system

2 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)能效分析模型

為了全面科學(xué)合理的評(píng)價(jià)沼氣工程用能情況，加熱系統(tǒng)能效分析模型中所供給的能量按等價(jià)熱值計(jì)算，即消耗一個(gè)度量單位的二次能源，等價(jià)于消耗了以熱值表示的一次能源量。

2.1 ?分析模型

沼氣工程加熱系統(tǒng)?分析模型采用灰箱模型，即將地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和沼氣工程用戶系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)視為黑箱，兩者之間以主?流線連接起來(lái)形成的網(wǎng)絡(luò)模型[15-16]，如圖2所示。

圖2 沼 氣工程加熱系統(tǒng) ? 分析模型Fig.2 Heating system of biogas engineering energy analysis model

2.1.1 地 下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng) ? 效率

地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)的供給?包括熱泵機(jī)組、熱水循環(huán)泵和潛水泵所消耗的電能?和熱泵從地下水中獲得的熱量?。其計(jì)算公式為[17-20]

式中1W為熱泵機(jī)組的耗功率，kW；2W 為熱水循環(huán)泵的耗功率，kW；3W 為潛水泵的耗功率，kW；0.407為單位換算系數(shù)，1 kW·h=0.407 kg標(biāo)煤；29 307.6為1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，kJ/kg；Q為熱泵機(jī)組從地下水吸取的熱量，kJ/h；T1、T2分別為地下水供、回水溫度，K；T0為環(huán)境基準(zhǔn)溫度，K。

其中

式中V˙為地下水循環(huán)流量，m3/h；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；c為水的比熱容，取 4.187 kJ/（kg·K）。

地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)的收益?為[21-23]

式中Q′為地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)供熱量，熱水管網(wǎng)的散熱損失較小因此忽略，Q′即為沼氣工程用戶所需的耗熱量，kJ/h；T3、T4分別為熱泵機(jī)組熱水供、回水溫度，K。其中

式中V′˙為熱水的循環(huán)流量，m3/h。地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為

2.1.2 沼 氣工程用戶系統(tǒng) ? 效率

沼氣工程用戶系統(tǒng)的收益?為[21,24]

式中T為料液發(fā)酵溫度，K。

沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率為

沼氣工程加熱系統(tǒng)總的?效率為

2.1.3 環(huán)境模型的確定

在能效分析過(guò)程中，系統(tǒng)的?值實(shí)際是它與環(huán)境參數(shù)的偏離程度。在計(jì)算?值時(shí)，應(yīng)對(duì)自然環(huán)境加以定量描述。基準(zhǔn)溫度的確定應(yīng)以盡可能接近系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度為原則。在計(jì)算熱量?值時(shí)，系統(tǒng)溫度越高，環(huán)境基準(zhǔn)溫度的影響就越小，而系統(tǒng)溫度越低，接近環(huán)境基準(zhǔn)溫度時(shí)，影響就較大。由于沼氣工程采用中溫厭氧發(fā)酵，其溫度在35 ℃左右，因此，本文中環(huán)境基準(zhǔn)溫度取沼氣工程所處環(huán)境的實(shí)際大氣平均溫度[25]。

2.2 熱平衡分析模型

沼氣工程地下水源熱泵加熱系統(tǒng)的總熱效率為加熱系統(tǒng)實(shí)際得熱量與輸入能量的比值，其計(jì)算公式為

2.3 能級(jí)分析模型

能級(jí)是指能量中?所占的比例。能級(jí)分析是依據(jù)能平衡和?平衡原理，以供能與用能雙方在能量品質(zhì)上合理匹配為原則，評(píng)價(jià)能量系統(tǒng)用能的合理性[26-28]。

地下水源熱泵機(jī)組的能級(jí)系數(shù)為[29-31]

用戶供給熱量的能級(jí)系數(shù)為

用戶耗熱量的能級(jí)系數(shù)為

3 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試

根據(jù)圖2所示的灰箱模型，2個(gè)子系統(tǒng)均按黑箱模型測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括環(huán)境溫度，發(fā)酵料液溫度，熱泵機(jī)組熱水供、回水溫度，地下水供、回水溫度，熱水循環(huán)流量，地下水循環(huán)流量，熱泵機(jī)組耗電量、熱水循環(huán)泵耗電量和潛水泵耗電量。測(cè)試時(shí)間為24 h，每隔1 h采集數(shù)據(jù)1次。測(cè)試儀器見(jiàn)表1。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 測(cè)試儀器及型號(hào)Table 1 Test equipment and type

表2 地下水源熱泵加熱系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Operation test data of groundwater source heat pump heating system

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)前述式（1）~（12），可計(jì)算得到各子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)的?值、?效率、熱效率和能級(jí)系數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

4.1 沼氣工程用戶系統(tǒng)能效分析

由表3可知，沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率97.8%；用戶供給熱量的能級(jí)系數(shù)為0.164，用戶耗熱量的能級(jí)系數(shù)為0.161，兩者的能級(jí)差為0.003。說(shuō)明此系統(tǒng)?的有效利用程度完善，用戶能量供需間能級(jí)匹配合理。原因是在換熱器傳熱過(guò)程中傳熱溫差越小，?損失越小，?效率越大。另外，熱能屬于低品質(zhì)能，其品質(zhì)與溫度有關(guān)，傳熱溫差越小，供能與用能間能級(jí)差越小。對(duì)于中溫厭氧發(fā)酵的沼氣工程，由于溫度水平較低，沼氣工程用戶應(yīng)采用低溫水供熱。但在沼氣工程所需熱負(fù)荷一定時(shí)，傳熱溫差越小，加熱系統(tǒng)采用的換熱器傳熱面積會(huì)增大。

4.2 沼氣工程加熱系統(tǒng)能效分析

由表3可知，地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為13.4%，沼氣工程加熱系統(tǒng)總的?效率為13.1%；地下水源熱泵機(jī)組的能級(jí)系數(shù)為 0.567，用戶與熱源間能級(jí)差為 0.406。說(shuō)明沼氣工程加熱系統(tǒng)?的有效利用程度不夠完善，沼氣工程用戶與加熱熱源能量品質(zhì)匹配不甚合理。造成的原因是地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)消耗的能源是電能，電能是高品位能，而用戶所需的熱能是低品位能，用高品位的電能去完成一個(gè)要求低品位熱能的任務(wù)，導(dǎo)致系統(tǒng)?損率增加，?效率降低，能級(jí)不匹配，能量利用浪費(fèi)偏大。盡管熱泵機(jī)組從地下水中吸取了低品位熱能，節(jié)約了高品位電能，降低了熱泵機(jī)組輸入能量的能級(jí)，加熱系統(tǒng)的總熱效率達(dá)到85.3%，能的數(shù)量得到有效利用，但對(duì)于沼氣工程加熱系統(tǒng)，?效率還偏低，能級(jí)差偏大，這說(shuō)明加熱系統(tǒng)能量合理利用程度還不夠完善。

表3 各子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)的?值、?效率、熱效率和能級(jí)系數(shù)Table 3 Each subsystem and whole system of exergy, exergy efficiency, thermal efficiency and level factor

通過(guò)上述分析，對(duì)于沼氣工程低品位熱能用戶，加熱系統(tǒng)應(yīng)采用低溫水供熱，其熱源采用與之相匹配的低品位熱源。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)地下水源熱泵加熱系統(tǒng)在沼氣工程中應(yīng)用實(shí)例能效分析研究，得到如下結(jié)論：

1）建立了以?效率、熱效率以及能級(jí)系數(shù)為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的沼氣工程加熱系統(tǒng)能效分析模型，得到地下水源熱泵加熱系統(tǒng)總熱效率為85.3%，?效率為13.1%，用戶與熱源間能級(jí)差為0.406。結(jié)果表明能量在數(shù)量上利用程度較好，但熱源與用戶之間供需能質(zhì)存在差異，在能質(zhì)利用方面還需進(jìn)一步完善。

2）沼氣工程用戶系統(tǒng)?效率為97.8%，用戶供給熱量的能級(jí)系數(shù)為 0.164，耗熱量的能級(jí)系數(shù)為 0.161，兩者能級(jí)匹配合理，用戶?效率高，說(shuō)明采用低溫水供熱，用能過(guò)程科學(xué)合理。

3）地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)?效率為13.4%，輸出熱量的能級(jí)系數(shù)為 0.164，輸入能量能級(jí)系數(shù)為 0.567。?效率偏低，能級(jí)差偏大，說(shuō)明地下水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)是整個(gè)沼氣工程加熱系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，是造成加熱系統(tǒng)能量合理利用程度較低的主要原因。

建議沼氣工程加熱系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采取能級(jí)相匹配的加熱方式，利用低品位熱源對(duì)沼氣工程進(jìn)行加熱，對(duì)能量利用過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

[1] 劉建禹，李文濤，陳澤興，等. 基于地下水源熱泵的寒區(qū)沼氣工程加熱模式的探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(5):163－169.Liu Jianyu, Li Wentao, Chen Zexing, et al. Heating mode of biogas plant in alpine region based on underground water source heat pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013,29(5): 163－169. (in Chinese with English abstract)

[2] 謝祖琪，庹洪章，余滿江，等. 沼氣工程加熱方式對(duì)發(fā)酵料液溫度場(chǎng)的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，24(4)：1576－1583.Xie Zuqi, Tuo Hongzhang, Yu Manjiang, et al. Effect of heating methods on temperature distribution of mixed liquid in digester[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2011, 24(4): 1576－1583. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳澤興，劉建禹，李文濤. 寒區(qū)沼氣發(fā)酵地源熱泵增溫系統(tǒng)的初步研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(3)：219－222.Chen Zexing, Liu Jianyu, Li Wentao. reliminary study of operation parameters for ground heat pump heating system of biogas fermentation in alpine region[J]. Journal of Agricultural: Mechanization Research, 2011, 33(3): 219－222. (in Chinese with English abstract)

[4] 陳超. 地表水源熱泵在吉林市應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.Chen Chao. Experimental Study Application of the Surface Water Source Heat Pump in Jilin City[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉建禹，樊美婷，劉科．高寒地區(qū)沼氣發(fā)酵料液加熱增溫裝置傳熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(2)：298－301.Liu Jianyu, Fan Meiting, Liu Ke. Heat transfer characteristics of warming methane fermentation liquid heating device in alpine region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011,27(2): 298－301. (in Chinese with English abstract)

[6] 石惠嫻，王韜，朱洪光，等. 地源熱泵式沼氣池加溫系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(2)：268－273.Shi Huixian, Wang Tao, Zhu Hongguang, et al. Heating system of biogas digester by ground-source heat pump[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 268－273. (in Chinese with English abstract)

[7] 劉寶慶著. 過(guò)程節(jié)能技術(shù)與設(shè)備[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[8] 湯學(xué)忠著. 熱能轉(zhuǎn)換與利用[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[9] 張偉偉，劉俊杰，朱能. 水源熱泵采暖系統(tǒng)的可用能效率分析[J]. 流體機(jī)械，2005，33(3)：64－66.Zhang Weiwei, Liu Junjie, Zhu Neng. Exergy analysis of water source heat pump heating system[J]. Fluid Machinery,2005, 33(3): 64－66. (in Chinese with English abstract)

[10] 朱明善. 能量系統(tǒng)的?分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[11] 周少祥，宋之平. 論能源利用的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(8)：1267－1271 Zhou Shaoxiang, Song Zhiping. On the base of energy utilization evaluation[J]. Journal of Engineering Thermal Physics, 2008,29(8): 1267－1271. (in Chinese with English abstract)

[12] 楊秀奇，訾琨. ?分析理論發(fā)展綜述[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2004，29(2)：158－160.Yang Xiuqi, Zi Kun. A review of the theory development to the exergy analysis[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology, 2004, 29(2): 158－160. (in Chinese with English abstract)

[13] Verda V, Cosentino S, Russo S L, et al. Second law analysis of horizontal geothermal heat pump systems[J]. Energy Build,2016, 124: 236–240.

[14] Hepbasli A, Balta M T. A study on modeling and performance assessment of a heat pump system for utilizing low temperature geothermal resources in buildings, Build[J].Environ, 2007, 42: 3747–3756.

[15] 鄭宏飛. ?—一種新的方法論[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[16] 趙冠春，錢立倫. ?分析及其應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，1984.

[17] 張永貴. 熱泵定義的拓展及其?效率表達(dá)式的改進(jìn)[J]. 暖通空調(diào)，2002，32(1)：99－100.Zhang Yonggui. To improve the development of heat pump and exergy efficiency definition expression[J]. HVAC, 2002,32(1): 99－100. (in Chinese with English abstract)

[18] 項(xiàng)新耀著. 工程?分析方法[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1990.

[19] 胡亞范，談宏瑩，張永貴.熱泵供熱系統(tǒng)的?評(píng)價(jià)方法[J].建筑科學(xué)，2009，25(10)：45－48.Hu Yafan, Tan Hongying, Zhang Yonggui. The exergy evaluation method of heat pump heating system[J].Architecture Science, 2009, 25(10): 45－48. (in Chinese with English abstract)

[20] 張永貴，胡亞范，王厚才. 熱泵定義及?效率計(jì)算方法探討[J]. 節(jié)能與環(huán)保，2001(10)：16－18.Zhang Yonggui, Hu Yafan, Wang Houcai. Definition of heat pump and calculation method of exergy efficiency[J].Energy Saving and Environmental Protection, 2001(10): 16－18. (in Chinese with English abstract)

[21] 吳存真，張?jiān)娽?，孫志堅(jiān)著. 熱力過(guò)程?分析基礎(chǔ)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，1999.

[22] 陳澤興，劉建禹，李文濤. 寒區(qū)沼氣發(fā)酵地源熱泵增溫系統(tǒng)的初步研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(3)：219－222.Chen Zexing, Liu Jianyu, Li Wentao. Preliminary study of operation parameters for ground heat pump heating system of biogas fermentation in alpine region[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(3): 219－222.(in Chinese with English abstract)

[23] 荊有印，鄭國(guó)忠. 地下水源熱泵系統(tǒng)的?分析[J]. 煤氣與熱力，2006，26(5)：53－57.Jin Youyin, Zheng Guozhong. Analysis of groundwater source heat pump system[J].Gas and Heat, 2006, 26(50): 53－57. (in Chinese with English abstract)

[24] 朱培根. 熱泵空調(diào)器節(jié)能?分析及優(yōu)化[J]. 低溫工程，2000(5)：54－59.Zhu Peigen. Exergy analysis and optimization of energy saving of heat pump air conditioner[J]. Cryogenic Engineering,2000(5): 54－59. (in Chinese with English abstract)

[25] 潘勇. ?分析環(huán)境模型及其確立原則的研究[J]. 煤炭與化工，2007，30(6)：18－20.Pan Yong. Study on exergy analysis of environment model and establish the principle[J]. Coal and Chemical Industry,2007, 30(6): 18－20. (in Chinese with English abstract)

[26] Hu Pingfang. Energy and exergy analysis of a ground source heat pump system for a public building in Wuhan, China under different control strategies[J]. Energy and Buildings,2017, 152: 301－312.

[27] Xu W. Research Report on the development of ground Source heat pump technology in China[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2013.

[28] Akpinar E K, Hepbasli A. A Comparative Study on Exergetic Assessment of two Ground-Source (Geothermal) Heat Pump Systems for Residential Applications[J]. Build Environ, 2007,42: 2004－2013.

[29] 楊東華. ?分析和能級(jí)分析[M]. 北京：科學(xué)出版社，1986.

[30] 周燕. 建筑供暖與制冷能量系統(tǒng)?分析及應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.Zhou Yan. Building Heating and Cooling Energy System Exergy Analysis and Application Research[D]. Changsha:Hunan University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[31] 艾亨J E. 能量系統(tǒng)的?分析方法[M]. 北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，1984.