基于流態(tài)冰的冰源熱泵能效及經(jīng)濟性研究*

王瑛瀅，宋文吉，陳明彪，馮自平?

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引 言

目前，我國是除美國外的第二大能源消費國，能源消耗約占全球總量的1/5[1]。因此，利用各類節(jié)能減排技術(shù)減少能源消耗已成當(dāng)務(wù)之急。熱泵作為一種高效、環(huán)保的系統(tǒng)，已獲得廣泛的應(yīng)用。

然而各類熱泵系統(tǒng)，如地源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵、傳統(tǒng)冰源熱泵等，在應(yīng)用時仍有局限。地源熱泵運行能效較高，但大部分存在熱平衡問題[2]。空氣源熱泵由于利用空氣作為熱源，因而受室外氣象因素的影響很大[3-4]，尤其在低溫高濕的地區(qū)，其能效很低，甚至無法正常工作。水源熱泵為保證運行時蒸發(fā)器內(nèi)不結(jié)冰，在蒸發(fā)器出水溫度低于4℃時，將不可使用。傳統(tǒng)冰源熱泵由于冰直接在換熱器上生成，增加了換熱熱阻，影響換熱效率，導(dǎo)致系統(tǒng)運行能效較低[5]。

基于流態(tài)冰的新型冰源熱泵系統(tǒng)可以利用近冰點淡水或海水相變潛熱作為熱源，具有采暖能效高、適用性廣的特點，應(yīng)用前景廣泛。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在冰漿的制取方法[6]、傳熱和流動特性[7-8]等方面已有深入研究。本課題組的前期研究[9-10]可以實現(xiàn)對過冷水過冷度在（?2～?1.8℃）之間的精確控制，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的相變換熱，為其在冰源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

能效與經(jīng)濟性是熱泵采暖的關(guān)鍵指標(biāo)，然而目前對冰源熱泵系統(tǒng)的采暖能效與運行經(jīng)濟性還缺乏定量的研究。因此，本文選取哈爾濱、北京、鄭州、武漢、南京這5 個典型供暖區(qū)域城市，基于各城市采暖期的氣象參數(shù)，定量計算并對比冰源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵的采暖期系統(tǒng)能效和經(jīng)濟性。從而得到各熱泵系統(tǒng)能效及經(jīng)濟性的直觀對比，為冰源熱泵系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供一定參考依據(jù)。

1 冰源熱泵系統(tǒng)

冰源熱泵系統(tǒng)一般由沉淀懸浮分離設(shè)備、水源泵、可控相變換熱器、熱泵機組、乙二醇泵、供熱泵、供熱末端、冰水分離設(shè)備等組成。

冰源熱泵系統(tǒng)與水源熱泵系統(tǒng)的不同之處在于，為使淡水或海水在冰漿裝置中可控結(jié)冰，在熱源水（近冰點淡水或海水）與熱泵蒸發(fā)器中間增加一套可控相變換熱器。因而整個系統(tǒng)存在兩級換熱。系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。熱源水經(jīng)水源泵輸送至可控相變換熱器，在換熱器內(nèi)與載冷劑乙二醇換熱，水發(fā)生相變釋放相變潛熱后轉(zhuǎn)變?yōu)?℃的冰漿溶液。載冷劑吸熱后，經(jīng)乙二醇泵輸送至熱泵機組的蒸發(fā)側(cè)作為熱泵機組的熱源，為供熱末端提供熱量。其中，熱源水利用江河湖水資源，生成冰漿釋放相變潛熱后送回至江河湖中。

可控相變換熱器是冰源熱泵系統(tǒng)的核心部件。其基本原理是充分利用水的過冷特性[11-12]，將水?冰相變的物理過程解耦為換熱器內(nèi)的過冷和絕熱容器內(nèi)的相變兩個過程[13]，進而實現(xiàn)可控相變提取相變潛熱。受可控過冷度的約束，每次換熱僅有部分水相變?yōu)楸?℃過冷度對應(yīng)1/80 的含冰量），因此可得到0℃的冰漿。過冷法制取冰漿的技術(shù)已在中央空調(diào)冰蓄冷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)原理和設(shè)備運行可靠性得到了業(yè)界認(rèn)可，曾入選新中國成立七十周年制冷空調(diào)行業(yè)創(chuàng)新成果目錄[14]。因過冷度大小與換熱穩(wěn)定性及系統(tǒng)能效密切相關(guān)，一般控制可控換熱器內(nèi)的過冷度在 ?2.5℃以內(nèi)。

圖1 冰源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ice source heat pump

因此，冰源熱泵的熱源側(cè)介質(zhì)溫度可降低至0℃，大大拓寬了水源熱泵的應(yīng)用范圍。且冰源熱泵建造時無需打井，解決了地源熱泵的場地問題，減少了打井成本。同時，冰源熱泵利用自然水體作為熱源，彌補了空氣源熱泵在寒冷潮濕環(huán)境下無法正常工作的不足[15]。因而，冰源熱泵是近冰點氣候條件下十分理想的熱泵供熱解決方案。

上文提及的冰源熱泵系統(tǒng)由于存在載冷劑乙二醇的中間換熱過程，也被稱為間接式冰源熱泵。為與常規(guī)空氣源熱泵和地源熱泵進行對比，在下文模擬中均采用直接蒸發(fā)式的冰源熱泵，即不存在乙二醇的中間換熱過程，制冷劑直接在可控相變換熱器中吸收相變潛熱后，為供熱末端供熱。

2 不同熱泵系統(tǒng)能效對比

采用EES 軟件模擬計算熱泵系統(tǒng)的能效。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-2016），考慮典型氣候區(qū)的供熱需求及人口密度，在典型供暖區(qū)中選取哈爾濱、北京、鄭州、武漢、南京這5 個城市為代表，計算采暖期冰源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)能效并與空氣源熱泵、地源熱泵系統(tǒng)進行對比。

計算過程做如下處理：①用分段法對采暖期的氣象溫度進行處理，同時統(tǒng)計各溫度段對應(yīng)供暖天數(shù)；②哈爾濱地區(qū)的空氣源熱泵采用復(fù)疊式空氣源熱泵，其他地區(qū)均采用單級熱泵；③地源熱泵采用地下80 m 處的地下水作為熱源，且不考慮運行過程中地下水溫度的變化；④根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012），取熱泵系統(tǒng)過冷度和過熱度均為5℃，冷凝溫度為43℃。

在制冷工質(zhì)、冷凝溫度和過冷過熱度均確定的情況下，蒸發(fā)溫度對不同機組性能影響很大。因此，為計算熱泵系統(tǒng)的能效，首先需確定各系統(tǒng)在不同城市運行時的蒸發(fā)溫度。為確保準(zhǔn)確性，根據(jù)近5 年各城市采暖期的平均氣象參數(shù)計算各熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。

2.1 氣象參數(shù)的確定

各城市采暖期根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[16]確定。哈爾濱、北京、武漢、南京和鄭州的采暖期時長分別為175 d、122 d、49 d、79 d和96 d。由于空氣源熱泵和冰源熱泵的熱源分別為空氣和自然水體，因此需明確氣溫及自然水體溫度。根據(jù)中央氣象臺數(shù)據(jù)，匯總近5 年各城市采暖期的逐日平均氣溫。采暖期逐日平均自然水體溫度twater根據(jù)下式[17]計算：

式中：tair為室外空氣溫度，℃；r為相對濕度；ω為風(fēng)速，m/s。

由于地下水溫度受地質(zhì)條件等因素的影響很大，根據(jù)文獻[18]確定各城市地下80 m 處的平均水溫，結(jié)果統(tǒng)計于表1 中。

表1 地下水溫度[18]Table 1 Temperature of underground water[18]

2.2 蒸發(fā)溫度的確定

根據(jù)文獻[19]，空氣源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器中的平均傳熱溫差為11～13℃，本文選取12℃；地源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器中的平均傳熱溫差為5～7℃，本文取6℃。冰源熱泵根據(jù)機組的實際運行過程，確定其蒸發(fā)器中的平均傳熱溫差為5℃。結(jié)合2.1 中所得氣象參數(shù)，可以確定空氣源熱泵、冰源熱泵和地源熱泵的蒸發(fā)溫度及各溫度區(qū)間對應(yīng)供暖天數(shù)。結(jié)果統(tǒng)計于表2。

表2 不同城市蒸發(fā)溫度對應(yīng)供暖天數(shù)Table 2 Heating days corresponding to evaporation temperature in different cities

2.3 系統(tǒng)能效計算結(jié)果與分析

為合理比較各熱泵的性能，本文對熱泵系統(tǒng)的性能進行模擬分析。系統(tǒng)的制熱系數(shù)（coefficient of performance,COP）計算公式如下：

其中：Q為系統(tǒng)供熱量；Wtotal為系統(tǒng)總耗功；Wcomp為壓縮機耗功量；Wpump為泵功。

計算過程中，考慮空氣源熱泵冬季運行時的結(jié)霜問題，引入平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)進行計算，哈爾濱、北京、鄭州、武漢、南京的平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)分別為0.98、0.97、0.96、0.85、0.92[20]。地源熱泵的泵功約占系統(tǒng)總能耗的47%[21]。冰源熱泵的泵功及可控相變換熱器的耗功約占總耗功的15%[22]。計算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同城市熱泵系統(tǒng)能效Table 3 Energy efficiency of heat pumps in different cities

由表3 可知，空氣源熱泵采暖期的系統(tǒng)能效為2.1～3.0，冰源熱泵為2.8～3.2，地源熱泵為2.5～3.2。由于哈爾濱地區(qū)采用了復(fù)疊式空氣源熱泵，因而相較于其他城市，該地區(qū)的空氣源熱泵能效較高。但總體而言，空氣源熱泵的系統(tǒng)能效最低。另外，冰源熱泵采用地表的自然水源作為熱源，雖溫度低于地下水溫，但因冰源熱泵系統(tǒng)的水泵等耗功遠小于地源熱泵，因而冰源熱泵的系統(tǒng)能效與地源熱泵基本持平，甚至在地下水溫較低的哈爾濱地區(qū)，冰源熱泵的系統(tǒng)能效遠高于地源熱泵。

3 不同熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

為比較空氣源熱泵、地源熱泵和冰源熱泵系統(tǒng)在采暖期的經(jīng)濟性，以建筑面積S=10 000 m2的建筑物作為供暖對象，結(jié)合各城市的單位面積供暖負荷及電價計算各系統(tǒng)的運行成本與初投資，再計算冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期。

3.1 機組運行成本

機組運行成本主要考慮采暖期間系統(tǒng)的運行電費。電價以當(dāng)?shù)匾话愎ど虡I(yè)用電價格為準(zhǔn)，各地電價及單位面積建筑物負荷列于表4 中。

表4 各城市電價及熱負荷Table 4 Electricity price and heat load in each city

根據(jù)上表結(jié)果，結(jié)合表2 中各溫度區(qū)間熱泵系統(tǒng)的運行能效及對應(yīng)天數(shù)，求得采暖期各城市不同熱泵系統(tǒng)的運行成本。計算公式如下：

式中：Cy為采暖期各系統(tǒng)的運行成本，元；D為各溫度段對應(yīng)供暖天數(shù)，天；COP 為該溫度段內(nèi)熱泵的系統(tǒng)能效。結(jié)果如表5 所示。

表5 各熱泵系統(tǒng)采暖期運行成本Table 5 Operating cost of each heat pump system during heating period

由表5 可知，相同城市，空氣源熱泵在采暖期的運行成本遠高于冰源熱泵和地源熱泵，并且除北京和鄭州兩地，冰源熱泵的運行成本最低。這是由于運行成本與系統(tǒng)能效息息相關(guān)。氣溫越低、濕度越大的城市，空氣源熱泵的系統(tǒng)能效與冰源熱泵和地源熱泵的差值越大。另外，相同熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的運行成本也相差較大，在氣溫較低的地區(qū)，運行成本明顯較高。這是由于氣溫越低的城市其熱負荷越高，而系統(tǒng)能效隨氣溫降低而降低，導(dǎo)致各熱泵系統(tǒng)采暖期的運行成本顯著升高。

3.2 機組初投資

地源熱泵機組初投資按0.4 萬元/kW 計算[23]，空氣源熱泵單位面積機組價格在75.3～99.4 元/m2[24]，各地價格按對應(yīng)單位面積建筑物負荷大小合理取值。冰源熱泵機組根據(jù)工程經(jīng)驗[22]確定其初投資成本。計算公式如下。

地源熱泵：

空氣源熱泵：

式中：Ccg為地源熱泵初投資成本，萬元；Cca為空氣源熱泵初投資成本，萬元；c為空氣源熱泵單位面積機組價格。結(jié)果統(tǒng)計于表6 中。

由表6 可知，除哈爾濱外，冰源熱泵初投資居中，空氣源熱泵最低，地源熱泵最高。這是由于地源熱泵機組在建造初期的打井需求，導(dǎo)致投資成本較高。而冰源熱泵系統(tǒng)相較于空氣源熱泵，增加了可控相變換熱器等設(shè)備，因此初投資居中。另外，復(fù)疊式空氣源熱泵投資成本較高，因此在哈爾濱地區(qū)，冰源熱泵初投資反而最低。

表6 各熱泵機組初投資成本Table 6 Initial investment of different heat pump units

3.3 靜態(tài)投資回收期

為更加直觀地對比各熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性，本文對靜態(tài)投資回收期進行計算。公式[25]如下：

式中：Tp為靜態(tài)投資回收期，年；K為投資總額，萬元；BN為年凈收益，萬元；Tk為項目的建設(shè)期，年。

計算過程中，將兩種方案初投資的差值作為投資總額。由于本文僅對在采暖期運行的熱泵進行比較，因此將采暖期的運行費用差值作為年凈收益，項目建設(shè)期均為0。

經(jīng)初步對比，地源熱泵的初投資遠高于冰源熱泵和空氣源熱泵，因而僅需計算冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期。

由表7 可知，除哈爾濱外，冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期均較短。在哈爾濱地區(qū)，冰源熱泵系統(tǒng)不存在靜態(tài)投資回收期。其中，武漢和南京冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期較短，這是由于兩個城市冬季氣溫低、濕度大，平均結(jié)霜除霜損失系數(shù)較大，因此空氣源熱泵機組的運行費用遠高于冰源熱泵。北京和鄭州地區(qū)濕度雖不高，但由于氣溫過低，空氣源熱泵的運行成本仍然較高，因此冰源熱泵靜態(tài)投資回收期也較短。由此可見，在寒冷地區(qū)以及低溫高濕地區(qū)，冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期均較短，有很好的應(yīng)用前景。

表7 不同城市冰源熱泵靜態(tài)投資回收期Table 7 Static investment recovery period for ice source heat pumps in different cities

4 結(jié) 論

詳細闡述了基于流態(tài)冰的新型冰源熱泵系統(tǒng)的工作原理與應(yīng)用前景。其次，對冰源熱泵的能效和經(jīng)濟性進行了定量計算和分析，并與空氣源熱泵和地源熱泵系統(tǒng)進行對比。主要結(jié)論如下：

（1）相較于水源熱泵系統(tǒng)，冰源熱泵系統(tǒng)增加了可控相變換熱器，因此熱源溫度可降至0℃，可有效解決水源熱泵在蒸發(fā)器出水口溫度低于4℃時易發(fā)生的冰堵問題。

（2）在相同冷凝溫度、制冷工質(zhì)和過冷過熱度的情況下，不同城市冰源熱泵、空氣源熱泵和地源熱泵的運行能效分別為2.8～3.2、2.1～3.0、2.5～3.2。

（3）基于對各熱泵采暖期的運行費用及初投資的計算，得出冰源熱泵的靜態(tài)投資回收期很短，在哈爾濱地區(qū)使用最為經(jīng)濟，且在低溫高濕的城市的投資回收期較短，有很好的應(yīng)用前景。

本文提出的新型冰源熱泵系統(tǒng)不僅拓寬了水源熱泵的應(yīng)用范圍，且設(shè)備初投資較地源熱泵而言更低。同時由于該系統(tǒng)在采暖期能高效運行，因而相較于空氣源熱泵，有較短的靜態(tài)投資回收期。由此可見，該新型冰源熱泵系統(tǒng)有很好的發(fā)展前景。在后續(xù)的研究中，將進一步對冰源熱泵在跨季節(jié)蓄冷等方面的實際應(yīng)用進行深入研究。