寒冷地區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳榮華 王鶴翔 展 浩

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),威海,中國;2.加州大學(xué)圣地亞哥分校,圣地亞哥,美國;3.青島科創(chuàng)藍(lán)新能源股份有限公司,青島,中國)

0 引言

我國北方寒冷地區(qū)冬季地表水溫度普遍低于5 ℃[1],極寒天氣下會(huì)降低到2 ℃以下,這也是北方地區(qū)湖水源熱泵得不到應(yīng)用和海水源熱泵應(yīng)用失敗的主要原因之一。此溫度下的水源直接引入熱泵機(jī)組會(huì)造成機(jī)組蒸發(fā)器結(jié)冰損壞,如果采取二次換熱的形式,則換熱器也面臨結(jié)冰損壞的問題。國內(nèi)外針對(duì)寒冷地區(qū)地表水地源熱泵的研究主要集中在提取湖水/海水潛熱[2-3]或改進(jìn)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)[4-5]等方面。

本文總結(jié)寒冷地區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對(duì)寒冷地區(qū)冬季水溫特點(diǎn),地表水地源熱泵系統(tǒng)形式、運(yùn)行工況和設(shè)備配置,尤其是取水工況和二次換熱結(jié)冰等問題進(jìn)行分析,并給出實(shí)際案例,為地表水地源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 寒冷地區(qū)冬季地表水溫度特點(diǎn)

寒冷地區(qū)是我國5個(gè)氣候區(qū)之一,該類地區(qū)最冷月平均溫度為-10～0 ℃,日平均溫度≤5 ℃的天數(shù)為90～145 d,主要包括北京、天津、河北、山東、山西、寧夏、陜西大部、遼寧南部、甘肅中東部、新疆南部、河南、安徽、江蘇北部及西藏南部等地區(qū)。

1.1 水體溫度分層特性

除冬季外,寒冷地區(qū)的湖泊、江河水體溫度主要受太陽輻射與空氣溫度的影響,變化規(guī)律與其他地區(qū)一致[6-7]。但冬季寒冷地區(qū)室外溫度長期低于0 ℃,湖泊、江河等水體表面會(huì)形成厚度不等的冰層,冰層增加了水體與空氣間的換熱熱阻,同時(shí)反射了大部分太陽輻射[8],由此形成了特殊的水體溫度分布。準(zhǔn)確了解冬季冰層下水體溫度分布及外界環(huán)境因素對(duì)水體溫度的影響,是在寒冷地區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)用地表水地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵。

常壓下水的三相點(diǎn)溫度為0 ℃,因此冰層附近的水體始終保持冰點(diǎn)溫度。水具有特殊的反常膨脹現(xiàn)象,淡水湖泊的水體在4 ℃左右時(shí)密度最大[9],由于湖水的流動(dòng)性較小,溫度高于4 ℃的湖水在密度差的作用下上浮降溫,最終使得大部分水體的水溫與水深成正比,深度越深,水溫越高。我國北方地區(qū)冰蓋下淺層湖水的溫度普遍低于5 ℃[10]。由于河水與海水的流動(dòng)性較強(qiáng),使得水體的整體溫度分布較為均勻,實(shí)測深度在5 m以內(nèi)的河流及近岸海水沒有明顯的溫度分層現(xiàn)象。

1.2 水體溫度主要影響因素

由于冰蓋的阻隔,冰蓋下水體的溫度主要與太陽輻射和土壤溫度有關(guān)。一般認(rèn)為未結(jié)冰水體太陽凈輻射量的50%～60%在水面被吸收,另外40%～50%穿過水面向下傳播[6],對(duì)于裸露冰蓋,只有可見光能夠透射穿過冰蓋進(jìn)入水體,而紅外線在冰蓋表面被完全吸收[11]。Henneman等人的研究指出,由于冰蓋的阻隔,用于加熱水體的可見光輻射能與總輻射能之比為0.443～0.483,根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r,晴天取較小值,陰天取較大值[8]。我國各地區(qū)深層土壤溫度年均變化不大,以深圳地區(qū)為例,地表40 cm以下的土層溫度基本不受太陽輻射的影響[12],地表150 cm以下的土壤溫度常年恒定[12-14]。冬季水體溫度隨氣溫降低[15],但周圍土壤溫度波動(dòng)不大,土壤熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流傳遞到水體[16],其在水體總蓄熱量中占有很大的比例。設(shè)計(jì)初期計(jì)算水體可提供熱量時(shí)需要同時(shí)考慮太陽輻射與土壤蓄熱的影響,計(jì)算式見式(1)、(2)。

Qty=AiIfΓ

(1)

式中Qty為太陽輻射熱能,W;Ai為太陽輻射界面面積,m2;If為確定緯度下的太陽輻照度,W/m2;Γ為太陽輻射吸收率,地表水體一般取0.15～0.30。

Qtr=AsDt

(2)

式中Qtr為土壤熱能,W;As為土壤導(dǎo)熱界面面積,m2;Dt為土壤熱通量密度,W/m2。

2 地表水地源熱泵系統(tǒng)連接形式

地表水地源熱泵系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。熱泵機(jī)組與水源熱泵的連接方式有直接連接與間接連接2種[17]。熱泵機(jī)組間的連接方式又可分為并聯(lián)式、串聯(lián)式和混水式。不同連接方式各有優(yōu)劣,需要根據(jù)實(shí)際需要和用熱建筑特點(diǎn)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

圖1 地表水地源熱泵系統(tǒng)原理圖

2.1 源側(cè)與機(jī)組連接形式

圖1所示為熱泵機(jī)組與源側(cè)直接連接的系統(tǒng)形式,圖2所示為間接連接的系統(tǒng)形式。對(duì)于常規(guī)地表水地源熱泵系統(tǒng),若源側(cè)水質(zhì)良好,冬季最低水溫在5 ℃以上,且源側(cè)取熱溫差不超過5 ℃,則機(jī)組可以直接連接水源取熱。直接連接系統(tǒng)運(yùn)行效率較高,且管路結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行維護(hù)難度較低。若可利用水源的水質(zhì)不佳,如從原生污水[18]或海水取熱,則應(yīng)在水源與機(jī)組間增加一級(jí)間接換熱系統(tǒng)。間接連接系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,但有效避免了前期的水處理步驟。對(duì)于寒冷地區(qū),水溫波動(dòng)較大,供熱中期水溫普遍低于5 ℃,供熱初末期與中期源側(cè)水流量大幅變化,增加間接換熱系統(tǒng)可以維持機(jī)組蒸發(fā)側(cè)流量穩(wěn)定,同時(shí)將結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移到中間換熱器,避免結(jié)冰導(dǎo)致蒸發(fā)器銅管破損。

圖2 間接連接并聯(lián)系統(tǒng)示意圖

2.2 機(jī)組連接形式

機(jī)組并聯(lián)是指將多個(gè)熱泵機(jī)組單獨(dú)安裝,每個(gè)機(jī)組的熱量輸出依次經(jīng)過換熱器進(jìn)行傳遞,從而為整個(gè)建筑提供熱量,各機(jī)組的源側(cè)進(jìn)水與末端回水溫度相同。如圖2所示,并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)組運(yùn)行效率高,但用水量更大,水源條件較好的地區(qū)建議使用此類系統(tǒng),以提高系統(tǒng)的制熱能力與穩(wěn)定性。

機(jī)組串聯(lián)是指將多個(gè)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)側(cè)或冷凝側(cè)串聯(lián),每個(gè)機(jī)組可以獨(dú)立運(yùn)行。其中:蒸發(fā)側(cè)串聯(lián)適合源側(cè)水量不足但水溫較高的使用環(huán)境;冷凝側(cè)串聯(lián)則多用于末端供回水溫差較大時(shí),通過逐級(jí)加熱提高系統(tǒng)的整體效率。圖3所示為在寒冷地區(qū)應(yīng)用的水源熱泵系統(tǒng)使用的冷凝器串聯(lián)方案,通過冷凝器串聯(lián)可以有效降低單臺(tái)壓縮機(jī)的壓比,提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3 間接連接串聯(lián)系統(tǒng)示意圖

混水系統(tǒng)包括源側(cè)混水和末端混水2種。源側(cè)混水主要用于水溫條件良好但水流量不足的環(huán)境,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且機(jī)組效率不高;末端混水則是通過控制供水與回水混合的比例,調(diào)節(jié)出水溫度,從而達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。極寒天氣源側(cè)取熱量不足時(shí),可以在供熱系統(tǒng)中增加調(diào)峰熱源,并通過混水系統(tǒng)調(diào)節(jié)末端供回水溫度,如圖4所示,對(duì)于調(diào)峰負(fù)荷占比不大的供熱系統(tǒng),建議將調(diào)峰熱源與機(jī)組串聯(lián),盡可能降低調(diào)峰循環(huán)對(duì)末端流量的影響。

圖4 供水管路并聯(lián)調(diào)峰系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)之初,必須確保當(dāng)?shù)氐乃臈l件,如水源的水量、水溫、水質(zhì)等全部符合水源熱泵機(jī)組的使用要求,并取得當(dāng)?shù)刂鞴懿块T許可,同時(shí)對(duì)使用水源熱泵系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,確保使用水源熱泵系統(tǒng)的合理性。寒冷地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷工況與常規(guī)水源熱泵相同,本文所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用主要針對(duì)寒冷地區(qū)水源熱泵的冬季運(yùn)行工況。

3.1 末端設(shè)計(jì)工況

如圖1所示,水源熱泵系統(tǒng)可以分為末端、機(jī)組和源側(cè)。末端循環(huán)系統(tǒng)主要由末端散熱裝置、連接管網(wǎng)和循環(huán)泵組成,設(shè)計(jì)系統(tǒng)末端時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮熱泵機(jī)組性能及管網(wǎng)初投資。設(shè)計(jì)前初步調(diào)查供暖系統(tǒng)的末端裝置類型,以此確定末端供回水溫度。增大供回水溫差會(huì)提高熱泵機(jī)組的冷凝溫度,降低機(jī)組運(yùn)行效率,但末端循環(huán)管路可以使用更小的管徑和小功率循環(huán)泵,大幅減少了末端管網(wǎng)的初投資。寒冷地區(qū)應(yīng)用地表水地源熱泵系統(tǒng)時(shí),若末端管網(wǎng)建設(shè)成本過高,可考慮適當(dāng)增大末端換熱溫差,減小末端管徑,同時(shí)將機(jī)組冷凝器串聯(lián),以提高單機(jī)運(yùn)行效率。對(duì)于大型能源站,以青島為例,由于新建小區(qū)基本都采用地面輻射供暖,一次網(wǎng)設(shè)計(jì)溫差一般為10～15 ℃,二次網(wǎng)設(shè)計(jì)溫差一般為10 ℃,一次網(wǎng)供/回水溫度建議設(shè)為60 ℃/48 ℃,二次網(wǎng)供/回水溫度建議設(shè)為45 ℃/35 ℃,此溫度下機(jī)組運(yùn)行效率較高且管網(wǎng)初投資相對(duì)較低。

3.2 源側(cè)設(shè)計(jì)工況

應(yīng)用于寒冷地區(qū)的水源熱泵系統(tǒng)源側(cè)主要包括中間循環(huán)和湖(河)水循環(huán)系統(tǒng)。中間循環(huán)系統(tǒng)主要由中間換熱器、連接管網(wǎng)和中間泵組成。由于冬季水溫較低,為了防止換熱器及機(jī)組蒸發(fā)器結(jié)冰,一般采用冰點(diǎn)溫度較低的載冷劑作為中間循環(huán)介質(zhì),如乙二醇、丙二醇水溶液等。設(shè)計(jì)中間循環(huán)系統(tǒng)時(shí)需綜合考慮管網(wǎng)投資、機(jī)組運(yùn)行效率和循環(huán)能耗。增大中間側(cè)循環(huán)溫差降低了管網(wǎng)初投資及循環(huán)能耗,同時(shí)也降低了機(jī)組的蒸發(fā)溫度,機(jī)組效率有所下降。由于換熱器一般緊鄰機(jī)組布置,管網(wǎng)阻力不大,為提高機(jī)組運(yùn)行能效,中間循環(huán)系統(tǒng)可以按3～4 ℃溫差設(shè)計(jì)。

一般而言,根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?水源水進(jìn)出機(jī)組的溫差Δts可以取5～11 ℃,具體的溫差取值可以參考所選熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)工況,根據(jù)機(jī)組蒸發(fā)吸熱量匹配管網(wǎng)管徑與循環(huán)泵功率。寒冷地區(qū)冬季湖(河)水溫度一般低于5 ℃[19],最低溫度低于2 ℃,且此時(shí)機(jī)組的取熱量遠(yuǎn)大于供熱初末期,按照常規(guī)工況設(shè)計(jì)的管網(wǎng)系統(tǒng)極易結(jié)冰凍裂,因此,設(shè)計(jì)工作于寒冷地區(qū)的水源熱泵系統(tǒng)時(shí),源側(cè)管網(wǎng)管徑與循環(huán)泵功率需要匹配極端工況,最大許用流量應(yīng)當(dāng)滿足極端天氣下引、退水溫差1 ℃時(shí)的機(jī)組取熱要求。

確定機(jī)組末端和源側(cè)設(shè)計(jì)工況后,計(jì)算末端熱量與冷量需求,按照熱量與冷量中的較大值選擇熱泵機(jī)組。

4 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

水源熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備包括水源熱泵機(jī)組、換熱器、循環(huán)泵及連接管網(wǎng)等。針對(duì)寒冷地區(qū)的特殊工況,部分設(shè)備需要采用特殊的設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略,尤其是中間換熱器,要應(yīng)對(duì)大流量小溫差的變工況運(yùn)行和防凍問題。

4.1 中間系統(tǒng)設(shè)備配置

相較于機(jī)組與源側(cè)直接連接,間接連接會(huì)導(dǎo)致同等水溫下機(jī)組的蒸發(fā)溫度下降,同時(shí)增加系統(tǒng)的循環(huán)能耗,但考慮到機(jī)組蒸發(fā)器凍裂帶來的損失,增加一級(jí)中間循環(huán)是必要的。

常規(guī)污水源或海水源熱泵系統(tǒng)的中間換熱器設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮結(jié)垢堵塞、化學(xué)腐蝕和生物腐蝕問題,多采用聚丙烯換熱器、鈦管換熱器、紅銅換熱器和聚氯乙烯(PVC)U形管換熱器等,這類換熱器或價(jià)格昂貴或換熱性能較差,很難在投資與性能之間達(dá)到平衡。由于主要以湖(河)水作為熱源,水體相對(duì)清潔且腐蝕性不強(qiáng),寒冷地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)可以使用常規(guī)的水-水換熱器,或使用專為污水及地表水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的疏導(dǎo)式換熱器。實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn),中間換熱器也存在結(jié)垢堵塞及藻類附著問題,但結(jié)垢速率明顯低于污水換熱系統(tǒng),常規(guī)的化學(xué)清洗、水壓清洗、機(jī)械清洗等方式都可以快速有效地解決此類問題[20]。

相對(duì)而言,寒冷地區(qū)水源熱泵的中間換熱器有較高的結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn),建議選用壁厚2 mm以上的疏導(dǎo)式換熱器或殼管式換熱器,并在換熱器入口側(cè)增加過濾裝置,出口側(cè)增加溫度傳感器。此類換熱器結(jié)構(gòu)較為堅(jiān)固,少量結(jié)冰不會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行,但不可長期運(yùn)行于此工況下。

4.2 取水泵站設(shè)備配置

常規(guī)水源熱泵設(shè)計(jì)取水溫差為5～11 ℃,寒冷地區(qū)冬季源側(cè)設(shè)計(jì)取熱溫差則為1.0～1.5 ℃。寒冷地區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)的取水泵站可以按圖5設(shè)計(jì)。

圖5 地表水地源熱泵近岸取水示意圖

取水泵站由進(jìn)水口、集水間和水泵間組成。在集水間設(shè)置孔篦或格柵,以防止懸浮物堵塞水泵。在河流中設(shè)置取水點(diǎn)時(shí),取水點(diǎn)要避免設(shè)在易于產(chǎn)生水內(nèi)冰的急流、冰穴、冰凍等地方及支流出口的下游,以及流冰易于堆積的淺灘、沙洲、回流區(qū)和橋孔的上游附近,以避免冰凌的影響。

與常規(guī)水源熱泵系統(tǒng)取水泵站的設(shè)計(jì)方案不同[5],寒冷地區(qū)水源熱泵的取水泵站設(shè)計(jì)需要兼顧供暖初末期與供暖中期的流量要求。供暖初末期湖(河)水溫度較高,且末端負(fù)荷較低,此時(shí)部分機(jī)組停機(jī),部分機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行,系統(tǒng)的用水量較小;供暖中期湖(河)水溫度降低,此時(shí)末端負(fù)荷為全年最大,所有機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行,系統(tǒng)的用水量最大,因此引、退水管網(wǎng)的管徑應(yīng)按最小溫差、最大流量設(shè)計(jì)。需要注意的是,當(dāng)機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),管網(wǎng)流量小于設(shè)計(jì)流量,此時(shí)的管道阻力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)工況,水泵有超電流風(fēng)險(xiǎn)。

綜合考慮機(jī)組運(yùn)行于供熱初末期及供熱中期時(shí)的管網(wǎng)阻力問題,為避免單臺(tái)水泵超電流損壞,且要滿足機(jī)組流量需求,建議選擇多臺(tái)同型號(hào)變頻水泵并聯(lián),或增設(shè)一拖一變頻器,供熱初期部分水泵變頻運(yùn)行,隨水源側(cè)溫度變化適時(shí)調(diào)整水泵運(yùn)行數(shù)量和功率,泵站內(nèi)水泵的總功率應(yīng)滿足極寒天氣時(shí)機(jī)組的流量和揚(yáng)程要求。

5 典型案例

青島市高新區(qū)2號(hào)能源站供熱項(xiàng)目采用典型的寒冷地區(qū)地表水地源熱泵系統(tǒng)。該項(xiàng)目早期使用空氣源熱泵機(jī)組臨時(shí)供熱,由于極寒天氣影響,機(jī)組供熱季實(shí)際綜合運(yùn)行能效低于2.0,供熱運(yùn)行成本較高,因此后期項(xiàng)目選擇使用水源熱泵機(jī)組供熱,使用電鍋爐調(diào)峰。該項(xiàng)目按照優(yōu)化后的水源熱泵系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),2022年11月正式投入運(yùn)行,已穩(wěn)定工作1個(gè)供熱季。

5.1 冬季水資源特性

2號(hào)能源站位于青島市高新區(qū),該項(xiàng)目從祥茂河取水,引水管道連接羊毛溝四支流,退水管道連接羊毛溝三支流,取水點(diǎn)所在支流連接高新區(qū)匯流入?？?。

根據(jù)式(1)與式(2)初步計(jì)算高新區(qū)水系的可用熱量。高新區(qū)水系流域面積為364萬m2,根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》數(shù)據(jù)可知,青島地區(qū)冬季太陽輻照度If=118 W/m2,太陽輻射吸收率Γ取0.17,可得高新區(qū)水系所能吸收的太陽輻射能為73 MW。將地表水流域面積(364萬m2)、土壤熱通量密度(Dt=20 W/m2)代入式(2)可得高新區(qū)水系所能吸收的土壤熱能為72.8 MW。高新區(qū)水系蓄水量為790萬m3,可取河水顯熱溫差為2.5 ℃,顯熱取熱量為16.0 MW。同理,2號(hào)站取水水系流域面積為40萬m2,蓄水量為80萬m3,太陽輻射取熱量為8 MW,土壤導(dǎo)熱量為8 MW,河水顯熱為1.6 MW?？?cè)崃繛?7.6 MW。

為進(jìn)一步分析當(dāng)?shù)厮臈l件,統(tǒng)計(jì)了1月28—30日羊毛溝四支流水溫與冰面光照度的變化,結(jié)果如圖6所示。該時(shí)段內(nèi)天氣較為晴朗,冰面無積雪,水溫測試點(diǎn)位于水深1.5 m處。從圖6可以看出,河水的溫度與太陽輻射密切相關(guān),14:00左右水溫最高,夜間水溫逐漸降低。太陽輻射對(duì)水體溫度的影響具有延遲性,即每日水溫達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)刻較太陽輻照度的峰值時(shí)刻晚1～2 h,這可能與水溫監(jiān)測點(diǎn)較深有關(guān)?？傮w上,河水日平均溫度持續(xù)升高,監(jiān)測時(shí)間內(nèi),河水最低溫度為0.7 ℃,最高溫度為2.4 ℃。

圖6 水溫與冰面光照度變化

5.2 系統(tǒng)形式和設(shè)計(jì)工況

2號(hào)能源站的總供熱面積為66.3萬m2,二期供熱面積為11.5萬m2。末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)參考青島地區(qū)室外設(shè)計(jì)參數(shù),如表1所示。末端用戶采用地面輻射供暖,設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度為20 ℃。根據(jù)表1及建筑實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),計(jì)算得到二期水源熱泵系統(tǒng)的制熱量為5 200 kW。

表1 青島地區(qū)室外設(shè)計(jì)參數(shù)

取水點(diǎn)位于祥茂河入?？诟浇?冬季最低水溫低于1 ℃,具有較高的結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn),因此選用間接換熱系統(tǒng),極寒工況下設(shè)計(jì)取水溫差為1.2 ℃,水源側(cè)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 水源熱泵設(shè)計(jì)參數(shù) ℃

5.3 系統(tǒng)主要設(shè)備配置

根據(jù)表1和表2,該項(xiàng)目選用2臺(tái)四機(jī)頭熱泵機(jī)組,熱泵機(jī)組的性能參數(shù)如表3所示。單臺(tái)機(jī)組蒸發(fā)器并聯(lián)、冷凝器串聯(lián),具體連接方式如圖7所示,間接換熱系統(tǒng)選用8臺(tái)換熱面積為200 m2的疏導(dǎo)式換熱器,使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%、常壓下冰點(diǎn)溫度為-11.4 ℃的乙二醇水溶液作為中間換熱工質(zhì),并配有1臺(tái)流量900 t/h、揚(yáng)程32 m、功率110 kW的中間泵,該水泵采用變頻控制。

表3 熱泵機(jī)組性能參數(shù)

圖7 能源站熱泵機(jī)組管路連接示意圖

從表2可知,該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工況較為惡劣,機(jī)組水源側(cè)的取熱溫差只有1.2 ℃,但在供暖初末期,當(dāng)?shù)厮臈l件較為良好,河水溫度一般為5～10 ℃,顯然,此時(shí)將取熱溫差設(shè)置為1.2 ℃是不合理的。因此,為了同時(shí)滿足供暖初末期和極寒天氣的水源側(cè)流量要求,該系統(tǒng)一期、二期共設(shè)置5臺(tái)流量800 t/h、揚(yáng)程50 m、功率160 kW的取水泵,四用一備,每臺(tái)水泵都設(shè)有獨(dú)立的變頻器,極寒天氣下備用泵也可以并聯(lián)投入運(yùn)行。供熱初末期,機(jī)組取熱量不大且水源溫度較高,可以設(shè)定2臺(tái)水泵30～40 Hz運(yùn)行,以避免水泵超電流損壞;極寒天氣下,機(jī)組取熱量大且水源溫度較低,此時(shí)可以使用5臺(tái)機(jī)組高頻運(yùn)行,以滿足末端用熱要求;其余時(shí)段,根據(jù)水源側(cè)溫度適當(dāng)調(diào)節(jié)水泵啟用數(shù)量和運(yùn)行頻率。

該系統(tǒng)引、退水采用地埋管路,總長度超過3 km,深埋及后期鋪平成本較高,且后續(xù)幾期工程即將投入建設(shè),為減少后期管網(wǎng)鋪設(shè)成本,一期工程鋪設(shè)的引、退水管路管徑均為DN1000。為避免管徑過大導(dǎo)致取水泵損壞,二期建設(shè)的水源熱泵系統(tǒng)啟用前預(yù)先設(shè)定變頻器最高運(yùn)行頻率為45 Hz。

5.4 極寒天氣實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

2號(hào)能源站2022年10月試運(yùn)行,迄今已穩(wěn)定工作1個(gè)供暖季。1月28日全天機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化如圖8～11所示,此時(shí)段內(nèi)河水流量穩(wěn)定在1 800 m3/h。

圖8 環(huán)境溫度與引、退水溫度變化

圖9 機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)、出水溫度變化

圖10 機(jī)組冷凝器進(jìn)、出水溫度變化

圖11 熱泵機(jī)組COP變化

圖8顯示,隨著環(huán)境溫度升高,河水溫度緩慢回升。在1月28日凌晨至次日正午時(shí)分,系統(tǒng)的退水溫度已經(jīng)接近0 ℃,引水溫度則長時(shí)間低于1 ℃,源側(cè)換熱溫差小于1 ℃,此工況超出常規(guī)水源熱泵機(jī)組的許用范圍,直接將此溫度的河水引入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器極易導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)冰,進(jìn)而凍裂換熱銅管,導(dǎo)致制冷劑泄漏,造成供熱事故。因此,極寒工況下采用間接換熱模式是必要的。

圖9顯示,機(jī)組的蒸發(fā)器出水溫度在-2 ℃左右,即中間系統(tǒng)的換熱溫差為2 ℃,與設(shè)計(jì)工況相匹配。河水流量略大于設(shè)計(jì)工況流量,可能是由于取水管管徑過大,阻力過小,即使水泵頻率設(shè)定在45 Hz,實(shí)際流量仍超出額定值,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低水泵頻率。監(jiān)測時(shí)間內(nèi),疏導(dǎo)式換熱器前后壓差恒定,未觀察到明顯的結(jié)冰現(xiàn)象。

圖10顯示了單臺(tái)機(jī)組2個(gè)冷凝器的進(jìn)、出水溫度,由于單臺(tái)機(jī)組的2個(gè)冷凝器串聯(lián),進(jìn)入第2臺(tái)冷凝器的回水即為第1臺(tái)機(jī)組的供水,末端系統(tǒng)的一級(jí)實(shí)際溫升為4 ℃左右,二級(jí)實(shí)際溫升為5 ℃左右,機(jī)組供水溫度設(shè)定為50 ℃,系統(tǒng)的供熱性能穩(wěn)定。

圖11顯示了1月28日全天熱泵機(jī)組的能效變化。如圖7所示,單臺(tái)熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器并聯(lián)、冷凝器串聯(lián),一級(jí)冷凝溫度設(shè)定為43 ℃,二級(jí)冷凝溫度設(shè)定為50 ℃。從圖11可以看出:由于蒸發(fā)溫度相同,冷凝溫度較低的一級(jí)壓縮機(jī)性能系數(shù)COP1較高,為3.9左右;冷凝溫度較高的二級(jí)壓縮機(jī)性能系數(shù)COP2相對(duì)較低,為3.3左右;當(dāng)日機(jī)組的整體運(yùn)行工況良好,綜合COP為3.6左右,極寒天氣下水源熱泵機(jī)組仍具有較高的運(yùn)行能效,運(yùn)行成本相較于空氣源熱泵機(jī)組有明顯優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論

北方寒冷地區(qū)冬季湖水、海水溫度普遍低于2 ℃,使用地表水地源熱泵供熱時(shí)極易發(fā)生取熱溫差過小機(jī)組無法運(yùn)行與機(jī)組結(jié)冰管道凍裂問題,這在一定程度上限制了水源熱泵在我國的推廣。為解決此類問題,本文分析了寒冷地區(qū)的水資源特性,給出了湖水、河水蓄熱量計(jì)算公式,從系統(tǒng)連接形式、系統(tǒng)運(yùn)行工況和主要設(shè)備配置等方面對(duì)水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,以期進(jìn)一步拓展高效節(jié)能的水源熱泵機(jī)組在北方地區(qū)的應(yīng)用。

由于冰蓋影響,寒冷地區(qū)冬季河湖水及海水溫度普遍低于5 ℃,部分時(shí)段低于2 ℃,熱泵機(jī)組與水源側(cè)直接連接極易導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)冰損壞,建議采用間接連接,使用壁厚大于2 mm的殼管式或疏導(dǎo)式換熱器作為中間換熱器,中間換熱工質(zhì)可以選用冰點(diǎn)較低的載冷劑。

供熱初末期與供熱中期水溫波動(dòng)較大,為保證機(jī)組低水溫時(shí)的流量要求,源側(cè)管網(wǎng)管徑與循環(huán)泵功率需要匹配極端工況,預(yù)測極端天氣末端用熱量,并確保最大流量滿足1 ℃溫差的取熱要求;由于管徑較大,設(shè)計(jì)泵站時(shí)應(yīng)采用多臺(tái)同型號(hào)取水泵并聯(lián),水泵變頻運(yùn)行,并根據(jù)水泵特性曲線設(shè)定最高安全運(yùn)行頻率,設(shè)計(jì)泵站時(shí)取水點(diǎn)應(yīng)注意避免結(jié)冰與產(chǎn)生冰凌。

對(duì)高新區(qū)水源熱泵供熱項(xiàng)目的研究表明,冬季水體溫度受太陽輻射影響明顯,正午時(shí)分水溫較高,凌晨時(shí)分水溫較低;1月28日凌晨引、退水管路的退水溫度為0 ℃左右,此時(shí)換熱器阻力恒定,未發(fā)生結(jié)冰堵塞現(xiàn)象;源側(cè)取熱溫差為0.9 ℃、流量為1 800 m3/h時(shí),可以滿足2臺(tái)單臺(tái)制熱量2 600 kW水源熱泵機(jī)組的取熱要求。優(yōu)化后的水源熱泵系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,可以在北方寒冷地區(qū)推廣和應(yīng)用。