关于高原河谷地区地下水源热泵供暖系统设备选配及优化运行的研究

作者：张毅

     青藏高原地区是我国太阳辐射量最高的地区，太阳能资源可利用率居全国之首，地表土壤和水体能收集47 %的太阳辐射能，青藏高原地区蕴含丰富的地热资源。

  地下水源热泵系统是指利用地下水所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换，为用户供冷或供暖的空调系统形式。热泵系统运行效率高，性能系数可达3.0以上。文献[5]认为青藏高原地区地下水源热泵系统应用存在大量适宜区和较适宜区。文献[1]将地下水源热泵应用于西藏地区旧房加装采暖系统，并认为是适宜的。

  西藏地区于2001年首次将深井水源热泵机组系统用于拉萨市，与燃油锅炉供暖系统相比，运行费用较低，供水温度为65℃时，增量投资回收期为4.7 a，经济优势显著。文献[9]对高原地区“低温水源热泵机组+散热器”、“低温水源热泵机组+地板辐射”、“燃油锅炉+散热器”和“低空气源热泵机组+地板辐射”4种采暖方案进行了对比，发现“低温水源热泵机组+地板辐射”这一方案的一次能源利用率最高，为0. 995，系统制热系数HSPF也最高，为3. 504。

  目前，地下水源热泵系统采暖在高原地区已有不少应用，但形成文献较少。笔者认为目前所见文献存在将机组COP作为定值考虑和系统运行时未进行优化等不足，所得结论可作为高原地区地下水源热泵系统的应用参考，但理论上缺乏准确度和说服力。

  本文以青藏高原地区马尔康中学为例，考虑采暖负荷逐时变化和机组COP随负荷率的变化，对高原河谷地区地下水源热泵供暖系统的机组配置和运行进行优化，为高原河谷地区地下水源热泵供暖系统的应用提供更加可靠的参考。

1  工程概况

  马尔康县位于四川省北部，青藏高原东部，属川西北丘状高原山地地区。马尔康中学位于紧邻梭磨河的左岸河谷，占地面积20 000m2，主体建筑有科艺楼、教学楼、实验楼、教师宿舍和学生宿舍等。其中科艺楼5 400 m2，男生宿舍2 500 m2，女生宿舍3000 m2，食堂2 000 m2，教师宿舍9 600 m2，教学楼5760 m2，实验楼2 880 m2，总建筑面积31 140 m2。工程所在地年平均气温8—9℃，2004~2013年多年平均降水量801.9 mm。项目区地下水类型为松散岩类孔隙潜水，是较具代表性的高原河谷地区。

2  工程热负荷

考虑到该供暖系统在寒假期间（以2015年为例，寒假为1月10日~次年3月1日）不运行，用DeST对本工程各建筑热负荷进行模拟计算，并进行逐时叠加，得到供暖逐时热负荷变化如图1。

  本项目年供暖时间为2 016 h，总热负荷为1420  102. 12 kW．h．最大值为2 838. 54 kW，最大热负荷密度为91. 15 W／m2。

3  地下水源热泵的适宜性

  项目工程区主要含水层渗透系数为36. 69~41.09 m/d，单井出水量为615.90 m3/d，地下水温度为10℃。地下水指标（pH值、Ca0、矿化度、Cl-、SO。2、水样含砂量等）均满足DB 51/5067《四川省地源热泵系统工程技术实施细则》规范要求，不含侵蚀性CO2，适宜供热工程建设。

  工程所在地属高原亚寒带气候区，供暖时间长，且年用热量较大。此外，本项目方便建设供暖机房和铺设热水输配管道，热负荷密度较高。因此，本项目符合集中供暖系统的应用条件。

4  供热系统形式

  马尔康地区夏季无供冷需求，冬季11月至次年3月15日需供暖。冬季室外供暖计算温度-10℃，室内空调设计温度18~24℃，相对湿度30%~60%。

  由于学校使用功能的特殊性，各功能区供暖时间交错，同时使用系数取0.6，系统供热季设计日最大热负荷为1703. 12 kW。设计蒸发器进水温度10℃，冷凝器出水温度47℃。

  螺杆式热泵机组具有重量轻、体积小、结构简单、运转可靠、振动噪声小、维护简便等优点，成为热泵机组的主流之一，本项目以地下水为热源，采用螺杆式热泵系统进行区域供暖。

5  热泵机组选型及运行优化

搜集了目前应用较多的某厂家的一系列螺杆式水热泵机组样本参数，如表1所示。

5.1  热泵机组模型

  建筑热负荷是动态变化的，供热工况下热泵机组在大部分时间会处于部分负荷率下运行，而螺杆机组在高负载率时能效很高，低负载率时，能效较低。因此，找出机组COP在不同负荷率下的运行规律，对冷热源系统运行优化起着至关重要的作用。

文献[15]对某型号的螺杆热泵机组样本参数进行拟合，并通过工程应用中的实测数据验证结果的准确性；文献[16]在文献[15]的基础上，分别针对机组特定负荷率、冷却水进出水温度、蒸发器进出水温度等参数对该类机组运行特性进行拟合，得出螺杆式热泵机组性能的“通用模型”，并用文献[15]中的实测数据进行验证，认为所得模型具有较高精度。本文所研究的四个型号的热泵机组与文献[ 15-16]中的机组为同一厂家的同一系列，运行特性基本一致。结合样本参数，对文献[16]所得模型进行修正，从而得出式(1)~式(5)。

式中：COP。为基础性能系数，额定蒸发器及冷凝器水温工况下，机组COP随负荷率变化的特性曲线；∈为不同热泵机组COP。的修正系数；COPb，。为机组额定工况下的COP; COP。．。为占=1时COPb的值；￡为机组负荷率；妒。．。为冷凝器水温修正系数；妒。，。为蒸发器水温修正系数；t。、tc.o分别为蒸发器进水和冷凝器出水温度，aC。

5.2  热泵机组运行特性分析

以型号为130A的热泵机组为例，根据机组模型描绘蒸发器进水、冷凝器出水温度变化时机组COP随负荷率变化曲线如图2和图3所示。

  由图2和图3，机组在制热工况下满负荷运行时，在一定温度范围内，蒸发器进水温度每升高1℃，相应机组COP值增大0.072，增幅为1.78%；冷凝器出水温度每降低1℃，相应机组COP值升高0. 11，增幅为2.88 %。

对不同型号机组的性能进行比对分析，得到标准制热工况下机组性能曲线如图4所示。

  由图4可知，机组性能曲线表现为骤升一缓和一平滑三段，高效区负载率范围约为0.6—1，机组负荷率低于0.4时，机组COP迅速下降；随机组容量的增加，各机组COP略有增加。在满载运行时，容量最大的400A型号机组比最小的130A机组COP高0.170，增幅为4.28%。

5.3  机组的选配及运行优化

以机组运行时COP的高低作为选配及运行策略优化的依据。该系列机组单台运行时，COP在不同热负荷要求下的变化曲线，如图5所示。

  可以看出，除热负荷为275~525 kW的这一区间外，机组始终是小容量机组优选顺序靠前，即：130A优先于200A优先于300A优先于400A。此顺序也应为机组组合运行时的优先开启顺序。

考虑到避免机组频繁启停，且在较小负荷下( <275 kW)时，130A效率更高，因此，选型时优先选择130A机组与较大容量机组相组合。不同机组相互组合的冷热源系统COP在不同热负荷下的变化情况如图6所示。

  由图6，若按照COP最高选择机组配置，则应选配130A、300A和400A机组各一台。然而，这不仅增加了初投资，400A机组也会存在较大的闲置率。因此，结合图6，机组选型为130A和300A机组各一台组合供热，开启策略为：热负荷在0~ 525 kW时130A机组开启，525—1 161 kW时300A机组开启，1161—1 703. 12  kW时130A和300A机组同时开

启。效比COP一一对应，并存在E=Q/COP的关系。再结合以上机组配置及运行策略，可得到制热季机组逐时能耗，如图7。

  可得全年供热工况下冷热源机组的逐时能耗最大值为623. 25 kW，总能耗为247 957. 82 kW -h。从而可得整个供热季的冷热源系统能效比为3. 44。

7  与燃气锅炉系统的比较

  上文已计算热泵系统机组能耗，简便起见，两种系统相同部分的能耗不再分析，本部分只对燃气锅炉能耗、地下水源热泵输配系统源水侧一次泵和用户侧环状干管循环水泵能耗进行分析计算。

7.1  地下水源热泵系统的输配能耗

  本工程地下水源热泵系统如图8所示。地下水取水泵位于-30 m，与热泵机组一机对一泵，联动控制（两用一备）。

冬季供热工况下，所需水流量、水泵选型可通过式(6)~式(9)计算。

式中：G，为供热所需地下水流量，m3/h；Q，为建筑物热负荷，kW;Ⅳ为水源热泵机组电功率，kW; tr,i。，t…。．为供暖季机组进水和出水温度，℃，冬季地下水取回水温差为6℃。

式中：日为水泵扬程，m；△P为水泵压力，Pa；p为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；△H为水泵抽水高差，m；1.1~1.2为安全系数，此处取1.1。

水泵轴功率N：和电机功率Ⅳ。可以通过式(8)和式(9)计算。

式中：Ⅳ：为水泵轴功率，W;η为水泵效率，当Ⅳ：≤22 kW，可取0.8，22<Ⅳ：≤55 kW时，77=0.87，Ⅳ：>55 kW，η=1.00。其他参数含义同前。

式中：Ⅳ。为电机功率，kW;K为电机功率安全系数，取1.1；η。为电机效率，取0. 98。

根据水泵的相似性定律，当水泵转速n改变时，水泵轴功率Nz与其流量G三次方成正比，如式(10)。

结合以上公式，得出输配系统相关参数如表2。

7.2  常规燃气锅炉能耗

高层住宅、公共建筑和商业建筑应优先采用模块式燃气锅炉分散供暖，考虑到本项目各建筑的性质，将本项目分为食堂、学生宿舍、实验楼和科艺楼、教学楼、教师宿舍五个地块，进行多建筑物分散采暖。各地块热负荷、锅炉容量及耗气量（本地天然气低位热值取36 442 kj/m3，锅炉效率取0.9）如表3所示。

7.3  运行费用及增量投资回收期

天然气和电的价格按当地现行价格2. 44元／II13和0. 8224元/kW．h计算。年运行费用计算如表4。

  不考虑末端设备，与燃气锅炉系统相比，地下水源热泵系统年运行费用节约18. 31%。燃气锅炉与地下水源热泵系统初投资估算分别为107万元和146万元，后者较前者投资增量为39万元，约36. 45%，增量投资回收期为39÷4. 88=7.79 a。

8  小结

  1)本高原河谷地区项目地下水取水条件较好，温度稳定，水质指标满足地源热泵的技术要求；有条件建设区域供热机房和铺设热水输配管道，热负荷密度较高，年用热量大。应用地下水源热泵系统进行区域供热是适宜的。

  2)制热工况下，螺杆机组COP随蒸发器进水温度的升高而升高，随冷凝器出水温度的降低而升高，后者增幅略大于前者；机组高效区负载率范围约在0.6~1；随额定功率的增加，各机组COP略有增加。

  3)以不同热泵机组组合的COP大小作为主要依据，运行优化之后的冷热源整个供热季的系统能效比为3. 44。

  4)不考虑末端设备时，与传统燃气锅炉系统相比，高原河谷地区地下水热泵系统初投资估算值高出约36. 45 %，运行费用节约率为18. 31%，投资增量回收期为7. 79 a。

   9[摘要]为了将地下水源热泵系统应用于高原河谷地区，分析某高原河谷地区的地勘资料，认为利用地下水源热泵系统区域供热是适宜的。考虑采暖负荷逐时变化和机组COP随负荷率的变化，对高原河谷地区地下水源热泵供暖系统的机组配置和运行进行优化，使得系统供热季能效比达到3. 44。均不考虑末端设备时，与传统燃气锅炉供暖系统相比，该高原河谷地区地下水源热泵系统初投资增量为36. 45%，年运行费用节约18. 31%，投资增量回收期为7.79 a。该成果对高原河谷地区应用地下水源热泵系统采暖具有一定的参考价值和指导意义。