地?zé)崴詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案差異性分析

蘆 巖，林 輝，田雨辰，田 亮，竹巧艷

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051；2.天津大學(xué) 仁愛學(xué)院，天津 300051)

1 概述

隨著清潔供熱的大力推廣以及環(huán)保要求的不斷提高，地?zé)峁嵩絹碓绞艿街匾暎绕涫窃谖覈A北地?zé)豳Y源較豐富的地區(qū)。

本文介紹地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、工藝流程、運(yùn)行策略，建立供暖期系統(tǒng)能效比的計(jì)算模型。結(jié)合算例，在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式下，對兩種地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)的供暖期系統(tǒng)能效比進(jìn)行對比計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)方案

地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)以梯級利用地?zé)崴疅崃繛樵瓌t，采取地?zé)崴苯庸崤c熱泵機(jī)組利用地?zé)嵛菜酂岬墓嵯到y(tǒng)。根據(jù)供熱循環(huán)泵的設(shè)置位置，地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)通常分為兩種設(shè)計(jì)方案：方案1：制熱設(shè)備(換熱器、熱泵機(jī)組)與供熱循環(huán)泵采取一機(jī)一泵的固定設(shè)置(見圖1)。方案2：供熱循環(huán)泵集中并聯(lián)設(shè)置(見圖2)。對于方案1、2，地?zé)崴鸺壛鹘?jīng)地?zé)崴畵Q熱器1～3。

圖1 方案1系統(tǒng)流程1～3.地?zé)崴畵Q熱器 4、5.中間循環(huán)泵 6、7.熱泵機(jī)組 8～10.供熱循環(huán)泵 11.潛水泵

① 方案1的運(yùn)行策略

由圖1可知，方案1的供熱循環(huán)泵與制熱設(shè)備對應(yīng)關(guān)系固定，啟用某臺制熱設(shè)備時(shí)必須啟用相應(yīng)的供熱循環(huán)泵。當(dāng)供暖熱負(fù)荷小于地?zé)崴畵Q熱器1的供熱能力時(shí)，啟用地?zé)崴畵Q熱器1與供熱循環(huán)泵8。當(dāng)供暖熱負(fù)荷大于地?zé)崴畵Q熱器1的供熱能力且小于地?zé)崴畵Q熱器1與熱泵機(jī)組6的供熱能力之和時(shí)，啟用地?zé)崴畵Q熱器1、地?zé)崴畵Q熱器2、熱泵機(jī)組6與供熱循環(huán)泵8、9。供暖熱負(fù)荷繼續(xù)增加，最終將地?zé)崴畵Q熱器1～3、熱泵機(jī)組6、7以及供熱循環(huán)泵8～10全部啟用。

② 方案2的運(yùn)行策略

方案2的運(yùn)行策略與方案1類似。由圖2可知，由于供熱循環(huán)泵集中并聯(lián)設(shè)置，供熱循環(huán)泵與制熱設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系相對松散，因此制熱設(shè)備與供熱循環(huán)泵的匹配更加靈活。

圖2 方案2系統(tǒng)流程1～3.地?zé)崴畵Q熱器 4、5.中間循環(huán)泵 6、7.熱泵機(jī)組 8～10.供熱循環(huán)泵 11.潛水泵

3 供暖期系統(tǒng)能效比計(jì)算

3.1 計(jì)算流程

計(jì)算流程見圖3。

圖3 計(jì)算流程

3.2 關(guān)鍵計(jì)算內(nèi)容

① 分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方程組

分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方程組為[1]：

θw=θn-η(θn-θw,d)

Δθs,d=0.5(θg,d+θh,d-2θn)

Δθd=θg，d-Δθh,d

式中η——負(fù)荷率

Φ、Φd——實(shí)際、設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW

θw——室外溫度，℃

θn——供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃

θw,d——供暖室外計(jì)算溫度，℃

qr——相對質(zhì)量流量

qm、qm,d——實(shí)際、設(shè)計(jì)質(zhì)量流量，t/h

θg、θh——實(shí)際供、回水溫度，℃

Δθs,d——設(shè)計(jì)工況散熱設(shè)備過余溫度，℃

b——散熱設(shè)備散熱特性系數(shù)，地面輻射供暖系統(tǒng)取1.05

Δθd——供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)供回水溫差，℃

θg,d、θh,d——供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)供、回水溫度，℃

② 供暖期系統(tǒng)能效比

供暖期系統(tǒng)能效比ISEER的計(jì)算式為：

式中ISEER——供暖期系統(tǒng)能效比

Qtot——供暖期系統(tǒng)總供熱量，kW·h

Etot——供暖期系統(tǒng)耗電量，kW·h

Pi——第i種負(fù)荷率的系統(tǒng)耗電功率，kW

ti——第i種負(fù)荷率的延續(xù)時(shí)間，h

③ 熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的熱泵機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線，可以得到部分負(fù)荷條件下，額定出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組6的制熱性能系數(shù)Ir,6的擬合式為：

Ir,6=1 343.2γ6-4 615γ5+6 211.6γ4-

4 112.1γ3+1 365γ2-203.3γ+16.442

式中Ir,6——部分負(fù)荷條件下，額定出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組6的制熱性能系數(shù)

γ——熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率

部分負(fù)荷條件下，額定出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組7的制熱性能系數(shù)Ir,7的擬合式為：

Ir,7=314.35γ6-1 154.2γ5+1 623.7γ4-

1 069.8γ3+312.82γ2-24.962γ+3.033 9

式中Ir,7——部分負(fù)荷條件下，額定出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組7的制熱性能系數(shù)

部分負(fù)荷條件下，實(shí)際出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)I的計(jì)算式為：

式中I——部分負(fù)荷條件下，實(shí)際出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)

Ir——部分負(fù)荷條件下，額定出水溫度時(shí)熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)

θd、θ——部分負(fù)荷條件下，熱泵機(jī)組額定出水溫度、實(shí)際出水溫度，℃

β——制熱性能系數(shù)變化率，K-1，本文取2.21 K-1[2]

4 算例

4.1 設(shè)定條件

由系統(tǒng)工藝流程及運(yùn)行策略可知，分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式更加適合地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)。以天津地區(qū)作為研究對象，供暖期按當(dāng)?shù)鼗菝裾邽?51 d，當(dāng)年11月1日至次年3月31日。地?zé)峋鏊疁囟葹?0 ℃，采水量為80 t/h，設(shè)計(jì)回灌溫度為10 ℃。用戶室內(nèi)采用地面輻射供暖系統(tǒng)，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，設(shè)計(jì)供、回水溫度為50、40 ℃。

① 設(shè)備配置

方案1、2的設(shè)備配置情況一致，地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)設(shè)備額定參數(shù)見表1。

表1 地?zé)狁詈蠠岜霉嵯到y(tǒng)設(shè)備額定參數(shù)

② 氣象參數(shù)

逐時(shí)氣象參數(shù)采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中天津市典型氣象年中11月1日至次年3月31日的逐時(shí)室外干球溫度。

③ 熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間

設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為7 383.6 kW。不同負(fù)荷率的持續(xù)時(shí)間、室外溫度見表2。

表2 不同負(fù)荷率的持續(xù)時(shí)間、室外溫度

④ 供熱調(diào)節(jié)曲線

方案1、2的供熱調(diào)節(jié)曲線一致，見圖4。供暖期分為3個(gè)階段：室外溫度大于7.85 ℃時(shí)僅需啟用供熱循環(huán)泵8。室外溫度小于等于7.85 ℃且大于-0.25 ℃時(shí)，啟用供熱循環(huán)泵8、9。室外溫度小于等于-0.25 ℃時(shí)，啟用供熱循環(huán)泵8～10。在每個(gè)階段內(nèi)進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。

圖4 供熱調(diào)節(jié)曲線

4.2 計(jì)算結(jié)果

① 供熱設(shè)備運(yùn)行情況

雖然供熱調(diào)節(jié)曲線相同，但計(jì)算結(jié)果顯示兩種系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)存在著差異。供暖期方案1、2設(shè)備啟用情況分別見表3、4。由表3、4可知，在分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式下，方案2可以靈活匹配制熱設(shè)備與供熱循環(huán)泵，單獨(dú)運(yùn)行地?zé)崴畵Q熱器1的時(shí)間比方案1長655 h，縮短了熱泵機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間。

表3 供暖期方案1設(shè)備啟用情況

表4 供暖期方案2設(shè)備啟用情況

② 供暖期系統(tǒng)能效比

由計(jì)算結(jié)果可知，方案1、2的供暖期系統(tǒng)能效比分別為9.20、10.03。與方案1相比，方案2的供暖期系統(tǒng)能效比提高9%。主要原因?yàn)楣崃肯嗤那疤嵯?，方?縮短了熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

5 結(jié)論

① 與方案1相比，由于方案2的供熱循環(huán)泵集中并聯(lián)設(shè)置，供熱循環(huán)泵與制熱設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系相對松散，制熱設(shè)備與供熱循環(huán)泵的匹配更加靈活。

② 方案1、2的供暖期系統(tǒng)能效比分別為9.20、10.03。與方案1相比，方案2的供暖期系統(tǒng)能效比提高9%。