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作者：張毅

     青藏高原地區(qū)是我國太陽輻射量最高的地區(qū)，太陽能資源可利用率居全國之首，地表土壤和水體能收集47 %的太陽輻射能，青藏高原地區(qū)蘊含豐富的地?zé)豳Y源。

  地下水源熱泵系統(tǒng)是指利用地下水所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換，為用戶供冷或供暖的空調(diào)系統(tǒng)形式。熱泵系統(tǒng)運行效率高，性能系數(shù)可達3.0以上。文獻[5]認(rèn)為青藏高原地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用存在大量適宜區(qū)和較適宜區(qū)。文獻[1]將地下水源熱泵應(yīng)用于西藏地區(qū)舊房加裝采暖系統(tǒng)，并認(rèn)為是適宜的。

  西藏地區(qū)于2001年首次將深井水源熱泵機組系統(tǒng)用于拉薩市，與燃油鍋爐供暖系統(tǒng)相比，運行費用較低，供水溫度為65℃時，增量投資回收期為4.7 a，經(jīng)濟優(yōu)勢顯著。文獻[9]對高原地區(qū)“低溫水源熱泵機組+散熱器”、“低溫水源熱泵機組+地板輻射”、“燃油鍋爐+散熱器”和“低空氣源熱泵機組+地板輻射”4種采暖方案進行了對比，發(fā)現(xiàn)“低溫水源熱泵機組+地板輻射”這一方案的一次能源利用率最高，為0. 995，系統(tǒng)制熱系數(shù)HSPF也最高，為3. 504。

  目前，地下水源熱泵系統(tǒng)采暖在高原地區(qū)已有不少應(yīng)用，但形成文獻較少。筆者認(rèn)為目前所見文獻存在將機組COP作為定值考慮和系統(tǒng)運行時未進行優(yōu)化等不足，所得結(jié)論可作為高原地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用參考，但理論上缺乏準(zhǔn)確度和說服力。

  本文以青藏高原地區(qū)馬爾康中學(xué)為例，考慮采暖負(fù)荷逐時變化和機組COP隨負(fù)荷率的變化，對高原河谷地區(qū)地下水源熱泵供暖系統(tǒng)的機組配置和運行進行優(yōu)化，為高原河谷地區(qū)地下水源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用提供更加可靠的參考。

1  工程概況

  馬爾康縣位于四川省北部，青藏高原東部，屬川西北丘狀高原山地地區(qū)。馬爾康中學(xué)位于緊鄰梭磨河的左岸河谷，占地面積20 000m2，主體建筑有科藝樓、教學(xué)樓、實驗樓、教師宿舍和學(xué)生宿舍等。其中科藝樓5 400 m2，男生宿舍2 500 m2，女生宿舍3000 m2，食堂2 000 m2，教師宿舍9 600 m2，教學(xué)樓5760 m2，實驗樓2 880 m2，總建筑面積31 140 m2。工程所在地年平均氣溫8—9℃，2004~2013年多年平均降水量801.9 mm。項目區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙潛水，是較具代表性的高原河谷地區(qū)。

2  工程熱負(fù)荷

考慮到該供暖系統(tǒng)在寒假期間（以2015年為例，寒假為1月10日~次年3月1日）不運行，用DeST對本工程各建筑熱負(fù)荷進行模擬計算，并進行逐時疊加，得到供暖逐時熱負(fù)荷變化如圖1。

  本項目年供暖時間為2 016 h，總熱負(fù)荷為1420  102. 12 kW．h．最大值為2 838. 54 kW，最大熱負(fù)荷密度為91. 15 W／m2。

3  地下水源熱泵的適宜性

  項目工程區(qū)主要含水層滲透系數(shù)為36. 69~41.09 m/d，單井出水量為615.90 m3/d，地下水溫度為10℃。地下水指標(biāo)（pH值、Ca0、礦化度、Cl-、SO。2、水樣含砂量等）均滿足DB 51/5067《四川省地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)實施細(xì)則》規(guī)范要求，不含侵蝕性CO2，適宜供熱工程建設(shè)。

  工程所在地屬高原亞寒帶氣候區(qū)，供暖時間長，且年用熱量較大。此外，本項目方便建設(shè)供暖機房和鋪設(shè)熱水輸配管道，熱負(fù)荷密度較高。因此，本項目符合集中供暖系統(tǒng)的應(yīng)用條件。

4  供熱系統(tǒng)形式

  馬爾康地區(qū)夏季無供冷需求，冬季11月至次年3月15日需供暖。冬季室外供暖計算溫度-10℃，室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度18~24℃，相對濕度30%~60%。

  由于學(xué)校使用功能的特殊性，各功能區(qū)供暖時間交錯，同時使用系數(shù)取0.6，系統(tǒng)供熱季設(shè)計日最大熱負(fù)荷為1703. 12 kW。設(shè)計蒸發(fā)器進水溫度10℃，冷凝器出水溫度47℃。

  螺桿式熱泵機組具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠、振動噪聲小、維護簡便等優(yōu)點，成為熱泵機組的主流之一，本項目以地下水為熱源，采用螺桿式熱泵系統(tǒng)進行區(qū)域供暖。

5  熱泵機組選型及運行優(yōu)化

搜集了目前應(yīng)用較多的某廠家的一系列螺桿式水熱泵機組樣本參數(shù)，如表1所示。

5.1  熱泵機組模型

  建筑熱負(fù)荷是動態(tài)變化的，供熱工況下熱泵機組在大部分時間會處于部分負(fù)荷率下運行，而螺桿機組在高負(fù)載率時能效很高，低負(fù)載率時，能效較低。因此，找出機組COP在不同負(fù)荷率下的運行規(guī)律，對冷熱源系統(tǒng)運行優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。

文獻[15]對某型號的螺桿熱泵機組樣本參數(shù)進行擬合，并通過工程應(yīng)用中的實測數(shù)據(jù)驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性；文獻[16]在文獻[15]的基礎(chǔ)上，分別針對機組特定負(fù)荷率、冷卻水進出水溫度、蒸發(fā)器進出水溫度等參數(shù)對該類機組運行特性進行擬合，得出螺桿式熱泵機組性能的“通用模型”，并用文獻[15]中的實測數(shù)據(jù)進行驗證，認(rèn)為所得模型具有較高精度。本文所研究的四個型號的熱泵機組與文獻[ 15-16]中的機組為同一廠家的同一系列，運行特性基本一致。結(jié)合樣本參數(shù)，對文獻[16]所得模型進行修正，從而得出式(1)~式(5)。

式中：COP。為基礎(chǔ)性能系數(shù)，額定蒸發(fā)器及冷凝器水溫工況下，機組COP隨負(fù)荷率變化的特性曲線；∈為不同熱泵機組COP。的修正系數(shù)；COPb，。為機組額定工況下的COP; COP。．。為占=1時COPb的值；￡為機組負(fù)荷率；妒。．。為冷凝器水溫修正系數(shù)；妒。，。為蒸發(fā)器水溫修正系數(shù)；t。、tc.o分別為蒸發(fā)器進水和冷凝器出水溫度，aC。

5.2  熱泵機組運行特性分析

以型號為130A的熱泵機組為例，根據(jù)機組模型描繪蒸發(fā)器進水、冷凝器出水溫度變化時機組COP隨負(fù)荷率變化曲線如圖2和圖3所示。

  由圖2和圖3，機組在制熱工況下滿負(fù)荷運行時，在一定溫度范圍內(nèi)，蒸發(fā)器進水溫度每升高1℃，相應(yīng)機組COP值增大0.072，增幅為1.78%；冷凝器出水溫度每降低1℃，相應(yīng)機組COP值升高0. 11，增幅為2.88 %。

對不同型號機組的性能進行比對分析，得到標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下機組性能曲線如圖4所示。

  由圖4可知，機組性能曲線表現(xiàn)為驟升一緩和一平滑三段，高效區(qū)負(fù)載率范圍約為0.6—1，機組負(fù)荷率低于0.4時，機組COP迅速下降；隨機組容量的增加，各機組COP略有增加。在滿載運行時，容量最大的400A型號機組比最小的130A機組COP高0.170，增幅為4.28%。

5.3  機組的選配及運行優(yōu)化

以機組運行時COP的高低作為選配及運行策略優(yōu)化的依據(jù)。該系列機組單臺運行時，COP在不同熱負(fù)荷要求下的變化曲線，如圖5所示。

  可以看出，除熱負(fù)荷為275~525 kW的這一區(qū)間外，機組始終是小容量機組優(yōu)選順序靠前，即：130A優(yōu)先于200A優(yōu)先于300A優(yōu)先于400A。此順序也應(yīng)為機組組合運行時的優(yōu)先開啟順序。

考慮到避免機組頻繁啟停，且在較小負(fù)荷下( <275 kW)時，130A效率更高，因此，選型時優(yōu)先選擇130A機組與較大容量機組相組合。不同機組相互組合的冷熱源系統(tǒng)COP在不同熱負(fù)荷下的變化情況如圖6所示。

  由圖6，若按照COP最高選擇機組配置，則應(yīng)選配130A、300A和400A機組各一臺。然而，這不僅增加了初投資，400A機組也會存在較大的閑置率。因此，結(jié)合圖6，機組選型為130A和300A機組各一臺組合供熱，開啟策略為：熱負(fù)荷在0~ 525 kW時130A機組開啟，525—1 161 kW時300A機組開啟，1161—1 703. 12  kW時130A和300A機組同時開

啟。效比COP一一對應(yīng)，并存在E=Q/COP的關(guān)系。再結(jié)合以上機組配置及運行策略，可得到制熱季機組逐時能耗，如圖7。

  可得全年供熱工況下冷熱源機組的逐時能耗最大值為623. 25 kW，總能耗為247 957. 82 kW -h。從而可得整個供熱季的冷熱源系統(tǒng)能效比為3. 44。

7  與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的比較

  上文已計算熱泵系統(tǒng)機組能耗，簡便起見，兩種系統(tǒng)相同部分的能耗不再分析，本部分只對燃?xì)忮仩t能耗、地下水源熱泵輸配系統(tǒng)源水側(cè)一次泵和用戶側(cè)環(huán)狀干管循環(huán)水泵能耗進行分析計算。

7.1  地下水源熱泵系統(tǒng)的輸配能耗

  本工程地下水源熱泵系統(tǒng)如圖8所示。地下水取水泵位于-30 m，與熱泵機組一機對一泵，聯(lián)動控制（兩用一備）。

冬季供熱工況下，所需水流量、水泵選型可通過式(6)~式(9)計算。

式中：G，為供熱所需地下水流量，m3/h；Q，為建筑物熱負(fù)荷，kW;Ⅳ為水源熱泵機組電功率，kW; tr,i。，t…。．為供暖季機組進水和出水溫度，℃，冬季地下水取回水溫差為6℃。

式中：日為水泵揚程，m；△P為水泵壓力，Pa；p為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；△H為水泵抽水高差，m；1.1~1.2為安全系數(shù)，此處取1.1。

水泵軸功率N：和電機功率Ⅳ�？梢酝ㄟ^式(8)和式(9)計算。

式中：Ⅳ：為水泵軸功率，W;η為水泵效率，當(dāng)Ⅳ：≤22 kW，可取0.8，22<Ⅳ：≤55 kW時，77=0.87，Ⅳ：>55 kW，η=1.00。其他參數(shù)含義同前。

式中：Ⅳ。為電機功率，kW;K為電機功率安全系數(shù)，取1.1；η。為電機效率，取0. 98。

根據(jù)水泵的相似性定律，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速n改變時，水泵軸功率Nz與其流量G三次方成正比，如式(10)。

結(jié)合以上公式，得出輸配系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表2。

7.2  常規(guī)燃?xì)忮仩t能耗

高層住宅、公共建筑和商業(yè)建筑應(yīng)優(yōu)先采用模塊式燃?xì)忮仩t分散供暖，考慮到本項目各建筑的性質(zhì)，將本項目分為食堂、學(xué)生宿舍、實驗樓和科藝樓、教學(xué)樓、教師宿舍五個地塊，進行多建筑物分散采暖。各地塊熱負(fù)荷、鍋爐容量及耗氣量（本地天然氣低位熱值取36 442 kj/m3，鍋爐效率取0.9）如表3所示。

7.3  運行費用及增量投資回收期

天然氣和電的價格按當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行價格2. 44元／II13和0. 8224元/kW．h計算。年運行費用計算如表4。

  不考慮末端設(shè)備，與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，地下水源熱泵系統(tǒng)年運行費用節(jié)約18. 31%。燃?xì)忮仩t與地下水源熱泵系統(tǒng)初投資估算分別為107萬元和146萬元，后者較前者投資增量為39萬元，約36. 45%，增量投資回收期為39÷4. 88=7.79 a。

8  小結(jié)

  1)本高原河谷地區(qū)項目地下水取水條件較好，溫度穩(wěn)定，水質(zhì)指標(biāo)滿足地源熱泵的技術(shù)要求；有條件建設(shè)區(qū)域供熱機房和鋪設(shè)熱水輸配管道，熱負(fù)荷密度較高，年用熱量大。應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)進行區(qū)域供熱是適宜的。

  2)制熱工況下，螺桿機組COP隨蒸發(fā)器進水溫度的升高而升高，隨冷凝器出水溫度的降低而升高，后者增幅略大于前者；機組高效區(qū)負(fù)載率范圍約在0.6~1；隨額定功率的增加，各機組COP略有增加。

  3)以不同熱泵機組組合的COP大小作為主要依據(jù)，運行優(yōu)化之后的冷熱源整個供熱季的系統(tǒng)能效比為3. 44。

  4)不考慮末端設(shè)備時，與傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，高原河谷地區(qū)地下水熱泵系統(tǒng)初投資估算值高出約36. 45 %，運行費用節(jié)約率為18. 31%，投資增量回收期為7. 79 a。

   9[摘要]為了將地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于高原河谷地區(qū)，分析某高原河谷地區(qū)的地勘資料，認(rèn)為利用地下水源熱泵系統(tǒng)區(qū)域供熱是適宜的�？紤]采暖負(fù)荷逐時變化和機組COP隨負(fù)荷率的變化，對高原河谷地區(qū)地下水源熱泵供暖系統(tǒng)的機組配置和運行進行優(yōu)化，使得系統(tǒng)供熱季能效比達到3. 44。均不考慮末端設(shè)備時，與傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)相比，該高原河谷地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)初投資增量為36. 45%，年運行費用節(jié)約18. 31%，投資增量回收期為7.79 a。該成果對高原河谷地區(qū)應(yīng)用地下水源熱泵系統(tǒng)采暖具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。