湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱性能實(shí)測(cè)與分析

摘 要

摘要：結(jié)合重慶地區(qū)某湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)并分析了負(fù)荷率、熱泵機(jī)紐熱水進(jìn)口溫度、取水功率對(duì)熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)、熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比的影響。關(guān)鍵詞：湖水源熱泵；負(fù)荷率；制
摘要：結(jié)合重慶地區(qū)某湖水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)并分析了負(fù)荷率、熱泵機(jī)紐熱水進(jìn)口溫度、取水功率對(duì)熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)、熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比的影響。
關(guān)鍵詞：湖水源熱泵；負(fù)荷率；制熱性能系數(shù)；能效比
Actual Measurement and Analysis of Heating Performance of Lake-water Source Heat Pump Air-conditioning System
LU Jun，DENG Bo
Abstract：Combined with a lake-water source heat pump air-conditioning system in Chongqing region，the influences of load factor，hot water inlet temperature of heat pump unit and water intake power on the heating coefficient of performance of heat pump unit and the energy efficiency ratio of heat pump air-conditioning system are actually measured and analyzed.
Key words：lake-water source heat pump；load rate；heating coefficient of performance；ellergy efficiency ratio
   水源熱泵具有高效節(jié)能、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、環(huán)境效益顯著等特點(diǎn)，用于冬季供熱，能緩解夏熱冬冷地區(qū)的天然氣供應(yīng)緊張，具有良好的推廣價(jià)值[1～10]。該工程位于重慶市主城區(qū)內(nèi)，利用建筑物南側(cè)的人工湖作為水源熱泵的熱源用于冬季供熱。本文對(duì)湖水源熱泵系統(tǒng)供熱性能進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析。
1 工程概況
   該建筑是集多種功能為一體的綜合性建筑，北鄰嘉陵江，南鄰人工湖，總建筑面積約70032m2，總高度為99.1m?？偪照{(diào)面積約37042m2，空調(diào)冷負(fù)荷約8900kW；總供熱面積約14104m2，供暖熱負(fù)荷約1200kW。空調(diào)水系統(tǒng)采用二管制，末端設(shè)備為風(fēng)機(jī)盤管?？照{(diào)系統(tǒng)原采用3臺(tái)離心式冷水機(jī)組(單臺(tái)制冷能力為2637kW)、1臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組(制冷能力為1044kW)用于夏季制冷，冬季采用熱功率為1200kW的電鍋爐供熱。
   由于電鍋爐能耗高且維修量大，2010年對(duì)熱源進(jìn)行了節(jié)能改造，將螺桿式冷水機(jī)組改造成水源熱泵機(jī)組，取代電鍋爐用于冬季供熱，機(jī)組共有4臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)。熱泵機(jī)組制冷能力為1044kW，輸入功率為224kW；制熱能力為1200kW，輸入功率為251kW。熱泵空調(diào)系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。
 

    采用開式系統(tǒng)，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)旋流除砂器和水處理器，湖水經(jīng)過(guò)處理后直接進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱。熱水循環(huán)泵的額定流量為128m3/h，揚(yáng)程為28m，軸功率為18.5kW。取水系統(tǒng)采用二次泵形式，湖邊設(shè)取水泵房，取水泵額定流量為250m3/h，揚(yáng)程為37m，軸功率為45kW。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)取水循環(huán)泵，額定流量為138m3/h，揚(yáng)程為37.5m，軸功率為22kW。
2 測(cè)試數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算
   ① 測(cè)試數(shù)據(jù)
   測(cè)試時(shí)間為2011年1月12日至14日，每天8：30—11：50，測(cè)試時(shí)間間隔為10min，確定系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)包括：熱泵機(jī)組功率、熱水循環(huán)泵功率、取水泵功率、取水循環(huán)泵功率、熱泵機(jī)組熱水進(jìn)出口溫度和流量、熱泵機(jī)組湖水進(jìn)出口溫度和流量。取水系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用變頻控制，但測(cè)試時(shí)變頻器未最終調(diào)試完成，因此取水系統(tǒng)采用定流量運(yùn)行。熱水循環(huán)系統(tǒng)也采用定流量運(yùn)行。
   ② 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算
   熱泵機(jī)組制熱量西和熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)ICOP按一般方法計(jì)算。
熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比IEER的計(jì)算式為：
 
式中IEER——熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比
    Φ——熱泵機(jī)組制熱量，kW
    Pt——熱泵空調(diào)系統(tǒng)總功率，kW
    熱泵空調(diào)系統(tǒng)總功率由每個(gè)時(shí)刻測(cè)試的熱泵機(jī)組功率、熱水循環(huán)泵功率、取水泵功率、取水循環(huán)泵功率相加得出。由于空調(diào)末端設(shè)備較多且分散，功率不便計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，因此不考慮末端設(shè)備的功率。
3 測(cè)試結(jié)果及分析
3.1 測(cè)試結(jié)果
    以1月13日的測(cè)試數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2、3。由圖2、3可知，湖水進(jìn)口溫度基本穩(wěn)定在7.4℃，出口溫度為4～5℃，進(jìn)出口平均溫差為3℃。熱水進(jìn)出口溫度隨測(cè)試時(shí)間逐漸升高，進(jìn)出口溫差維持在3℃左右，熱水出口溫度最終達(dá)到42℃并趨于穩(wěn)定。由于系統(tǒng)采用定流量運(yùn)行，熱水和湖水流量變化很小，因此各臺(tái)水泵的功率也基本不變，但伴隨壓縮機(jī)的啟停，熱泵機(jī)組功率變化范圍為110～220kW，波動(dòng)較大。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)時(shí)刻的ICOP、IEER，見(jiàn)圖4。

    1臺(tái)熱泵機(jī)組設(shè)4臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)、1臺(tái)蒸發(fā)器、1臺(tái)冷凝器。若熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水(湖水)溫度過(guò)低，易導(dǎo)致蒸發(fā)器凍結(jié)而損壞蒸發(fā)器內(nèi)的換熱盤管。為防止出現(xiàn)這種情況，測(cè)試時(shí)將蒸發(fā)器出水溫的保護(hù)溫度設(shè)定為4℃。當(dāng)蒸發(fā)器的出水溫度低于4℃時(shí)，熱泵機(jī)組會(huì)自動(dòng)關(guān)閉1臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)，降低流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑流量，從而減小蒸發(fā)器的換熱溫差，提高蒸發(fā)器的出水溫度保證機(jī)組的正常運(yùn)行。由于測(cè)試階段湖水溫度較低，出現(xiàn)了熱泵機(jī)組自動(dòng)關(guān)閉1臺(tái)螺桿式壓縮機(jī)的情況。
3.2 測(cè)試結(jié)果分析
   ① 負(fù)荷率與ICOP的關(guān)系
   不同負(fù)荷率下，P及ICOP見(jiàn)表1。當(dāng)負(fù)荷率為52%～60%時(shí)，ICOP最高；當(dāng)負(fù)荷率為61%～70%時(shí)，ICOP次之；當(dāng)負(fù)荷率為71%～75%時(shí)，ICOP基本維持在4.0～4.5。這與生產(chǎn)廠家提供的性能曲線基本一致。
表1 不同負(fù)荷率下P及ICOP
負(fù)荷率/%
P/kW
ICOP
52～60
110～130
＞5.0
61～70
150～190
4.5～5.0
71～75
190～220
4.0～4.5
    ② 熱水進(jìn)口溫度與ICOP的關(guān)系
    整個(gè)測(cè)試階段，由于湖水進(jìn)口溫度基本維持在7.4℃，湖水與熱水的流量也基本不變，因此，ICOP主要受到冷凝器進(jìn)水溫度(即熱水進(jìn)口溫度)的影響。由圖2、4可知，隨著熱水進(jìn)口溫度的升高，ICOP逐漸降低，當(dāng)熱水進(jìn)口溫度最終達(dá)到40℃后，ICOP基本維持在4.0左右。
   將整個(gè)測(cè)試過(guò)程分為3個(gè)階段，計(jì)算每個(gè)階段熱水進(jìn)口平均溫度和平均ICOP，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。第1階段到第2階段，熱水進(jìn)口平均溫度上升5.5℃，平均ICOP下降了0.3，變化率為0.055℃-1。第2階段到第3階段，熱水進(jìn)口平均溫度上升4.2℃，平均ICOP下降了0.6，變化率為0.14℃-1。由此可知，熱水進(jìn)口溫度在25～36℃時(shí)，隨熱水出口溫度的升高，ICOP降低緩慢。而熱水進(jìn)口溫度在36～40℃時(shí)，隨熱水出口溫度的升高，ICOP迅速降低。
表2 不同階段的熱水進(jìn)口平均溫度和平均ICOP
階段
測(cè)試時(shí)間
熱水進(jìn)口平均溫度/℃
平均ICOP
第1階段
8：30—9：40
28.5
4.9
第2階段
9：40一10：50
34.0
4.6
第3階段
10：50—11：50
38.2
4.0
③ 取水功率對(duì)，唧的影響
取水功率在很大程度上影響了整個(gè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗和IEER。熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用定流量取水方式，因此取水泵和取水循環(huán)泵的功率變化不大，取水泵平均功率為43kW，取水循環(huán)泵平均功率為22kW，取水系統(tǒng)平均功率為65kW，占系統(tǒng)總功率的20%～30%。由圖4可知，第1階段雖然平均ICOP達(dá)到4.9，但由于取水功率較大，平均ICOP為3.03，隨著ICOP的降低，IEER也逐漸降低，最后IEER穩(wěn)定在2.7左右。
4 結(jié)論
① 針對(duì)重慶這種夏熱冬冷地區(qū)，在湖體熱容量滿足要求的情況下，冬季利用湖水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供熱是可行的。
    ② 對(duì)于螺桿式熱泵機(jī)組，當(dāng)負(fù)荷率在52%～70%時(shí)，制熱性能系數(shù)較高，能達(dá)到4.5以上。
    ③ 當(dāng)熱水進(jìn)口溫度在25～36℃時(shí)，隨熱水進(jìn)口溫度的升高，熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)降低緩慢，平均變化率為0.055℃-1。當(dāng)熱水進(jìn)口溫度在36～40℃時(shí)，隨熱水進(jìn)口溫度的升高，熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)迅速降低，平均變化率為0.14℃-1。
    ④ 取水能耗很大程度決定了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能效比，取水功率占系統(tǒng)總功率的20%～30%，能效比基本維持在2.7～3.2，這在一定程度上影響了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率。
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(本文作者：盧軍 鄧博 重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)