謝沛初,昝 成,史 琳

(1.清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;2.中國石油勘探開發(fā)研究院熱力采油研究所,北京 100083)

0 引 言

城鎮(zhèn)二級(jí)出水具有冬暖夏涼、來源穩(wěn)定和含能豐富的特點(diǎn),是再生(污)水源熱泵理想的冷卻介質(zhì)及低品位熱源[1]。再生水源熱泵技術(shù)是我國建筑節(jié)能的重要技術(shù)之一。由于再生水熱泵特有的污垢對(duì)性能影響問題、水源地與建筑物的距離問題、大型再生水熱泵各部分的優(yōu)化匹配問題,使得服務(wù)于系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)與投資決策和后期優(yōu)化運(yùn)行的系統(tǒng)仿真成為城鎮(zhèn)再生水源熱泵應(yīng)用中關(guān)鍵的問題之一。大型間接式再生水源熱泵在國際上得到關(guān)注[2],在國內(nèi)研究還較少。本項(xiàng)目組在承擔(dān)國家科技攻關(guān)奧運(yùn)專項(xiàng)的過程中,對(duì)大型間接式(板式換熱器+離心式熱泵機(jī)組)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了全面研究,得到了水質(zhì)、污垢、除垢等系列結(jié)果[3],基于此,編寫了大型間接式熱泵系統(tǒng)性能仿真和決策軟件RWT U-SIMULATION-2.1。可為大型再生水源熱泵系統(tǒng)的決策、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略提供指導(dǎo)。本文對(duì)建模思路,軟件功能和校核及其初步應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。

1 建模思路和模型設(shè)計(jì)

采用模塊化的思想,功能齊全且人性化思路進(jìn)行編寫。將大型再生水源熱泵系統(tǒng)分為四個(gè)模塊,分別是:輸能模塊(板式換熱器+離心式熱泵機(jī)組)、循環(huán)水輸運(yùn)模塊(循環(huán)管網(wǎng)+變頻水泵)、用戶負(fù)荷模塊和經(jīng)濟(jì)及決策模塊。其中輸能模塊和循環(huán)水輸運(yùn)模塊構(gòu)建成“單臺(tái)板式換熱器+單臺(tái)變頻水泵+單臺(tái)離心式熱泵”的性能仿真模型,用戶負(fù)荷模塊與DeST軟件相接口,經(jīng)濟(jì)及決策模塊既可與整體軟件聯(lián)合使用也可獨(dú)立使用。以C++和Fortran語言混編的方法進(jìn)行編程,其中Fortran語言用于科學(xué)計(jì)算程序的編寫,Visual VC++用于輸入輸出對(duì)話框界面的制作。

1.1 輸能模塊和循環(huán)水輸運(yùn)模塊

“單臺(tái)板式換熱器+單臺(tái)變頻水泵+單臺(tái)離心式熱泵”的性能仿真模型的及參數(shù)見圖1。分為制冷和制熱兩個(gè)模式,仿真涉及的系統(tǒng)參數(shù)均已在圖中標(biāo)出。以制冷工況為例,已知量:板式換熱器二級(jí)出水側(cè)進(jìn)水溫度 t1,熱泵蒸發(fā)器側(cè)出水溫度t8(te,out)和熱泵冷負(fù)荷 Ec;待求解量:板式換熱器二級(jí)出水側(cè)出水溫度 t2與循環(huán)水側(cè)進(jìn)出水溫度 t4和 t3,熱泵冷凝器進(jìn)出水溫度t5(tc,in)和t6(tc,out),蒸發(fā)器進(jìn)水溫度 t7(te,in),板式換熱器換熱量,熱泵電耗E及制冷系數(shù)COPc。

圖1 仿真單元模型及參數(shù)Fig.1 Simulation unit model and index

仿真模型中,板式換熱器及離心式熱泵機(jī)組變工況性能的數(shù)學(xué)模型的建立較為關(guān)鍵。對(duì)于板式換熱器,依據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的性能參數(shù),采用常規(guī)方法擬合獲得熱泵工況下板式換熱器的傳熱性能如式 (1),其中C,n和m為擬合參數(shù)。

對(duì)于離心式熱泵機(jī)組,依據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的性能參數(shù),擬合獲得了系統(tǒng)性能系數(shù)的數(shù)學(xué)模型如式 (2)。夏季工況下,制冷溫度te,out恒定為5℃,制冷系數(shù)COPc為冷負(fù)荷Ec與冷凝器進(jìn)水溫度tc,in的函數(shù);冬季工況下,考慮供暖溫度可變,制熱系數(shù) COPh為熱負(fù)荷 Eh、蒸發(fā)器進(jìn)水溫度te,in、冷凝器出水溫度tc,out的函數(shù)。

二級(jí)出水板式換熱器結(jié)垢特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,污垢熱阻時(shí)變規(guī)律呈S型[3]。據(jù)此建立污垢熱阻的數(shù)學(xué)模型如式(3):

式中:θ為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間,h;R*f為污垢熱阻的漸進(jìn)值,cm2?K/W;θind為污垢起始期時(shí)間長度,h;θasy為污垢熱阻達(dá)到漸進(jìn)值的時(shí)間長度,h;r為污垢最大生長率。

為了進(jìn)一步模擬板式換熱器CIP在位清洗過程,在式(3)基礎(chǔ)上對(duì)污垢預(yù)測(cè)模型進(jìn)行一定的修改,設(shè)定 θfm為清洗周期時(shí)間長度,h;n為清洗次數(shù);如式(4)所示。

變頻水泵模型按照變頻水泵在循環(huán)管網(wǎng)上的工作原理進(jìn)行編制。其中,變頻水泵特性曲線數(shù)據(jù)庫需要依據(jù)廠家提供的水泵特性曲線,按照相似原理計(jì)算后擬合得到,而循環(huán)管網(wǎng)的特性曲線在設(shè)計(jì)期可根據(jù)熱媒管路的管路阻力計(jì)算方法計(jì)算得到,在運(yùn)行期可根據(jù)泵網(wǎng)匹配工作情況反算得出。

仿真軟件可在僅考慮輸能模塊或輸能模塊+循環(huán)水輸運(yùn)模塊同時(shí)考慮的情況下進(jìn)行仿真計(jì)算。在圖2中給出軟件仿真功能的主要運(yùn)算流程。右側(cè)是RWT U-SIMULAT ION-2.1中輸能模塊仿真計(jì)算主程序。左側(cè)為循環(huán)水輸運(yùn)模塊的計(jì)算流程。

圖2 仿真運(yùn)算流程 (左為輸運(yùn)模塊,右為輸能模塊)Fig.2 Process of simulation(left for water transportation,right for energy transportation)

1.2 用戶負(fù)荷模塊

兼顧考慮再生水源熱泵系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行仿真,軟件輸入可根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇目前比較通用的DeST軟件模擬負(fù)荷和溫度參數(shù)接口輸入或者實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷文件輸入兩種參數(shù)輸入方式。

1.3 經(jīng)濟(jì)及決策模塊

一個(gè)工程項(xiàng)目是否具有實(shí)用價(jià)值,除了考察它的技術(shù)性能,同時(shí),也應(yīng)當(dāng)將其經(jīng)濟(jì)效益納入考慮的范圍,以幫助科學(xué)決策。本模塊設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了一下因素:

(1)工程總投資費(fèi)用應(yīng)包括整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和材料消耗的直接費(fèi)用和工程、建設(shè)和偶然性因素等間接的費(fèi)用。其中,設(shè)備購買成本 EPC(E-quipment Purchase Cost)是最重要的部分,其他的投資都可以按照推薦的比例或計(jì)算依據(jù)根據(jù)EPC和設(shè)計(jì)負(fù)荷進(jìn)行估算。模型為用戶提供數(shù)據(jù)庫選型和直投選型兩種方式,以方便投資者根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行選型和初期投資決策。其中,構(gòu)建的部件數(shù)據(jù)庫包括:熱泵機(jī)組末端設(shè)備、循環(huán)水泵、循環(huán)管網(wǎng)、板式換熱器等部件,具有更新和修復(fù)功能,可方便投資者根據(jù)實(shí)際詢價(jià)進(jìn)行投資決策。

(2)參照建設(shè)項(xiàng)目安裝工程概預(yù)算方法以及空調(diào)暖通行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)[4],確定了系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的計(jì)算方法,可對(duì)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。

(3)采用工程經(jīng)濟(jì)學(xué)中主流現(xiàn)金流法對(duì)影響項(xiàng)目投資決策的主要經(jīng)濟(jì)性參數(shù)包括初投資、運(yùn)行費(fèi)用、比投資、動(dòng)靜態(tài)回收期、內(nèi)部收益率IRR(Internal Return Rate)、凈現(xiàn)值NPV(Net Present Value)等經(jīng)濟(jì)性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和外生風(fēng)險(xiǎn)的敏感性具有分析和預(yù)測(cè)的功能。

1.4 軟件功能與特點(diǎn)

(1)預(yù)測(cè)大型間接式熱泵系統(tǒng)在不同條件下(不同再生水溫、不同用戶負(fù)荷、污垢的影響、清洗的影響等)的性能,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo);

(2)對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的系統(tǒng),通過不同工況的計(jì)算,為優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù);

(3)對(duì)初投資、運(yùn)行費(fèi)用、動(dòng)靜態(tài)回收期、內(nèi)部收益率等經(jīng)濟(jì)性參數(shù)的計(jì)算,可為工程決策提供依據(jù)。

(4)軟件具有功能齊全且人性化的特點(diǎn),其特色是包括了污垢模型和CIP清洗模型。

2 軟件校驗(yàn)

軟件的仿真結(jié)果是否能如實(shí)反映系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況,是軟件實(shí)用性的重要方面。本文采用奧運(yùn)村再生水源熱泵系統(tǒng)在北京奧運(yùn)會(huì)期間系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)仿真軟件進(jìn)行校驗(yàn)。由于熱泵機(jī)組夏季制冷設(shè)計(jì)工況為ETout=5℃(蒸發(fā)器出口即用戶端),熱泵廠商也僅提供了ETout=5℃時(shí)熱泵性能曲線,仿真軟件仿真的額定條件也是ETout=5℃。使用 RWTU-SIMULAION-2.1分別對(duì)額定仿真條件和非額定仿真條件下再生水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真。按照這一目的將校核數(shù)據(jù)整理并分組,具體分組參見表1。

表1 仿真軟件校核分組Tab.1 Checking packct for simulation softwave

通過校驗(yàn)發(fā)現(xiàn):

(1)在額定仿真條件下仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合得很好,仿真準(zhǔn)確性在12.9%之內(nèi),且仿真軟件在額定仿真條件下的仿真準(zhǔn)確性明顯高于非額定仿真條件下的仿真。說明仿真軟件編寫正確。

(2)奧運(yùn)試運(yùn)行期 (仿真400 h以前,即8月6日前)和奧運(yùn)期間 (仿真410 h以后,即8月7日后),仿真軟件的仿真準(zhǔn)確性有明顯的增加。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)都是每天選取 ETout最接近5℃的一個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù),但是在奧運(yùn)試運(yùn)行期,各種設(shè)備都處于磨合階段,現(xiàn)場工作人員也在不斷熟悉設(shè)備的操作。致使供給用戶的溫度 (ETout)比奧運(yùn)期間偏離5℃平均要大一些,這是導(dǎo)致仿真偏差的主要原因。說明在設(shè)備趨于正常運(yùn)行后,仿真軟件在長周期內(nèi)的仿真準(zhǔn)確性也高。

(3)添加污垢模型后,仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差有所減少,說明添加污垢熱阻模型是有必要的。但由于奧運(yùn)期間除垢頻繁,對(duì)污垢模型的檢驗(yàn)還需進(jìn)一步分析。

3 軟件應(yīng)用

以奧運(yùn)村再生水熱泵系統(tǒng)作為大型再生水源熱泵系統(tǒng)的實(shí)例,使用性能仿真和決策軟件對(duì)這一技術(shù)典型工況的性能變化,節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

3.1 系統(tǒng)性能優(yōu)化

對(duì)以下兩個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方案的實(shí)施效果進(jìn)行了數(shù)值模擬:

(1)夏季工況下采用CIP在位清洗方法控制污垢生長。夏季工況下污垢對(duì)系統(tǒng)性能的影響較為顯著,因此考慮對(duì)板式換熱器實(shí)施CIP在位清洗。系統(tǒng)制冷季運(yùn)行時(shí)間為6月10日至8月31日,共計(jì)80天。蒸發(fā)器出口水溫恒定為5℃。CIP清洗周期設(shè)定為5天,每次清洗后傳熱系數(shù)均可恢復(fù)至初始值的98%。如圖3左側(cè)所示,CIP在位清洗的實(shí)施對(duì)于系統(tǒng)制冷性能具有顯著的影響。熱泵系統(tǒng)瞬時(shí)COPc有明顯上升趨勢(shì),據(jù)統(tǒng)計(jì),制冷季單臺(tái)熱泵機(jī)組累計(jì)可節(jié)電6.9萬kW?h。

(2)冬季工況下根據(jù)室外溫度變化實(shí)施供暖水溫調(diào)節(jié)。冬季工況下,根據(jù)室外氣溫變化調(diào)節(jié)熱泵冷凝器出水溫度,以實(shí)現(xiàn)供暖節(jié)能。供暖季模擬時(shí)段從12月12日至3月4日,共計(jì)80天。質(zhì)調(diào)節(jié)運(yùn)行策略為:當(dāng)室外溫度分別＞3℃、≈0℃、≈-5℃和＞-7℃,熱泵冷凝器出水溫度分別為38.5℃、40.5℃、42.5℃和44.5℃。如圖3右側(cè)的模擬結(jié)果可看出,質(zhì)調(diào)節(jié)策略的實(shí)施在系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行中可起到很明顯的作用。

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行效果 (左為制冷季,右為供暖季)Fig.3 Comparison of system performanceswith and without fouling(left for air conditioning period,right for heating period)

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)奧運(yùn)村系統(tǒng)現(xiàn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的循環(huán)水泵和管網(wǎng)模塊的計(jì)算,發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)水泵偏大,使得綜合COP下降明顯。利用仿真軟件計(jì)算的優(yōu)化水泵參數(shù)后,可使水泵耗功比例從73%下降到41%,可明顯提升系統(tǒng)綜合COP,見圖4。

3.3 敏感性分析

應(yīng)用軟件,還可針對(duì)熱價(jià) (熱價(jià)和冷價(jià)的總和)和用戶與水源間距離 (能輻半徑)對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行靈敏度分析。圖5是以奧運(yùn)村工程為例,整體熱價(jià)在30～100元/m2之間,能輻半徑在1～7 km間動(dòng)態(tài)投資回收期的變化。

圖4 單元機(jī)組COPFig.4 COP of unit device

圖5 敏感性分析(左為熱價(jià)是敏感因素,右為能輻半徑是敏感因素)Fig.5 The sensitivity analysis(left for price,right for radius)

通過 RWTU-SIMULAT ION-2.1的敏感性分析功能,可得出決定工程投資價(jià)值的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如動(dòng)態(tài)投資回收期等與整體熱價(jià)和能輻半徑等因素之間的關(guān)系。從而,可以了解不同大小外生風(fēng)險(xiǎn)對(duì)投產(chǎn)項(xiàng)目的沖擊大小。

4 結(jié) 論

大型再生水源熱泵系統(tǒng)仿真投資決策軟件RWTU-SIMULATION-2.1具有較高的仿真算計(jì)精度。通過模塊化的軟件設(shè)計(jì),軟件能夠?yàn)樵偕礋岜孟到y(tǒng)的初期設(shè)計(jì)與投資和后期運(yùn)行維護(hù)提供有力的技術(shù)支撐。

該軟件還需在更多的熱泵模式以及數(shù)據(jù)庫的豐富上繼續(xù)完善。the Beijing Olympic Village DHC system using municipal reclaimed water source heat pump[C].9th International IEA Heat Pump Conference,Conf-ID.

[1]昝成,史琳,程鄴,等.二級(jí)再生水水溫特點(diǎn)與熱利用[J].華北電力大學(xué)報(bào),2007,34(2):31-34.

[2]Zan C,Shi L.Simulation and operation optimization of

[3]昝成.以二級(jí)出水為換熱介質(zhì)的板式換熱器結(jié)垢問題的研究[D].北京:清華大學(xué),2008.

[4]全國統(tǒng)一安裝工程預(yù)算定額第一冊(cè)機(jī)械設(shè)備安裝工程[M].北京:中國計(jì)劃出版社,2001.