馬 闖 任建興 李芳芹 侯 鑫 馮海軍

上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

水源熱泵通過利用溫度較低的水，實現(xiàn)對建筑空間供熱和制冷的目的。其工作原理是以消耗一部分高品位電能作為條件，依靠循環(huán)，挖掘蘊(yùn)含在環(huán)境介質(zhì)中的低質(zhì)量熱量，以達(dá)到利用的目的。水源熱泵機(jī)組可利用江河湖泊、地下水以及電廠循環(huán)冷卻水等作為熱泵的熱源，提高低質(zhì)量熱能的利用率。水源熱泵的價值除節(jié)能外，更重要的是利用地表水的低質(zhì)量熱能或工業(yè)廢熱實現(xiàn)對用戶的供暖，消除鍋爐供暖中煙氣對環(huán)境的污染。研究發(fā)現(xiàn)，每消耗1t標(biāo)煤，將排放約400kg二氧化碳，20kg二氧化硫，15kg煙塵和260kg灰渣[1]。水源熱泵是一種促進(jìn)節(jié)能減排的能源技術(shù)，對發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)有重要意義。

常規(guī)單機(jī)水源熱泵機(jī)組，可使供熱水源的溫度提升到7℃～10℃，能有效利用低質(zhì)量熱能。通常利用大溫差提高低質(zhì)量熱源的利用率，但會帶來機(jī)組運(yùn)行效率下降、能耗提高等問題。針對這些問題，對單機(jī)水源熱泵、雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)機(jī)組和雙機(jī)水源熱泵并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行制熱性能的比較研究，表明串聯(lián)方式可以提高水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率，節(jié)省機(jī)組的整體能耗。

1 溫度對水源熱泵系統(tǒng)供熱工作性能的影響

1.1 水源熱泵機(jī)組供熱工作原理

水源熱泵是通過消耗小部分的高品位電能挖掘、回收低質(zhì)量熱能，獲得更多的高質(zhì)量熱能，用于供熱，這是熱泵節(jié)能的特點(diǎn)。水源熱泵系統(tǒng)供熱流程如圖1所示。

圖1 水源熱泵系統(tǒng)供熱流程圖

在冬季制熱工況下，低溫低壓的制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器吸收來自水源側(cè)的低質(zhì)量冷源的熱量后溫度上升，流入壓縮機(jī)，被壓縮成高壓高溫蒸汽，然后流入到冷凝器向熱源放熱，由用戶側(cè)帶走熱量，通過膨脹閥降溫降壓處理后，低溫低壓的制冷劑又流入到蒸發(fā)器，反復(fù)循環(huán)，從而實現(xiàn)供熱效果。

1.2 溫度對水源熱泵供熱性能的影響

水源熱泵通過輸入小部分高品位電能，利用熱泵技術(shù)提取低溫電廠循環(huán)水的余熱供給用戶側(cè)。衡量水源熱泵制熱性能的參數(shù)是制熱性能系數(shù)COP，定義式為：

COP的值越大，說明水源熱泵的節(jié)能效果越好。

假設(shè)水源熱泵所用的工質(zhì)所進(jìn)行的循環(huán)是理想的逆卡諾循環(huán)，在高溫T1和低溫T2兩者恒溫工況下進(jìn)行循環(huán)，則制熱性能系數(shù)又可以表達(dá)為[2]：

通過對水源側(cè)溫度T2求偏導(dǎo)，得：

式中：T1-冷凝溫度；

T2-蒸發(fā)溫度

可見求導(dǎo)后公式（3）始終大于零，說明隨著蒸發(fā)溫度的提高，水源側(cè)進(jìn)水溫度升高，制熱性能系數(shù)越大，隨著蒸發(fā)溫度的降低，即水源側(cè)進(jìn)水溫度越小，制熱系數(shù)越小。

2 水源熱泵機(jī)組串并聯(lián)運(yùn)行方式

2.1 雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)機(jī)組運(yùn)行方式

在影響常規(guī)單機(jī)水源熱泵機(jī)組因素的理論分析中，水源側(cè)進(jìn)口水溫對機(jī)組性能系數(shù)的影響為：隨著進(jìn)口水溫的提高，機(jī)組性能系數(shù)逐漸提高。對于串聯(lián)機(jī)組，在水源側(cè)進(jìn)口水溫不變的工況下，低質(zhì)量水經(jīng)過第一級水源熱泵機(jī)組時，其與單機(jī)水源熱泵機(jī)組運(yùn)行沒有太大差別，但前一級水源側(cè)的出水溫度制約下一級機(jī)組的進(jìn)口溫度，相對于第二級水源熱泵機(jī)組，水源側(cè)的進(jìn)口水溫降低，將使第二級機(jī)組制熱性能系數(shù)減小。雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)機(jī)組制熱運(yùn)行原理如圖2所示。

圖2 雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)機(jī)組制熱運(yùn)行原理

按此機(jī)組運(yùn)行方式，串聯(lián)機(jī)組的總效率比單機(jī)高，串聯(lián)的第一級機(jī)組比第二級機(jī)組的單位制熱量大[3]。水源熱泵機(jī)組在制熱工況下，隨著水源側(cè)進(jìn)水溫度的提高，輸入的電功率、吸熱量、制熱量均增加，但從所增加的量看，制熱量的增加量大于輸入電能的增加量，制熱性能系數(shù)COP也會相應(yīng)的增大[4]。因此，在機(jī)組供熱工況的有效范圍內(nèi)，通過該方式運(yùn)行，應(yīng)盡量提高水源側(cè)進(jìn)水溫度（即蒸發(fā)溫度）。

2.2 雙機(jī)水源熱泵并聯(lián)機(jī)組運(yùn)行方式

通常的設(shè)計中，兩臺水源熱泵機(jī)組一般并聯(lián)使用，其并聯(lián)機(jī)組制熱運(yùn)行流程如圖3所示。雙機(jī)水源熱泵并聯(lián)運(yùn)行時，水源側(cè)和用戶側(cè)的進(jìn)出口水溫與單機(jī)運(yùn)行時的進(jìn)出口溫度差別不大，僅整個機(jī)組的流量增加。當(dāng)兩臺機(jī)組的總負(fù)荷減少到一臺機(jī)組承擔(dān)時，可以停一臺機(jī)組，由單臺機(jī)組承擔(dān)所需負(fù)荷。但此方式的供回水溫差小，循環(huán)水泵的耗能比較大[5]。

圖3 雙機(jī)水源熱泵并聯(lián)機(jī)組制熱運(yùn)行原理

3 水源熱泵機(jī)組串并聯(lián)運(yùn)行性能比較

目前，對于單機(jī)水源熱泵機(jī)組大溫差技術(shù)的設(shè)計比較普遍，由于出水溫度不變，即水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度幾乎不變，而冷凝溫度增加，則水源熱泵機(jī)組的效率會下降。為了改變此不利影響，提高制熱效率而又不改變機(jī)組的工況，可采用水源熱泵機(jī)組串聯(lián)模式，打破傳統(tǒng)的單機(jī)大溫差技術(shù)。雙機(jī)串聯(lián)機(jī)組、單機(jī)大溫差機(jī)組、常規(guī)機(jī)組的NPLV和節(jié)能率對比[6]見表1。

表1雙機(jī)串聯(lián)機(jī)組制熱性能比較

由表1可見，通過采用雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)大溫差運(yùn)行方式節(jié)能效果明顯。與常規(guī)機(jī)組相比，可節(jié)能20．4%，與單機(jī)大溫差機(jī)組相比，可多節(jié)能16．7%。因此，采用雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)的方式進(jìn)一步優(yōu)化了大溫差設(shè)計和常規(guī)機(jī)組的節(jié)能潛力。

為了方便水源熱泵串、并聯(lián)機(jī)組的性能比較，需對水源熱泵串聯(lián)機(jī)組和并聯(lián)后的工作參數(shù)進(jìn)行定義。水源側(cè)的進(jìn)口水溫T定義為機(jī)組的進(jìn)口水溫；機(jī)組的耗電量W定義為額定工況下相同時間和相同單位下各臺水源熱泵機(jī)組的耗功率之和；機(jī)組的制熱量Q定義為額定工況下相同時間和相同單位下各臺水源熱泵機(jī)組的制熱量之和。機(jī)組的制熱性能系數(shù)COP=Q/W。

雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)組制熱性能比較見表2[7]。從表2可見，隨著水源側(cè)進(jìn)口水溫（即蒸發(fā)溫度）的升高，機(jī)組的整體性能系數(shù)COP逐漸變大，在相同的水源側(cè)進(jìn)口水溫下，雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)相對于并聯(lián)來說，性能系數(shù)COP更高。綜上所述，雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)不僅可以更大程度地利用低質(zhì)量能源，且其效率較并聯(lián)機(jī)組更高。

表2雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)組制熱性能比較

4 結(jié)論

雙機(jī)水源熱泵串聯(lián)模式，有助于最大限度回收利用低質(zhì)量能源，使低質(zhì)量能源的溫度下降。盡管串聯(lián)時整個機(jī)組的耗電量增加，但總的性能系數(shù)COP是增加的，因此，串聯(lián)機(jī)組的利大于弊。相對于常規(guī)機(jī)組，雙機(jī)串聯(lián)機(jī)組可以節(jié)能20．4%，相對單機(jī)大溫差機(jī)組，可多節(jié)能16．7%。相對于水源熱泵串聯(lián)機(jī)組，并聯(lián)機(jī)組性能系數(shù)COP更小，不利于能源的高效利用。