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海水源热泵空调管理论文
RSS 打印 复制链接 发布时间:2019-07-23 16:00:21

 摘要:海水源热泵空调系统由于其能够利用蕴藏在海水中的巨大热能资源,近年来在许多沿海城市,正逐渐受到人们越来越多地关注。本文主要针对可同时为多栋建筑供冷/热的海水源热泵空调系统的具体应用形式进行讨论,提出按热泵机组的设置地点不同而分为集中、分散和双级耦合式三种方式,并同时讨论了各种方式在冬、夏季的可能运行方式,总结各自的优缺点,为海水源热泵空调系统的具体实施及更深入地研究提供参考。

关键词:海水源热泵热泵空调集中供冷供热

1引言

目前,能源问题已成为举世关注的焦点。我国是能源消费大国,建筑能耗占到全国总能耗的近四分之一;因此,节能以及可再生能源的利用就成为研究重点。我国海岸线较长,一些沿海城市已开始计划利用海水源热泵空调系统为建筑提供冷、热源,以节约能源,减小污染,服务于生态城市的建设。本文将主要针对海水源热泵空调系统的具体应用形式及特点进行讨论,旨在为有关工程的具体实施方案和运行管理提供参考。

2海水源热泵空调系统概述

海水源热泵空调系统就是利用海水做为热源或热汇,并通过热泵机组,加热热媒或冷却冷媒,最终为建筑提供热量或冷量的系统。海水中所蕴含的热能是典型的可再生能源,因此,海水源热泵空调系统也是可再生能源的一种利用方式,是一种具有节能、环保意义的绿色供热空调系统。

巨大的海面时刻接受太阳的辐射,并受大洋环流,海域周围具体气候条件的影响,故海水温度数值会因地、因时而异。为尽量提高海水源热泵空调系统的供热/冷的效率以及整个系统的经济性,有必要研究在不同的海水资源条件下,为满足热用户的需求,可供选择的各种海水源热泵空调系统形式及其运行模式。

3海水源热泵空调系统形式

本文所讨论的海水源热泵空调系统是指能够同时为多栋建筑提供冷/热源的系统。海水源热泵空调系统可以从多个角度进行分类,这里只讨论按海水热泵机组的设置地点不同而进行的分类,可以分成三大类:

3.1集中式海水热泵空调系统

所谓集中式海水热泵空调系统,就是将所有的海水热泵机组集中起来设置于统一的热泵机房内(热泵机房根据需要可设置于海边或用户区域附近),制备的冷/热水通过小区外网输送至各用户,如图1所示,故也可称之为海水热泵集中供冷供热系统。

3.1.1冬季系统运行模式分析

(1)集中热泵站将网路回水直接加热至用户所需的温度后(如60/50℃的供回水温度),依次输送给各热用户,用户与外网采用无混合装置的直接连接方式。

(2)集中热泵站将网路回水加热至比用户实际所需的供水温度略高后送出(如65/50℃的供回水温度),用户与网路可采用有混合水泵的直接连接方式(如图2所示)。与前一种方式相比,它虽然因网路供水温度略有升高而使得热泵机组的COP值略低,但此时网路的循环水泵因不必考虑最不利环路的末端用户阻力损失,扬程有所下降;同时,由于网路供回水温差的增大,还使得输送同样能量的网路循环水量减少,从而节约水泵的输送能耗;另外,还可减少热源近端用户因节流而带来的能量损耗。还有一点值得注意的是,此种网路运行方式,还允许用户根据自身需要在一定范围内调整自己的供水温度,比前一种方式具有更大的灵活性。

3.1.2夏季系统运行模式分析

(1)集中热泵站直接制备各用户夏季实际所需的冷冻水(如7/12℃的冷冻水)后,依次输送给各用户,用户与外网采用无混合装置的直接连接方式。

(2)集中热泵站制备比用户实际所需略低的冷冻水(如5/12℃的冷冻水),再输送给各用户,同样,此时用户与网路可采用装有混合水泵的直接连接方式。此种运行方式所具有的特点与前面冬季时对应的情况相同,不再重复。

3.1.3集中式海水热泵空调系统的优势分析

与目前通常采用的各建筑单独设置电制冷机组制冷和锅炉房热水供暖的方式相比,此种系统主要有如下方面的优势:

(1)可以充分利用各用户负荷分布多样性特点(即并非所有的用户都在同一时刻达到峰值负荷),减少设备的总装机容量,也有利于降低自身的初投资。

(2)大型热泵机组的COP值比小型机组的要高(一些具体数值可参见[1]),提高了能量利用效率。

(3)虽然热泵机组通常仍需要用电实现制冷/热,但由于它在一年的大部分时间里都在较高的COP值下运行,仍然具有节能优势(类似的计算分析参见[2]),这也是海水热泵空调系统之所以受到关注的一个重要原因。

(4)各用户内的冷热源机房,以及位于室外的冷却塔都可以取消,这样既节省了许多宝贵的建筑面积,增加了业主的收益,又可以减轻由设备的布置而给结构专业带来的设计负担,和降低结构施工的成本;同时,也消除了由这些设备所产生的噪声;另外,取消了通常置于楼顶的冷却塔后,美化了建筑的外观,使屋顶绿化的方案更容易实现。

(5)由于大量使用海水,故可节约有限的淡水资源。淡水资源的缺乏是世界性难题,我国许多沿海城市都是严重缺淡水城市,节约淡水资源的意义重大。

(6)热泵机组集中布置后,有助于专业人员的集中管理与维护,既节约了运行成本,又能够提高供冷/热的可靠性。

(7)环保效果明显。前面提到的节能、减少噪声等都对提高系统的环保性能起到了直接的作用。

3.2分散式海水热泵空调系统

此种海水热泵空调系统的形式如图3所示:所有的海水热泵机组都分散至各用户,室外管网系统只为各用户机组提供所需的海水。

与集中式海水热泵空调系统相比,该系统的热泵机组分散,容量相对较小,初投资会相应增加,机组的COP值也会比集中放置的大型机组的略低,并且各用户仍然要有冷热源机房;但该系统中各用户的热泵机组相对独立,增大了用户的灵活性,如各用户可根据自身的特定需要来调节热泵的进出水温度的高低,或如稍后将提到的可用作水环热泵空调系统的辅助冷热源。

图3分散式海水热泵空调系统图4带冷却塔的用户与海水外网的连接

3.2.1冬季系统运行模式分析

对于冬季只有热负荷的建筑来说,热泵机组按制热工况运行;如果同一建筑内既有热负荷,又有冷负荷,可以考虑在建筑内部采用水环热泵系统以实现节能,此时,海水热泵机组只作为辅助的冷热源设备来调节建筑内部不平衡的冷、热负荷。

3.2.2夏季系统运行模式分析

(1)室外管网中的海水作为循环冷却水,提供给各用户的热泵机组,以制备用户自身需要的冷冻水,虽然此时用户机组的COP值会比集中的大型机组的要略低,但仍然会比用户使用冷却塔时的COP值略高。

(2)各用户仍然保留冷却塔,外网内的海水提供冷却塔的冷却循环水及其补水,如图4所示。

尽管用户仍然使用冷却塔,但海水冷却塔仍然节约了大量的淡水资源,而且只为冷却塔服务的外网内的海水流量要远比用海水直接冷却热泵机组时所需的水量少,因而可以最大限度地降低海水的输送能耗。

3.3双级耦合式海水热泵空调系统

该系统的示意图见图5。此系统的突出特点就是既有集中热泵站,又有分散至各用户的热泵机组,所以也可称之为联合式海水热泵系统。很明显,这样设计会提高系统的初投资,但它有一个最大的优点:当冬季海水的温度过低(如北方寒冷地区的近海水温度接近0℃)时,仍可以完全由此系统为各用户供热(详见下述),而无需额外的辅助热源(鉴于目前的热泵技术,前面的两种系统形式遇到此情形时,须有辅助热源),真正实现单独由海水热泵为建筑提供冷热源。

3.3.1冬季系统运行模式分析

该系统冬季可能会有四种运行模式:

(1)在海水温度很低时(通常此时的室外气温也很低,用户热负荷较大),集中海水热泵站内的一级海水热泵机组制备15~20℃的温水,通过外网输送至各用户,然后每个用户内的二级热泵机组再把水温提升到用户实际所需的温度。

(2)当海水温度较高时,可由集中热泵站一次制备各用户可直接用于供热的热水,用户内的热泵机组不工作,此时的工作模式与2.1节的集中海水热泵空调系统的运行模式相同。

(3)当海水温度较高时,只有分散至各用户的热泵机组工作,向建筑供热,而集中热泵站内的机组停止工作。此时的工作模式与2.2节的分散式海水热泵空调系统的运行模式相同。

(4)当然,在海水温度较高时,也可以使一、二级热泵机组同时工作,外网内的水温会比15~20℃略高。

至于一、二级热泵机组间的外网环路内的水温最佳取值范围,两级热泵是串级工作,还是单级工作,以及它们之间的转换条件,应由更详细的理论分析与实验验证来确定。

3.3.2夏季系统运行模式分析

除夏季一般只需单级热泵制冷外,其余的运行模式与上述冬季时的情况相类似,不再赘述。

4总结

本文针对利用海水作为冷热源的热泵供冷/热系统,按照热泵机组的设置地点不同,将其分成集中式、分散式和双级耦合式三种类型,归纳总结了集中海水热泵系统的诸多优点,并对各种类型系统在冬、夏季的可能运行模式与特点进行了简要描述与分析。需要指出的是,三种类型的系统都有直接利用海水直接供冷的可能。

另外,本文只是讨论各种类型的海水热泵空调系统及其可能的运行模式,对于任一给定的具体实际工程,还要从系统能耗特性、经济性以及系统供冷/热的可靠性等方面进行更详细的计算与分析,才能得到最终满意的结果,笔者将在这方面进一步地开展研究工作。

 

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