江水源热泵系统动态取水温差控制策略研究

王作林 李 沫 白雪莲



江水源热泵系统动态取水温差控制策略研究

王作林1李 沫2白雪莲1

（1.重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400045；2.河北省建筑科学研究院 石家庄 050021）

江水水温对江水源热泵系统的设计和运行具有重要影响。通过对嘉陵江水温的连续测试，探究了江水水温的变化规律，发现江水全年温度变化较大，在系统设计和运行中应充分考虑江水的温度变化特性。结合水温实测数据，研究提出了动态取水温差控制策略。以某水源热泵工程为例，对比分析了两种运行控制方式，发现采用动态取水温差控制策略较采用固定取水温差控制策略具有在水温条件不利时保证系统能满足建筑的负荷需求，在水温条件有利时减少系统运行能耗的特点。

热泵；水温；取水温差；动态

0 引言

水源热泵技术因国家政策的支持及其节能性而得到广泛的推广和应用[1,2]。江水作为水源热泵系统的一种热源和热汇，其温度较空气而言较为稳定。但是江水受气候条件、流量等因素影响较大，而较土壤源或地下水源具有温度波动大的特点。江水取水温度直接影响江水源热泵系统的能效[3]，且江水取水温度的设计取值影响着系统的容量和设备配置[4,5]。然而我国目前对江水取水温度的确定一般按最热/冷月平均水温作为江水取水温度设计值，用定值代替实际值而忽视江水温度的变化[6]。在江水源热泵应用领域亦存在水温基础数据不完整的问题[7]。因此，有必要对江水温度进行连续实测以便于分析江水温度变化规律和江水源热泵系统的节能潜力。目前国内外对江水温度特性的研究较多，集中于分析采用江水为冷热源的节能性。Büyükalaca等对Seyhan河水温进行了全年测试，并将水温数据与气温进行了比较，结果表明采用河水为冷热源更节能[8]。谭洪卫等对黄浦江水温进行实测，探讨了以黄浦江水作为江水源热泵系统冷热源的节能潜力[9]。在水源热泵用水温方面，则往往是对依据定水温设计条件下的取水温差展开的研究。文献[10]指出冷却水采用“大温差、小流量”的设计原则可以减少取水量，降低输配能耗，但随着冷却水取水量的减小，会使得机组水源测换热器表面传热系数减小，机组运行能耗加大。因此考虑到机组能耗和冷却水泵输配能耗的耦合关系，取水侧温差不能无限加大，而是存在一个最佳的取水温差。文献[11,12]对水源热泵系统最佳取水温差的确定方法进行了研究，并证明采用最佳取水温差比采用传统的5℃温差节能显著。然而这些研究均未考虑实际运行中江水温度的变化。因此本文旨在对江水温度进行实测，以掌握江水温度变化规律，从而为确定不同水温条件下的最佳取水温差奠定基础，进而提出动态取水温差控制策略，进一步发挥江水源热泵系统的节能潜力。

1 江水温度变化规律

1.1 水温数据的获取

为充分了解江水温度全年变化规律，笔者对嘉陵江重庆段洪崖洞区域水温进行了连续的观测。主要测试仪器为T型热电偶（精度±0.2℃）和安捷伦34970A数据采集仪，测试记录时间间隔为5min，测试深度为水面下5m和10m。

1.2 江水温度变化规律

1.2.1 同一日内江水温度变化

由于江水具有较大的热惰性，江水水温并不能随着气温等外界条件的变化而及时变化。从图1中可以看出同一日内江水温度变化较小，通常小于1℃，对于工程应用而言可以忽略，因此在研究中可以用日平均水温代替逐时江水温度。另外，还可以看出同一日内不同水深处水温变化是同步的，且水面下5m与水面下10m处水温相差不大，平均温差0.3℃，最大温差为0.49℃，这是因为江水不同于水库等静止水体，其剧烈的扰动流动破坏了水温分层现象，因而可以忽略深度对水温的影响。

图1 同一日内江水温度变化

1.2.2 全年江水温度变化规律

江水全年温度受气候条件、流量等因素影响较大，具有一定的波动性。从图2中可以看出江水温度全年变化较大，江水最低温度低于10℃，最高达30℃。就整个供冷季而言，实际江水水温在多数时段也较大偏离常采用的25℃的设计取水水温。在供冷初期和末期，江水温度明显低于25℃，而在供冷中期江水温度又明显高于25℃，因此将江水温度取作一个定值是不合适的。

图2 全年江水日平均温度变化

2 江水源热泵系统动态取水温差控制策略

目前变水量作为节能技术被广泛采用，其设计的主要依据是根据变化的负荷来调整输配流量从而达到供回水温差恒定的要求，节能效果明显。而江水实际水温与设计水温的偏差，使得水源热泵系统在实际运行过程中冷热量的供应与需求不能很好地匹配，从而产生浪费或不足。如果能够在设计最佳取水温差的基础上考虑江水水温的实际变化情况，将更大程度地发挥水源热泵系统的节能效果。因此，可以在满足系统负荷的基础上，根据取水温度变化情况，合理控制和优化取水温差，使之与机组性能相匹配，达到水源热泵系统高效稳定运行的目的。

2.1 最佳取水温差的确定

图3 不同取水温度下取水温差与的关系

2.2 动态取水温差控制策略

针对冷却水特性的研究表明[13,14]，将取水温差恒定取为5℃不利于系统节能。对于江水源热泵的系统设计，目前较普遍采用的方法是取最热月平均水温25℃作为冷却水的进水温度，选取在此温度下的最佳取水温差。根据公式（1）可得江水取水温度为25℃时最佳取水温差为7℃，此温差具有一定的系统节能意义。然而，在整个供冷季江水水温并非始终保持25℃，当水温较高时，系统达不到设计工况无法满足建筑供冷需求，而当水温较低时，则具有更多的节能空间。动态取水温差策略充分考虑了江水温度的变化特性，在不同的江水取水温度下采用不同的取水温差。在实际运行中取水温差不可能取连续的任意值，因此本文将最佳取水温差值相近的水温划分为同一个水温段，在此水温段取同一个取水温差。最终将整个供冷期江水温度划分为3段：当江水水温为20℃～25℃时，取水温差为7.3℃；当江水水温为25℃～30℃时，取水温差为6.5℃；当江水水温为30℃以上时，取水温差为5.5℃。

2.3 实例研究

以重庆市某江水源热泵工程为例，该工程采用嘉陵江水作为水源热泵系统的热源和热汇，其主要设备参数如表1所示。该工程的建筑类型为商业类建筑，利用DeST软件模拟可以获得该建筑夏季制冷工况逐时负荷如图4所示。根据水温数据、建筑负荷，以及水源热泵系统性能特性便可以计算出整个供冷季分别采用两种取水温差控制策略下的能耗。图5为动态取水温差控制策略较固定取水温差控制策略在整个供冷季的节能率情况。

表1 某工程主要设备参数表

图4 某建筑夏季制冷工况逐时负荷变化

图5 供冷季动态取水温差控制策略较固定取水温差控制策略节能率

从图5中可以看出，采用动态取水温差控制策略较采用固定取水温差控制策略在整个供冷季具有节能优势。在供冷初期，此时江水温度较低，可以采用比设计取水温度下最佳取水温差更大的值来降低系统的运行能耗。而在供冷中期，之所以在某些时段采用动态取水温差控制策略比采用固定取水温差控制策略耗能更高，是因为此时建筑负荷较大且江水取水水温实际值已达到较高的水平甚至超过30℃，此时系统在实际运行中已达不到7℃的取水温差，仍然采用固定的7℃的设计温差系统已不能满足建筑的供冷需求。动态取水温差控制策略在江水进水温度较高时采用较小的取水温差，通过增大取水量来保证水源热泵机组的正常运行，从而更大程度地保证系统满足建筑的负荷需求。通过理论计算发现，在整个供冷期采用动态取水温差控制策略总能耗比采用固定取水温差控制策略总能耗节省3%，单日最大节能率12.87%。因此，在保证建筑负荷、满足室内热舒适的前提下，采用动态取水温差控制策略节能效果显著。

3 结论

本文通过对嘉陵江重庆段的水温测试，探究了江水温度变化规律。测试结果表明江水温度同一日内变化不大，可以忽略。而江水全年温度变化较大，在系统设计和运行时应充分考虑江水的温度变化特性。此外，研究提出了动态取水温差控制策略，结合重庆市某实际工程案例分析，发现采用动态取水温差控制策略较采用固定最佳取水温差控制策略更具节能性，且采用动态取水温差控制策略还能更大程度的保证系统满足建筑的负荷需求。因此，在水源热泵系统设计与运行指导过程中，江水水温不宜取恒定值，应充分考虑江水温度的变化特性。采用动态取水温差控制策略能够保证水源热泵系统在水温条件不利时满足建筑负荷的冷热需求，而在水温条件有利时减少水源热泵系统的运行能耗。

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A Water Temperature Model for River Water Source Heat Pump and its Application

Wang Zuolin1Li Mo2Bai Xuelian1

( 1.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045;2.Hebei Academy of Building Research, Shijiazhuang, 050021 )

The water-intake temperature is a key factor affecting the design and operation of river water source heat pump systems. In order to master the dynamic characteristics of river water temperature, the temperature of Jialing river was tested. Result shows that water temperature changes dramaticly with time. The dynanmic water-intake temperature difference control strategy was proposed with the water temperature data. A case study shows that the dynamic water-intake temperature difference control strategy does better in matching the cold/heat supplied by the heat pump and the cooling/heating load of the building than the fixed water-intake temperature difference control strategy.

heat pump systems; water temperature; water-intake temperature difference; dynamic

1671-6612（2017）02-113-05

TU831

A

中央高校基本科研业务费项目（No.106112012CDJZR210005）

王作林（1988-），男，硕士，E-mail：wangzuolin@cqu.edu.cn

白雪莲（1973-），女，博士，教授，E-mail：xuelianbai@cqu.edu.cn

2015-12-21