地热水耦合热泵供热系统设计方案差异性分析

芦 岩，林 辉，田雨辰，田 亮，竹巧艳

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；2.天津大学 仁爱学院，天津 300051)

1 概述

随着清洁供热的大力推广以及环保要求的不断提高，地热供热越来越受到重视，尤其是在我国华北地热资源较丰富的地区。

本文介绍地热耦合热泵供热系统的设计方案、工艺流程、运行策略，建立供暖期系统能效比的计算模型。结合算例，在分阶段改变流量的质调节运行方式下，对两种地热耦合热泵供热系统的供暖期系统能效比进行对比计算。

2 设计方案

地热耦合热泵供热系统以梯级利用地热水热量为原则，采取地热水直接供热与热泵机组利用地热尾水余热的供热系统。根据供热循环泵的设置位置，地热耦合热泵供热系统通常分为两种设计方案：方案1：制热设备(换热器、热泵机组)与供热循环泵采取一机一泵的固定设置(见图1)。方案2：供热循环泵集中并联设置(见图2)。对于方案1、2，地热水均逐级流经地热水换热器1～3。

图1 方案1系统流程1～3.地热水换热器 4、5.中间循环泵 6、7.热泵机组 8～10.供热循环泵 11.潜水泵

① 方案1的运行策略

由图1可知，方案1的供热循环泵与制热设备对应关系固定，启用某台制热设备时必须启用相应的供热循环泵。当供暖热负荷小于地热水换热器1的供热能力时，启用地热水换热器1与供热循环泵8。当供暖热负荷大于地热水换热器1的供热能力且小于地热水换热器1与热泵机组6的供热能力之和时，启用地热水换热器1、地热水换热器2、热泵机组6与供热循环泵8、9。供暖热负荷继续增加，最终将地热水换热器1～3、热泵机组6、7以及供热循环泵8～10全部启用。

② 方案2的运行策略

方案2的运行策略与方案1类似。由图2可知，由于供热循环泵集中并联设置，供热循环泵与制热设备的对应关系相对松散，因此制热设备与供热循环泵的匹配更加灵活。

图2 方案2系统流程1～3.地热水换热器 4、5.中间循环泵 6、7.热泵机组 8～10.供热循环泵 11.潜水泵

3 供暖期系统能效比计算

3.1 计算流程

计算流程见图3。

图3 计算流程

3.2 关键计算内容

① 分阶段改变流量的质调节方程组

分阶段改变流量的质调节方程组为[1]：

θw=θn-η(θn-θw,d)

Δθs,d=0.5(θg,d+θh,d-2θn)

Δθd=θg，d-Δθh,d

式中η——负荷率

Φ、Φd——实际、设计热负荷，kW

θw——室外温度，℃

θn——供暖室内设计温度，℃

θw,d——供暖室外计算温度，℃

qr——相对质量流量

qm、qm,d——实际、设计质量流量，t/h

θg、θh——实际供、回水温度，℃

Δθs,d——设计工况散热设备过余温度，℃

b——散热设备散热特性系数，地面辐射供暖系统取1.05

Δθd——供热系统设计供回水温差，℃

θg,d、θh,d——供热系统设计供、回水温度，℃

② 供暖期系统能效比

供暖期系统能效比ISEER的计算式为：

式中ISEER——供暖期系统能效比

Qtot——供暖期系统总供热量，kW·h

Etot——供暖期系统耗电量，kW·h

Pi——第i种负荷率的系统耗电功率，kW

ti——第i种负荷率的延续时间，h

③ 热泵机组制热性能系数

根据生产厂家提供的热泵机组部分负荷性能曲线，可以得到部分负荷条件下，额定出水温度时热泵机组6的制热性能系数Ir,6的拟合式为：

Ir,6=1 343.2γ6-4 615γ5+6 211.6γ4-

4 112.1γ3+1 365γ2-203.3γ+16.442

式中Ir,6——部分负荷条件下，额定出水温度时热泵机组6的制热性能系数

γ——热泵机组部分负荷率

部分负荷条件下，额定出水温度时热泵机组7的制热性能系数Ir,7的拟合式为：

Ir,7=314.35γ6-1 154.2γ5+1 623.7γ4-

1 069.8γ3+312.82γ2-24.962γ+3.033 9

式中Ir,7——部分负荷条件下，额定出水温度时热泵机组7的制热性能系数

部分负荷条件下，实际出水温度时热泵机组制热性能系数I的计算式为：

式中I——部分负荷条件下，实际出水温度时热泵机组的制热性能系数

Ir——部分负荷条件下，额定出水温度时热泵机组的制热性能系数

θd、θ——部分负荷条件下，热泵机组额定出水温度、实际出水温度，℃

β——制热性能系数变化率，K-1，本文取2.21 K-1[2]

4 算例

4.1 设定条件

由系统工艺流程及运行策略可知，分阶段改变流量的质调节运行方式更加适合地热耦合热泵供热系统。以天津地区作为研究对象，供暖期按当地惠民政策为151 d，当年11月1日至次年3月31日。地热井出水温度为80 ℃，采水量为80 t/h，设计回灌温度为10 ℃。用户室内采用地面辐射供暖系统，供暖室内设计温度为20 ℃，设计供、回水温度为50、40 ℃。

① 设备配置

方案1、2的设备配置情况一致，地热耦合热泵供热系统设备额定参数见表1。

表1 地热耦合热泵供热系统设备额定参数

② 气象参数

逐时气象参数采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中天津市典型气象年中11月1日至次年3月31日的逐时室外干球温度。

③ 热负荷延续时间

设计热负荷为7 383.6 kW。不同负荷率的持续时间、室外温度见表2。

表2 不同负荷率的持续时间、室外温度

④ 供热调节曲线

方案1、2的供热调节曲线一致，见图4。供暖期分为3个阶段：室外温度大于7.85 ℃时仅需启用供热循环泵8。室外温度小于等于7.85 ℃且大于-0.25 ℃时，启用供热循环泵8、9。室外温度小于等于-0.25 ℃时，启用供热循环泵8～10。在每个阶段内进行质调节。

图4 供热调节曲线

4.2 计算结果

① 供热设备运行情况

虽然供热调节曲线相同，但计算结果显示两种系统在运行时存在着差异。供暖期方案1、2设备启用情况分别见表3、4。由表3、4可知，在分阶段改变流量的质调节方式下，方案2可以灵活匹配制热设备与供热循环泵，单独运行地热水换热器1的时间比方案1长655 h，缩短了热泵机组的运行时间。

表3 供暖期方案1设备启用情况

表4 供暖期方案2设备启用情况

② 供暖期系统能效比

由计算结果可知，方案1、2的供暖期系统能效比分别为9.20、10.03。与方案1相比，方案2的供暖期系统能效比提高9%。主要原因为供热量相同的前提下，方案2缩短了热泵机组运行时间。

5 结论

① 与方案1相比，由于方案2的供热循环泵集中并联设置，供热循环泵与制热设备的对应关系相对松散，制热设备与供热循环泵的匹配更加灵活。

② 方案1、2的供暖期系统能效比分别为9.20、10.03。与方案1相比，方案2的供暖期系统能效比提高9%。