寒冷地区地表水地源热泵系统设计及应用

吴荣华 王鹤翔 展 浩

(1.哈尔滨工业大学(威海),威海,中国;2.加州大学圣地亚哥分校,圣地亚哥,美国;3.青岛科创蓝新能源股份有限公司,青岛,中国)

0 引言

我国北方寒冷地区冬季地表水温度普遍低于5 ℃[1],极寒天气下会降低到2 ℃以下,这也是北方地区湖水源热泵得不到应用和海水源热泵应用失败的主要原因之一。此温度下的水源直接引入热泵机组会造成机组蒸发器结冰损坏,如果采取二次换热的形式,则换热器也面临结冰损坏的问题。国内外针对寒冷地区地表水地源热泵的研究主要集中在提取湖水/海水潜热[2-3]或改进蒸发器结构[4-5]等方面。

本文总结寒冷地区地表水地源热泵系统的设计与应用经验,对寒冷地区冬季水温特点,地表水地源热泵系统形式、运行工况和设备配置,尤其是取水工况和二次换热结冰等问题进行分析,并给出实际案例,为地表水地源热泵在寒冷地区的应用提供参考。

1 寒冷地区冬季地表水温度特点

寒冷地区是我国5个气候区之一,该类地区最冷月平均温度为-10～0 ℃,日平均温度≤5 ℃的天数为90～145 d,主要包括北京、天津、河北、山东、山西、宁夏、陕西大部、辽宁南部、甘肃中东部、新疆南部、河南、安徽、江苏北部及西藏南部等地区。

1.1 水体温度分层特性

除冬季外,寒冷地区的湖泊、江河水体温度主要受太阳辐射与空气温度的影响,变化规律与其他地区一致[6-7]。但冬季寒冷地区室外温度长期低于0 ℃,湖泊、江河等水体表面会形成厚度不等的冰层,冰层增加了水体与空气间的换热热阻,同时反射了大部分太阳辐射[8],由此形成了特殊的水体温度分布。准确了解冬季冰层下水体温度分布及外界环境因素对水体温度的影响,是在寒冷地区设计应用地表水地源热泵系统的关键。

常压下水的三相点温度为0 ℃,因此冰层附近的水体始终保持冰点温度。水具有特殊的反常膨胀现象,淡水湖泊的水体在4 ℃左右时密度最大[9],由于湖水的流动性较小,温度高于4 ℃的湖水在密度差的作用下上浮降温,最终使得大部分水体的水温与水深成正比,深度越深,水温越高。我国北方地区冰盖下浅层湖水的温度普遍低于5 ℃[10]。由于河水与海水的流动性较强,使得水体的整体温度分布较为均匀,实测深度在5 m以内的河流及近岸海水没有明显的温度分层现象。

1.2 水体温度主要影响因素

由于冰盖的阻隔,冰盖下水体的温度主要与太阳辐射和土壤温度有关。一般认为未结冰水体太阳净辐射量的50%～60%在水面被吸收,另外40%～50%穿过水面向下传播[6],对于裸露冰盖,只有可见光能够透射穿过冰盖进入水体,而红外线在冰盖表面被完全吸收[11]。Henneman等人的研究指出,由于冰盖的阻隔,用于加热水体的可见光辐射能与总辐射能之比为0.443～0.483,根据当地天气状况,晴天取较小值,阴天取较大值[8]。我国各地区深层土壤温度年均变化不大,以深圳地区为例,地表40 cm以下的土层温度基本不受太阳辐射的影响[12],地表150 cm以下的土壤温度常年恒定[12-14]。冬季水体温度随气温降低[15],但周围土壤温度波动不大,土壤热量会通过热传导与热对流传递到水体[16],其在水体总蓄热量中占有很大的比例。设计初期计算水体可提供热量时需要同时考虑太阳辐射与土壤蓄热的影响,计算式见式(1)、(2)。

Qty=AiIfΓ

(1)

式中Qty为太阳辐射热能,W;Ai为太阳辐射界面面积,m2;If为确定纬度下的太阳辐照度,W/m2;Γ为太阳辐射吸收率,地表水体一般取0.15～0.30。

Qtr=AsDt

(2)

式中Qtr为土壤热能,W;As为土壤导热界面面积,m2;Dt为土壤热通量密度,W/m2。

2 地表水地源热泵系统连接形式

地表水地源热泵系统的基本原理如图1所示。热泵机组与水源热泵的连接方式有直接连接与间接连接2种[17]。热泵机组间的连接方式又可分为并联式、串联式和混水式。不同连接方式各有优劣,需要根据实际需要和用热建筑特点进行选择和设计。

图1 地表水地源热泵系统原理图

2.1 源侧与机组连接形式

图1所示为热泵机组与源侧直接连接的系统形式,图2所示为间接连接的系统形式。对于常规地表水地源热泵系统,若源侧水质良好,冬季最低水温在5 ℃以上,且源侧取热温差不超过5 ℃,则机组可以直接连接水源取热。直接连接系统运行效率较高,且管路结构简单,运行维护难度较低。若可利用水源的水质不佳,如从原生污水[18]或海水取热,则应在水源与机组间增加一级间接换热系统。间接连接系统的管路结构较为复杂,但有效避免了前期的水处理步骤。对于寒冷地区,水温波动较大,供热中期水温普遍低于5 ℃,供热初末期与中期源侧水流量大幅变化,增加间接换热系统可以维持机组蒸发侧流量稳定,同时将结冰风险转移到中间换热器,避免结冰导致蒸发器铜管破损。

图2 间接连接并联系统示意图

2.2 机组连接形式

机组并联是指将多个热泵机组单独安装,每个机组的热量输出依次经过换热器进行传递,从而为整个建筑提供热量,各机组的源侧进水与末端回水温度相同。如图2所示,并联系统的结构简单,机组运行效率高,但用水量更大,水源条件较好的地区建议使用此类系统,以提高系统的制热能力与稳定性。

机组串联是指将多个热泵机组的蒸发侧或冷凝侧串联,每个机组可以独立运行。其中:蒸发侧串联适合源侧水量不足但水温较高的使用环境;冷凝侧串联则多用于末端供回水温差较大时,通过逐级加热提高系统的整体效率。图3所示为在寒冷地区应用的水源热泵系统使用的冷凝器串联方案,通过冷凝器串联可以有效降低单台压缩机的压比,提高系统的运行稳定性。

图3 间接连接串联系统示意图

混水系统包括源侧混水和末端混水2种。源侧混水主要用于水温条件良好但水流量不足的环境,系统结构相对复杂且机组效率不高;末端混水则是通过控制供水与回水混合的比例,调节出水温度,从而达到控制室内温度的目的。极寒天气源侧取热量不足时,可以在供热系统中增加调峰热源,并通过混水系统调节末端供回水温度,如图4所示,对于调峰负荷占比不大的供热系统,建议将调峰热源与机组串联,尽可能降低调峰循环对末端流量的影响。

图4 供水管路并联调峰系统示意图

3 系统设计工况

设计之初,必须确保当地的水文条件,如水源的水量、水温、水质等全部符合水源热泵机组的使用要求,并取得当地主管部门许可,同时对使用水源热泵系统带来的经济效益进行分析,确保使用水源热泵系统的合理性。寒冷地区水源热泵系统的夏季制冷工况与常规水源热泵相同,本文所述的系统设计及应用主要针对寒冷地区水源热泵的冬季运行工况。

3.1 末端设计工况

如图1所示,水源热泵系统可以分为末端、机组和源侧。末端循环系统主要由末端散热装置、连接管网和循环泵组成,设计系统末端时应当综合考虑热泵机组性能及管网初投资。设计前初步调查供暖系统的末端装置类型,以此确定末端供回水温度。增大供回水温差会提高热泵机组的冷凝温度,降低机组运行效率,但末端循环管路可以使用更小的管径和小功率循环泵,大幅减少了末端管网的初投资。寒冷地区应用地表水地源热泵系统时,若末端管网建设成本过高,可考虑适当增大末端换热温差,减小末端管径,同时将机组冷凝器串联,以提高单机运行效率。对于大型能源站,以青岛为例,由于新建小区基本都采用地面辐射供暖,一次网设计温差一般为10～15 ℃,二次网设计温差一般为10 ℃,一次网供/回水温度建议设为60 ℃/48 ℃,二次网供/回水温度建议设为45 ℃/35 ℃,此温度下机组运行效率较高且管网初投资相对较低。

3.2 源侧设计工况

应用于寒冷地区的水源热泵系统源侧主要包括中间循环和湖(河)水循环系统。中间循环系统主要由中间换热器、连接管网和中间泵组成。由于冬季水温较低,为了防止换热器及机组蒸发器结冰,一般采用冰点温度较低的载冷剂作为中间循环介质,如乙二醇、丙二醇水溶液等。设计中间循环系统时需综合考虑管网投资、机组运行效率和循环能耗。增大中间侧循环温差降低了管网初投资及循环能耗,同时也降低了机组的蒸发温度,机组效率有所下降。由于换热器一般紧邻机组布置,管网阻力不大,为提高机组运行能效,中间循环系统可以按3～4 ℃温差设计。

一般而言,根据当地气候,水源水进出机组的温差Δts可以取5～11 ℃,具体的温差取值可以参考所选热泵机组的设计工况,根据机组蒸发吸热量匹配管网管径与循环泵功率。寒冷地区冬季湖(河)水温度一般低于5 ℃[19],最低温度低于2 ℃,且此时机组的取热量远大于供热初末期,按照常规工况设计的管网系统极易结冰冻裂,因此,设计工作于寒冷地区的水源热泵系统时,源侧管网管径与循环泵功率需要匹配极端工况,最大许用流量应当满足极端天气下引、退水温差1 ℃时的机组取热要求。

确定机组末端和源侧设计工况后,计算末端热量与冷量需求,按照热量与冷量中的较大值选择热泵机组。

4 系统主要设备配置

水源热泵系统的主要设备包括水源热泵机组、换热器、循环泵及连接管网等。针对寒冷地区的特殊工况,部分设备需要采用特殊的设计和运行策略,尤其是中间换热器,要应对大流量小温差的变工况运行和防冻问题。

4.1 中间系统设备配置

相较于机组与源侧直接连接,间接连接会导致同等水温下机组的蒸发温度下降,同时增加系统的循环能耗,但考虑到机组蒸发器冻裂带来的损失,增加一级中间循环是必要的。

常规污水源或海水源热泵系统的中间换热器设计时主要考虑结垢堵塞、化学腐蚀和生物腐蚀问题,多采用聚丙烯换热器、钛管换热器、红铜换热器和聚氯乙烯(PVC)U形管换热器等,这类换热器或价格昂贵或换热性能较差,很难在投资与性能之间达到平衡。由于主要以湖(河)水作为热源,水体相对清洁且腐蚀性不强,寒冷地区水源热泵系统可以使用常规的水-水换热器,或使用专为污水及地表水系统设计的疏导式换热器。实际工程中发现,中间换热器也存在结垢堵塞及藻类附着问题,但结垢速率明显低于污水换热系统,常规的化学清洗、水压清洗、机械清洗等方式都可以快速有效地解决此类问题[20]。

相对而言,寒冷地区水源热泵的中间换热器有较高的结冰风险,建议选用壁厚2 mm以上的疏导式换热器或壳管式换热器,并在换热器入口侧增加过滤装置,出口侧增加温度传感器。此类换热器结构较为坚固,少量结冰不会影响机组运行,但不可长期运行于此工况下。

4.2 取水泵站设备配置

常规水源热泵设计取水温差为5～11 ℃,寒冷地区冬季源侧设计取热温差则为1.0～1.5 ℃。寒冷地区地表水地源热泵系统的取水泵站可以按图5设计。

图5 地表水地源热泵近岸取水示意图

取水泵站由进水口、集水间和水泵间组成。在集水间设置孔篦或格栅,以防止悬浮物堵塞水泵。在河流中设置取水点时,取水点要避免设在易于产生水内冰的急流、冰穴、冰冻等地方及支流出口的下游,以及流冰易于堆积的浅滩、沙洲、回流区和桥孔的上游附近,以避免冰凌的影响。

与常规水源热泵系统取水泵站的设计方案不同[5],寒冷地区水源热泵的取水泵站设计需要兼顾供暖初末期与供暖中期的流量要求。供暖初末期湖(河)水温度较高,且末端负荷较低,此时部分机组停机,部分机组串联运行,系统的用水量较小;供暖中期湖(河)水温度降低,此时末端负荷为全年最大,所有机组满负荷运行,系统的用水量最大,因此引、退水管网的管径应按最小温差、最大流量设计。需要注意的是,当机组部分负荷运行时,管网流量小于设计流量,此时的管道阻力远低于设计工况,水泵有超电流风险。

综合考虑机组运行于供热初末期及供热中期时的管网阻力问题,为避免单台水泵超电流损坏,且要满足机组流量需求,建议选择多台同型号变频水泵并联,或增设一拖一变频器,供热初期部分水泵变频运行,随水源侧温度变化适时调整水泵运行数量和功率,泵站内水泵的总功率应满足极寒天气时机组的流量和扬程要求。

5 典型案例

青岛市高新区2号能源站供热项目采用典型的寒冷地区地表水地源热泵系统。该项目早期使用空气源热泵机组临时供热,由于极寒天气影响,机组供热季实际综合运行能效低于2.0,供热运行成本较高,因此后期项目选择使用水源热泵机组供热,使用电锅炉调峰。该项目按照优化后的水源热泵系统方案进行设计,2022年11月正式投入运行,已稳定工作1个供热季。

5.1 冬季水资源特性

2号能源站位于青岛市高新区,该项目从祥茂河取水,引水管道连接羊毛沟四支流,退水管道连接羊毛沟三支流,取水点所在支流连接高新区汇流入海口。

根据式(1)与式(2)初步计算高新区水系的可用热量。高新区水系流域面积为364万m2,根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》数据可知,青岛地区冬季太阳辐照度If=118 W/m2,太阳辐射吸收率Γ取0.17,可得高新区水系所能吸收的太阳辐射能为73 MW。将地表水流域面积(364万m2)、土壤热通量密度(Dt=20 W/m2)代入式(2)可得高新区水系所能吸收的土壤热能为72.8 MW。高新区水系蓄水量为790万m3,可取河水显热温差为2.5 ℃,显热取热量为16.0 MW。同理,2号站取水水系流域面积为40万m2,蓄水量为80万m3,太阳辐射取热量为8 MW,土壤导热量为8 MW,河水显热为1.6 MW。总取热量为17.6 MW。

为进一步分析当地水文条件,统计了1月28—30日羊毛沟四支流水温与冰面光照度的变化,结果如图6所示。该时段内天气较为晴朗,冰面无积雪,水温测试点位于水深1.5 m处。从图6可以看出,河水的温度与太阳辐射密切相关,14:00左右水温最高,夜间水温逐渐降低。太阳辐射对水体温度的影响具有延迟性,即每日水温达到最高点的时刻较太阳辐照度的峰值时刻晚1～2 h,这可能与水温监测点较深有关。总体上,河水日平均温度持续升高,监测时间内,河水最低温度为0.7 ℃,最高温度为2.4 ℃。

图6 水温与冰面光照度变化

5.2 系统形式和设计工况

2号能源站的总供热面积为66.3万m2,二期供热面积为11.5万m2。末端系统设计时参考青岛地区室外设计参数,如表1所示。末端用户采用地面辐射供暖,设计室内温度为20 ℃。根据表1及建筑实际围护结构参数,计算得到二期水源热泵系统的制热量为5 200 kW。

表1 青岛地区室外设计参数

取水点位于祥茂河入海口附近,冬季最低水温低于1 ℃,具有较高的结冰风险,因此选用间接换热系统,极寒工况下设计取水温差为1.2 ℃,水源侧具体设计参数如表2所示。

表2 水源热泵设计参数 ℃

5.3 系统主要设备配置

根据表1和表2,该项目选用2台四机头热泵机组,热泵机组的性能参数如表3所示。单台机组蒸发器并联、冷凝器串联,具体连接方式如图7所示,间接换热系统选用8台换热面积为200 m2的疏导式换热器,使用质量分数为26%、常压下冰点温度为-11.4 ℃的乙二醇水溶液作为中间换热工质,并配有1台流量900 t/h、扬程32 m、功率110 kW的中间泵,该水泵采用变频控制。

表3 热泵机组性能参数

图7 能源站热泵机组管路连接示意图

从表2可知,该项目的设计工况较为恶劣,机组水源侧的取热温差只有1.2 ℃,但在供暖初末期,当地水文条件较为良好,河水温度一般为5～10 ℃,显然,此时将取热温差设置为1.2 ℃是不合理的。因此,为了同时满足供暖初末期和极寒天气的水源侧流量要求,该系统一期、二期共设置5台流量800 t/h、扬程50 m、功率160 kW的取水泵,四用一备,每台水泵都设有独立的变频器,极寒天气下备用泵也可以并联投入运行。供热初末期,机组取热量不大且水源温度较高,可以设定2台水泵30～40 Hz运行,以避免水泵超电流损坏;极寒天气下,机组取热量大且水源温度较低,此时可以使用5台机组高频运行,以满足末端用热要求;其余时段,根据水源侧温度适当调节水泵启用数量和运行频率。

该系统引、退水采用地埋管路,总长度超过3 km,深埋及后期铺平成本较高,且后续几期工程即将投入建设,为减少后期管网铺设成本,一期工程铺设的引、退水管路管径均为DN1000。为避免管径过大导致取水泵损坏,二期建设的水源热泵系统启用前预先设定变频器最高运行频率为45 Hz。

5.4 极寒天气实际运行参数

2号能源站2022年10月试运行,迄今已稳定工作1个供暖季。1月28日全天机组运行参数变化如图8～11所示,此时段内河水流量稳定在1 800 m3/h。

图8 环境温度与引、退水温度变化

图9 机组蒸发器进、出水温度变化

图10 机组冷凝器进、出水温度变化

图11 热泵机组COP变化

图8显示,随着环境温度升高,河水温度缓慢回升。在1月28日凌晨至次日正午时分,系统的退水温度已经接近0 ℃,引水温度则长时间低于1 ℃,源侧换热温差小于1 ℃,此工况超出常规水源热泵机组的许用范围,直接将此温度的河水引入热泵机组蒸发器极易导致蒸发器内部结冰,进而冻裂换热铜管,导致制冷剂泄漏,造成供热事故。因此,极寒工况下采用间接换热模式是必要的。

图9显示,机组的蒸发器出水温度在-2 ℃左右,即中间系统的换热温差为2 ℃,与设计工况相匹配。河水流量略大于设计工况流量,可能是由于取水管管径过大,阻力过小,即使水泵频率设定在45 Hz,实际流量仍超出额定值,此时应适当降低水泵频率。监测时间内,疏导式换热器前后压差恒定,未观察到明显的结冰现象。

图10显示了单台机组2个冷凝器的进、出水温度,由于单台机组的2个冷凝器串联,进入第2台冷凝器的回水即为第1台机组的供水,末端系统的一级实际温升为4 ℃左右,二级实际温升为5 ℃左右,机组供水温度设定为50 ℃,系统的供热性能稳定。

图11显示了1月28日全天热泵机组的能效变化。如图7所示,单台热泵机组的蒸发器并联、冷凝器串联,一级冷凝温度设定为43 ℃,二级冷凝温度设定为50 ℃。从图11可以看出:由于蒸发温度相同,冷凝温度较低的一级压缩机性能系数COP1较高,为3.9左右;冷凝温度较高的二级压缩机性能系数COP2相对较低,为3.3左右;当日机组的整体运行工况良好,综合COP为3.6左右,极寒天气下水源热泵机组仍具有较高的运行能效,运行成本相较于空气源热泵机组有明显优势。

6 结论

北方寒冷地区冬季湖水、海水温度普遍低于2 ℃,使用地表水地源热泵供热时极易发生取热温差过小机组无法运行与机组结冰管道冻裂问题,这在一定程度上限制了水源热泵在我国的推广。为解决此类问题,本文分析了寒冷地区的水资源特性,给出了湖水、河水蓄热量计算公式,从系统连接形式、系统运行工况和主要设备配置等方面对水源热泵系统进行了改进和优化,以期进一步拓展高效节能的水源热泵机组在北方地区的应用。

由于冰盖影响,寒冷地区冬季河湖水及海水温度普遍低于5 ℃,部分时段低于2 ℃,热泵机组与水源侧直接连接极易导致蒸发器结冰损坏,建议采用间接连接,使用壁厚大于2 mm的壳管式或疏导式换热器作为中间换热器,中间换热工质可以选用冰点较低的载冷剂。

供热初末期与供热中期水温波动较大,为保证机组低水温时的流量要求,源侧管网管径与循环泵功率需要匹配极端工况,预测极端天气末端用热量,并确保最大流量满足1 ℃温差的取热要求;由于管径较大,设计泵站时应采用多台同型号取水泵并联,水泵变频运行,并根据水泵特性曲线设定最高安全运行频率,设计泵站时取水点应注意避免结冰与产生冰凌。

对高新区水源热泵供热项目的研究表明,冬季水体温度受太阳辐射影响明显,正午时分水温较高,凌晨时分水温较低;1月28日凌晨引、退水管路的退水温度为0 ℃左右,此时换热器阻力恒定,未发生结冰堵塞现象;源侧取热温差为0.9 ℃、流量为1 800 m3/h时,可以满足2台单台制热量2 600 kW水源热泵机组的取热要求。优化后的水源热泵系统具有较高的稳定性和可靠性,可以在北方寒冷地区推广和应用。