海水源热泵区域供热系统最大供热半径的研究_舒海文

海水源热泵区域供热系统

＊

最大供热半径的研究

大连理工大学　舒海文☆　端木琳清华大学　朱颖心

摘要　在国家建筑节能设计标准中的耗电输热比EHR的基础上引申得到了热水循环泵输送能耗与系统供热量的一次能耗比EHR′指标,并根据对海水源热泵区域供热系统EHR′指标的不同控制要求,得到了系统的最大供热半径。经计算,当热水供回水温差为10℃,海水源热泵区域供热系统的EHR′指标分别控制在5%,10%,15%,20%时,系统的最大供热半径应分别为0.875,2.75,4.625,6.5km。

关键词　海水源热泵系统　区域供热　最大供热半径　一次能耗比

Studyofmaximumheatingradiusofseawater-source

heatpumpdistrictheatingsystems

ByShuHaiwen★,DuanmuLinandZhuYingxin

Abstract　Onthebasisoftheratioofelectricityconsumptiontotransferredheatquantity(EHR)

propagatedinthenationalbuildingenergyefficiencydesignstandard,obtainstheindexofprimaryenergyconsumptionratioofhotwatertransportationtotheheatsupplied(EHR′).Calculatesthemaximumheatingradiusesofseawater-sourceheatpumpdistrictheatingsystems(SSHPDHS)underdifferentindexesofEHR′.ThecalculationresultsshowthatiftheindexesofEHR′aresetat5%,10%,15%and20%,themaximumdistrictheatingradiusesofSSHPDHSwithsupplyandreturnhotwatertemperaturedifferenceof10℃are0.875,2.75,4.625and6.5kmrespectively.

Keywords　seawater-sourceheatpumpsystem,districtheating,maximumheatingradius,primaryenergyconsumptionratio

★DalianUniversityofTechnology,Dalian,LiaoningProvince,China

0　引言

我国近些年来经济持续高速发展,由此带来的能源消耗与环境污染问题日趋严重。建筑的供热与空调系统是建筑能耗中的“大户”[1],国家相关部门除相继出台了多部建筑节能方面的国家和行业标准外,还积极鼓励在适合的建筑工程中采用可再生能源、清洁能源作为供热和空调系统的冷热源,以减少对煤等不可再生的矿物能源的依赖。在这种大背景下,海水源热泵系统由于利用了海水的温差热能,因而作为一种可再生能源的利用技术于近些年进入国内研究人员的视野,并受到了越来越

编号:2006BAJ03B01),大　＊国家“十一五”科技支撑计划项目(

连理工大学青年教师基金项目(编号:2008TM893231)[2-5]

多的关注[6-12]。该系统一般采用电动压缩式热泵机组来制热,故系统唯一的输入能源为电能,由于取消了供热锅炉房,因此具有非常明显的区域环保效果。该系统已成为近海地区建筑的重要供热备选方案之一。因为海水源热泵区域供热系统通常投资巨大[13],所以除环保要求外,一般还要求该系统具有良好的节能效果,而要使该系统更节能,在水源侧条件已知的情况下,除采用高效的热泵机组和合理确定系统各部分参数等设计因素外,还应该

①☆

舒海文,男,1973年3月生,在读博士研究生,讲师

116023大连理工大学土木水利学院暖通教研室(0411)84707684-807Email:shwshw313@sina.com收稿日期:2008-03-11·146·技术交流　　　　暖通空调HV&AC　2009年第39卷第5期　　　　　　　对系统所承担的热用户的地理区域规模(即供热半径)作出适当的限制,原因如下:

根据文献[14]的要求,热泵机组在供热工况下的设计供水温度不宜超过60℃,温差宜取10℃。这是出于保证热泵机组制热效率的考虑。可见,海水源热泵系统的供回水温差相对于传统的锅炉房供热系统而言大大减小,这导致在同样的供热负荷下,海水源热泵系统需要输送的热水量将变得很大,而输送水泵的功率等于输送的热水量和水泵扬程的乘积,所以为了将消耗在热水输送管网上的、对末端热用户而言“无用”的能耗控制在一定的范围内,就需要对水泵的扬程进行适当地控制,而水泵的扬程随供热系统供热半径的增加而增大,因此这就要求对海水源热泵区域供热系统的供热半径进行适当地控制。本文将通过与传统的区域锅炉房供热系统的对比,从合理控制热水循环泵能耗的角度对海水源热泵区域供热系统的合理供热半径进行研究和讨论。

1　海水源热泵区域供热系统的形式

参考文献[15]的提法,按照水泵设置的不同,可将海水源热泵区域供热系统分为下面三种类型。

1)集中泵系统:系统的热水通过集中设置的水泵输送给每个建筑热用户,各用户的水量由用户支路上的两通调节阀来控制。2)二次泵系统:该系统包括热水生产环路和热水输配环路。热水生产环路的一次泵用来保证通过热泵机组的水量恒定,热水输配环路的变频二次泵用来克服热水在管网内流动而形成的压力降,并使各用户入口处维持一定的资用压差。

3)分布泵系统:该系统中除设与热泵机组相对应的一次泵外,在每一个用户分支处都设置一台热水分配泵来取代支路上的流量调节阀。

随着技术的不断进步,许多厂家生产的热泵机组都可以做到供水的变流量运行,故第二种形式的系统一般可以被一次泵变流量系统所取代。分布泵系统从节能角度来看应该是最好的选择,但由于热水分配泵分布在整个区域供热系统的各个分支上,增加了大量的运行维护工作;另外,该系统不仅增加了许多小型水泵的额外投资,也大大增加了系统的故障率,并且在各用户建筑内添置这些分布水泵还会带来许多管理方面的问题,如泵房占地、泵房进入权限、电力供应和排水等。而集中泵系统具2　海水源热泵区域供热系统合理供热半径的研究

我国北方地区以往在设置区域集中供热时,若附近没有热电厂,则供热必须由区域锅炉房来承担。一般小型供热锅炉房的供回水温差为25℃,

而当区域规模较大时,则通过提高供水温度和加大供回水温差来减小热水循环泵的流量和功率,如文献[16]中明确指出,“当系统的规模较大时,宜采用间接连接的一、二次水系统,从而提高热源的运行效率,减少输配电耗。一次水设计供水温度宜取115～130℃,回水温度应取70～80℃”。而对于更大的供热区域,应设置一个还是多个热力站或锅炉房通常需经过具体的技术经济分析得到[17-18],即对一个热力站或锅炉房所承担的区域规模没有明确的限制。但国家标准为了对消耗在热水输配系统上的能耗予以控制,规定设计条件下的热水循环泵的耗电输热比EHR应按式(1)进行计算,且计算值不应高于表1中的数值(表1比标准中多列[2]

有初投资与维护费用低,运行管理简单的特点,因而本文将主要针对这种系统形式进行研究与分析。该系统形式的示意图见图1,与此对应的传统的锅炉房区域供热系统示意图见图2。

　　　　　　　暖通空调HV&AC　2009年第39卷第5期　　　　技术交流·147·

出Δt=10℃一列,它对应于本文的海水源热泵区域供热系统的供回水温差)。EHR=

0056(14+αε=τN≤0.∑L)

Δt

∑Q24qA

(1)

式中　EHR为设计条件下输送单位热量的耗电量,量纲一;ε为全天理论水泵输送耗电量,kWh;τ为全天水泵运行∑Q为全天系统供热量,kWh;

时间,连续运行时τ=24h;N为水泵的轴功率,kW;q为供暖设计热负荷指标,kW/m2;A为系统的供热面积,m;∑L为室外管网主干线(包括供

2

能,ηe=0.322×0.90=0.29。

因此,EHR′就可以理解为在区域供热系统中

消耗在热水循环泵上的能量占系统总供热量的百分比,显然,该值越小,说明向用户输送同样的热量需要消耗在热水循环泵上的能量越少,所以该值越小越好。将表1中的EHR数值换算成对应的EHR′后,则得到表2。

表2　EHR′计算值

%

Δt/℃

50

2004006008001000150020002500300035004000

10020030040050075010001250150017502000

0.630.720.750.830.860.941.071.211.341.471.61

450.700.800.840.920.961.051.191.341.491.641.79

251.261.441.511.651.721.882.152.422.682.953.22

103.153.593.774.134.314.715.376.046.717.378.04

∑L/m

供热半径R/m

回水管)总长度,m;α为系数,根据文献[2],当

∑L

≤500m时,α=0.0115,当500m<

∑L

<

1000m时,α=0.0092,当

∑L

≥1000m时,α=

0.0069;Δt为设计供回水温差,℃。

表1　EHR计算值

∑L/m

20040060080010001500

20002500300035004000

Δt/℃

500.00180.00210.00220.00240.00250.00270.00310.00350.00390.00430.0047

450.00200.00230.00240.00270.00280.0030

0.00350.00390.00430.00470.0052

250.00370.00420.00440.00480.00500.0055

0.00620.00700.00780.00850.0093

100.00910.01040.01090.01200.01250.0136

0.01560.01750.01940.02140.0233

　　由表2可见,对于同样的管线长度,热水的供回水温差越小,EHR′值越大;相同的热水供回水温差时,EHR′值随管线长度的增加而增大,当供

回水温差减小至10℃时,EHR′值的增大速度明显加快。如果将EHR′值限制在一定的范围内,则区域供热系统管道的最大敷设长度就可确定,并且随供回水温差的减小,系统管道的最大敷设长度也在减小。比如,当要求EHR′值分别小于5%,10%,15%和20%时,各种热水供回水温差下,系统的最大供热半径RHmax(这里是指室外管网主干线采用相同长度的供、回水管道时,管网主干线总长度的一半)如图3所示。

　　从式(1)来看,EHR是水泵全天理论耗电量与系统全天供热量之比,虽然这两者都代表能量,并且用相同的单位(kWh)来表示,但显然这两种

能量的品质不同。电能是高品位能源,根据我国现实的能源状况,绝大部分的电都是采用燃煤火力发电,发电效率平均在32.2%左右

[20]

,若电的输送效

率按90%计算,则将电能转换成一次能源以后,热水循环泵的耗电输热比EHR可以转换为热水循环泵的能耗与系统供热量的一次能耗比EHR′,并可由式(2)计算:

εηe

EHR′==EHRe

∑Qη

(2)

图3　不同供回水温差及EHR′限值时的最大供热半径

式中　ηe为一次能源转换成用户电能的效率,即消耗单位热量的一次能源,用户能够最终得到的电由图3可见,随着热水供回水温差Δt的减小,系统的最大供热半径RHmax迅速减小。当Δt由50·148·技术交流　　　　暖通空调HV&AC　2009年第39卷第5期　　　　　　　℃减小至10℃(即Δt减小至原来的20%)时,RHmax由8.4km减小到0.875km(即RHmax减小到原来的10.4%)。另外,对于同一种供回水温差Δt,随着EHR′限值的增大,最大供热半径RHmax也相应增大,例如,当Δt=10℃时,若EHR′的限值从5%增大到20%(即增大至原来的4倍),RHmax也由0.875km增加到6.5km(即增加至原来的7.4倍)。

因此,若要将供回水温差为10℃的海水源热泵区域供热系统的EHR′指标控制在一定的百分比范围内,就必须对供热系统的规模进行适当地控制,具体来说,当EHR′指标分别取5%,10%,15%,20%时,区域供热系统的最大供热半径应分别为0.875,2.75,4.625,6.5km。3　结语

海水源热泵系统已被作为一种节能环保的系统在我国部分沿海地区开始应用,为了提高该系统在规模化应用中的能源利用效率,本文主要针对热水供回水温差为10℃的集中泵海水源热泵区域供热系统的最大供热半径进行了分析与计算。在借鉴国家建筑节能设计标准中对供热系统热水循环泵的耗电输热比EHR的计算方法的基础上,进一步提出了热水循环泵能耗与系统供热量的一次能耗比EHR′的概念,使其具有明确的物理意义,并通过控制EHR′指标值(即控制消耗在热水循环泵上的、对末端热用户而言“无用”的能量),得到了相应的系统最大供热半径。经计算,对本文所研究的海水源热泵区域供热系统,当要求EHR′分别控制在5%,10%,15%,20%以内时,系统的最大供热半径相应地分别为0.875,2.75,4.625,6.5km。本文的研究虽主要针对海水源热泵区域供热系统,但该计算最大供热半径的方法同样适用于其他供回水温差较小的水源或地源热泵区域供热系统,甚至可以应用到区域供冷系统中,只是此时循环水泵耗电输热比计算式中相应的数据要换成适合区域供冷系统的数据。参考文献:

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