开式地表水源热泵取水能耗限值确定方法
摘要: 对于开式地表水源热泵来说，取水能耗是决定系统节能性的关键因素。在水源热泵机组能耗模型、取水能耗模型等的基础上建立了开式地表水源热泵系统的能效比耦合模型，并得到了基于节能率的地表水源热泵系统的不同取水温度和不同取水能耗下的耦合限值。通过实际案例，计算得到了地表水源热泵系统不同取水温度下以及不同系统方式下的系统节能率，建立了开式地表水源热泵系统取水能耗限值方法。
关键词: 开式地表水源热泵；取水温度；耦合；取水能耗；能耗限值中图分类号：
引言地表水水源热泵分为开式地表水水源热泵以及闭式地表水水源热泵系统。在国外，闭式水源热泵应用项目较多，而开式水源热泵系统研究较少[1]。由于闭式系统不存在取水能耗，其一次侧能耗主要与环路阻力有关，对于取水能耗的研究相对较少。在国内，开式地表水水源热泵应用工程实例明显多于闭式水源热泵系统。因此，我国对于地表水水源热泵的研究也主要针对开式地表水源热系统[2] [3] [4]。由于换热温差的存在，夏季闭式水源热泵的进水温度要高于水体的温度，而在冬季，闭式水源热泵的进水温度要低于水体的温度。因此，闭式水源热泵的换热效率一般要低于开式水源热泵系统[5]。开式地表水水水源热泵的取水温度和水体温度一致，但是，如果水源热泵的取水能耗过大，将导致开式地表水源热泵的整体能效过高，引起水源热泵系统不节能[6]。因此，必须要对开式水源热泵的取水能耗作限值研究。
地表水源热泵系统应用得当有两个关键因素：一个是取水温度和取水水量，另一个重要问题就是取水能耗。确定一个地表水源热泵系统是否节能应该考虑取水温度和取水能耗的最优耦合值。即取水温度高，取水能耗就必须更低；而取水温度低，则取水能耗要求的就可以更宽。因此，取水能耗的限值实际是建立在取水温度的基础上。不同的取水温度对应不同的取水温度限值，这个限值也就决定了地表水水源热泵的节能性和系统的节能效果。该限值的确定必须利用数学方法来进行，Matlab 计算方法为该模型的求解工具。
模型建立的条件为了更准确的确定开式地表水源热泵系统取水能耗的限值，本文利用数学建模的方法来研究。即分别对系统各个部分的耗能情况建立数学模型，以使用冷却塔的常规空调系统为参照对象，进行分析研究.模型的建立满足如下前提：
（1）对与使用冷却塔的常规空调系统，其使用的冷水机组的能耗计算和水源热泵机组的能耗计算公式规律相同（2）两种系统的末端形式一致（3）不考虑大温差、小流量和小温差、大流量的问题，机组两端的进出水温差保持为基金项目：国家科技部“十一五”科技攻关项目（水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范），项目编号：
中国科技论文在线℃（4）以传统空调冷却塔出水温度为32℃为比较标准为直观比较，两种系统给定一致的初始数据，其工程基本参数为：冷负荷为1800kW，热负荷为1300kW；负荷侧的冷冻水循环泵名义扬程为27m，变频运行。冷却水系统所用冷却水泵的扬程为25m，变频运行。
由于常规空调系统冬季一般采用锅炉供给空调系统，此时常规空调系统结构与水源热泵系统不同，暂不作分析。因此，本文仅讨论系统在夏季运行时的的取水能耗限值得确定方法。
开式地表水源热泵系统运行能耗模型水源热泵机组的能耗数学模型目前在水源热泵工程中使用较多的为螺杆式热泵机组，现以螺杆式热泵机组为研究对象，将热泵机组的耗功量拟合为冷冻水与冷却水进口温度的函数，ASHRAE Handbook[7]上推荐用温度的四次多项式或两个二次多项式乘积的形式，即ΣΣ（1）式中： 1 f ——热泵机组耗功量， Kw；——热泵机组的名义耗功率，Kw；——水源水侧机组进水温度，℃；——空调水侧机组进水温度，℃；——回归用水源水侧机组进水温度参数平均值，℃；——回归用空调水侧机组进水温度参数平均值，℃；——回归系数，由机组实际性能决定在实际运行中，机组基本上是在部分负荷情况下运行。因此，在数学模型建立时需考虑部分负荷率PLR.我们可以得到热泵机组能耗模型，其数学表述为：
× f （2）本工程采用热泵机组为LSBLGR—M—2400M 型半封闭螺杆热泵机组，机组能耗模型的系数由课题组采集得到。机组夏季实际运行数据由MATLAB 数学拟合得出，见表1。
表1 热泵机组模型制冷回归系数表开式水源热泵系统取水水泵能耗数学模型对于水源水侧的系统而言，取水水泵的能耗是影响系统节能效果的关键因素。因此，首先通过最小二乘法的曲线拟合方法建立水泵的能耗模型。
根据水泵的性能曲线图可以得出，H~G，η ~ G 的关系曲线近似为抛物线，因此选择二中国科技论文在线次函数作拟合曲线建立拟合的水泵性能曲线方程。
（3）η = b + bG + b G （4）当水泵转速发生变化时，曲线也发生变化。结合相似定律关系式，可以求得不同转速下，水泵的性能曲线方程：
（5）η = d + d G/ n + d G / n （6）其中n 为水泵转速，系数0 c 、1 c 、2 c 、0 d 、1 d 、2 d 与转速对应，