寒區調峰型地表水源熱幫浦系統的供熱效能研究

第２７卷第１期

２０１１年２月

哈爾濱商業大學學報（自然科學版）

ｆｅｂ．２０１１

錢劍峰，郭運，李江丹

（哈爾濱商業大學能源與建築工程學院，哈爾濱１５００２８）

摘要：地表水源熱幫浦具有重要節能環保與經濟意義，但寒區冬季水溫過低導致常需採用調峰型地表

水源熱幫浦系統．在介紹前置式系統和後置式系統兩種形式的基礎上，對調峰執行階段的系統供熱執行

效能作了數學建模，並結合算例作了比較分析．結果表明後置式系統的執行效能與經濟性均較好，每

個供嚷期可節省執行費６．６５元／ｍ　，這為系統方案的設計提供了有益的指導．關鍵詞：地表水源熱幫浦；調峰型；供熱；執行效能

中圖分類號：ｔｕ８３１．６

文獻標識碼：ａ

文章編號一０ｌ１２—０５

地表水蘊藏豐富的低品位熱能，作為熱幫浦系統熱源為建築物供熱，因其重要節能環保特性正受到世界各國的日益關注　。ｊ，國內已有的若干工程實

水凍結使系統效能降低、影響供熱效果，可採用地表水源熱幫浦調峰供熱系統這一方式．

本文主要針對換熱效率高、容量大的開式地表

踐也表明地表水源熱幫浦系統經濟價值明顯　。　，

水源熱幫浦系統作討論．開式系統中，地表水需先採

其利用前景廣闊．但是，在寒冷或溫暖地區，冬季江

河、湖泊等地表水的水溫普遍較低，表１為２００５～２００６年初筆者等調研的部分城市最低水溫資料　］．因此，在應用地表水源熱幫浦系統時，為防止高峰熱負荷下水溫過低導致機組選型過大或地表

收稿日期

用物理方法進行淨化處理後，才可通過機組．採用地表水源熱幫浦調峰供熱系統時，熱幫浦機組作基本熱

源，燃煤（或燃油、燃氣）鍋爐等作調峰熱源，隨調峰熱源位置的不同，本文將其分為前置式和後置式兩種系統（如圖１）．現有文獻對兩種系統執行效能

**專案：黑龍江省教育廳科學技術研究專案

作者簡介：錢劍峰（１９７９一），男，博士，教師，研究方向：可再生能源利用與優化．

第１期錢劍峰，等：寒區調峰型地表水源熱幫浦系統的供熱效能研究

的分析較少，工程設計時也常對其執行效果的差異缺乏充分考慮．本文主要對兩種系統執行眭能作分

市，此時，供熱執行過程調峰熱源需根據使用者熱負

荷的大小先將進口水溫加熱到相應值，隨後出口溫度￡按ｔｅｏ，ａｒｉｎ值排放，以儘量減少調峰能耗．

同理，後置式系統執行時也可分為３個階段：第１階段，氣溫較高時，熱幫浦機組單獨執行；第２階

析，以便為工程設計提供參考．

表１部分城市冬季最低地表水溫

段，當氣溫下降，調峰熱源與熱幫浦機組聯合供熱，並且水源側蒸發器出口水溫滿足熱幫浦機組安全要求；ｔｇ，ｇ

使用者ｔ＾

ａ）前置式系統

使用者ｂ）後置式系統

ｌ一地表

一調；卜水源熱蛐；使用者迴圈幫浦

圖１地表水源熱幫浦調峰供熱系統示意圖

１供熱系統執行模式

在不同的氣候條件下，地表水源熱幫浦調峰供熱

系統也存在不同執行模式．

前置式系統的執行過程通常可分為３個階段：第１階段，當氣溫較高時，使用者熱負荷較低，水源側水溫較高，此時熱幫浦機組單獨執行即可滿足供熱要

求；第２階段，當氣溫下降，使用者熱負荷增加，而水

源側水溫下降，熱幫浦機組單獨執行已不能滿足供熱

要求，這時調峰熱源投入執行，與熱幫浦機組實現聯合供熱，並且此時的水源側蒸發器出口水溫ｔ滿足熱幫浦機組安全要求，即高於防凍保護下限ｔ（常規水源熱幫浦機組一般為２℃左右）；第３階段，

某些情形冬季水源側蒸發器人口水溫ｔ已低於ｔ，

．如表１所示的哈爾濱、瀋陽、北京、天津等城

第３階段，某些情形蒸發器入口水溫低於ｔ

此時，熱幫浦機組和地表水迴圈幫浦停止執行，僅調峰熱源單獨執行實現供熱要求．

由以上兩種系統的執行特點可以看出，在哈爾濱、瀋陽、北京、天津等冬季寒冷城市，由於在供熱期間的第三階段，雖然能夠滿足供熱要求，但系統不僅沒從水源中獲取熱量，反而將熱能消耗於地表

水中，顯然其效能將劣於後置式系統．因此，本文主要對供熱期僅出現第１、第２階段的城市（如南京、西安、上海等）採用兩種地表水源熱幫浦調峰供熱系統時的執行效能作分析．

２　供熱系統執行效能

２．１單位小時執行費用

在分析系統供熱執行效能時，假設：１）系統採

用定流量形式，水源側流量ｇ　和使用者側流量ｇ　均保持叵定，且末端使用者側供水溫度ｔ保持恆定；２）調峰供熱執行過程，用節約能源角度，通過調節控制調峰熱源出力或出水溫度使得兩種系統的水源

側蒸發器出口水溫ｔ。（或ｆ：。）均保持防凍保護下限

ｔｅｏｒ

ａｉｎ，

不變．兩種系統在第１階段的形式和執行效能均一

致，下面主要分析第２階段（即調峰供熱期）執行

效能．第２階段，前置式系統的使用者熱負荷和水源

側負荷分別滿足

（２）其中：ｑ、ｑ　為使用者熱負荷和水源側負荷，ｋｗ；ｓ為相對熱負荷比；ｐ。為使用者設計熱負荷，ｋｗ；ｇ　、ｇ為使用者側和水源側流量，ｔ／ｈ；ｔｔ為使用者側供、回

水溫度，℃；ｔｉ為水源側進水溫度，ｑｃ．

第２階段前置式系統的調峰供熱量及佔總負

荷份額分別為

一ｔｆ），

（３）ｑ。ｇ　（ｔ—ｔ）ｍ』

（４）其中：ｐ。為前置式系統調峰供熱量，ｋｗ；ｔ。為蒸發器進口水溫，ｑｃ；ｍ為前置式系統調峰供熱所佔份

哈爾濱商業大學學報（自然科學版）

第２７卷

額．前置式系統單位／ｊ－，ｎ，－ｊ執行費用為

ｆ＝（ⅳ蛔

＝——『

．（６）（６）

其中為單位小時執行費用，元／ｈ；ｐ　為電價，元／

ｋｗｈ；ｐ　為每提供１ｋｗｈ的熱量所消耗調峰熱源的費用，元為分別為熱幫浦機組壓縮機、水源側和使用者側水幫浦的耗功，ｋｗ．

同理，後置式系統調峰供熱量及其所佔份額分別為

一　：。），

（７）ｍ一：：

．（８）

其中：ｔ：為冷凝器出口水溫，℃；其他符號名稱同前，上腳標「」』表示後置式系統．後置式系統單位小時執行費用為

ｎｉｐ１６３

．（１０）

分析可知，在第２階段兩種系統形式的單位小時執行費用之差為

＝ｆ一１１６３ｇ—ｐ［一等］＋

一ｇ。（ｔ一

。。ｇ［ｇ（一）＋ｇ（一篆）］ｌｃ

其中：ｃｏｐ為熱幫浦制熱效能係數；ｇ為重力加速度，

ｍ／ｓ；ｈｅ、ｈｃ為前置式系統水源側和使用者側流動阻力，ｋｐａ；叼　、為前置式系統水源側和使用者側水幫浦效率；同理，上腳標「」』表示後置式系統．

兩種系統形式下，水源側和使用者側管路特性相

似，管路流動阻力、水幫浦效率可認為近似相等，而調

峰熱源流動阻力相差不大，因此式（１１）右邊第２項相對於第１項很小，可忽略，此時

屍一麗一ｔｉ）一ｇｃ（ｔ一￡：。）］．

『ｌ　ｊ…、

２．２水源熱幫浦機組制熱效能係數

從文獻［６—１１］可知，水流量的變化對機組的效能係數影響很小，可近似認為熱幫浦機組在正常穩定地工作時，蒸發器冷凝器中水流量變化對熱幫浦機組的制熱效能係數影響也較小．根據熱幫浦生產廠家

提供的熱幫浦機組效能曲線圖表，通過擬合的手段將制熱效能係數擬合成蒸發器與冷凝器出水溫度的

函式，而不需涉及熱幫浦系統內部製冷工質的引數．

擬合資料均取自樣本的試驗資料及曲線，準確性較高且方法簡單．筆者根據某廠家某型號螺桿式熱幫浦機組的效能資料表，擬合ｃｏｐ的函式一ｏ

０．００６　７　一

當蒸發器和冷凝器兩側流量均不變時，特定水

源熱幫浦機組制熱效能係數隨蒸發器和冷凝器的出水溫度而變化，蒸發器出口水溫增加或冷凝器出口水溫降低都會使得制熱效能係數公升高．

對比不同系統形式調峰前後的工況，可知調峰熱源的投入將增大機組制熱效能係數．第２階段，

前置式系統冷凝器出水溫度較後置式系統高，雖然蒸發器進水溫度較後置式系統高，但兩者蒸發器出水溫度均保持防凍保護下限ｔ…。不變，因此對前

置式系統機組制熱效能係數要低於後置式系統．取

ｚ　：ｔ

＝２　ｏｃ

，而末端使用者側供水溫度ｔ保持４５

℃恆定，則此時由式（１３）前置式系統機組ｃｏｐ：３．９９，而對後置式系統則

（１４）

２．３　兩種系統供熱執行費用比較

取ｔ。。＝ｔ＝２￣ｃ時，由熱負荷間相互關係，

兩種系統在第２階段的單位小時執行費用之差可

化為，、一＾

＝（ｐ　一ｐ　）［ｉ－－，ｌ

一ｌ（１５）

整個供熱期間，兩種系統執行費用之△ｆ差為第２階段單位小時執行費用之差的時間累加，即△ｆ＝

∑（）＝（ｐ　一ｐａ）』∑［一１６３ｇｅ』

土ｃ０ｐ

］．ｊ』

（１６）一１

其中：△廠、７＂ｊ為分別為調峰供熱期間，兩種系統某一入口水溫ｔｉ下對應的單位小時執行費用之差，

元／ｈ，以及該水溫下的持續時間，ｈ．

３算例分析

某城市有一棟１．５萬ｍ　建築，擬採用地表水

源熱幫浦調峰供熱系統，水源熱幫浦機組為前面３．３節中所述某型號螺桿式熱幫浦機組（防凍保護下限溫度為２），調峰熱源為燃油鍋爐．使用者側設計熱債荷為１ｍｗ，設計供回水溫度４５～４０　ｃｃ，流量為１７２　ｌ／ｈ．水源側的設計進出水水溫為８～２　，流量為１０８　ｔ／ｈ．水源側入口水溫低於８℃時，調峰開

第１期錢劍峰，等：寒區調峰型地表水源熱幫浦系統的供熱效能研宄

始，而使用者供水溫保持４５　ｑｃ不變，時間為５０　ｄ，具體資料如表２．設電價為０．５元／ｋｗｈ，調峰熱源取表３中的資料．

表２水源入口水溫對應執行引數

燃油**

低位發熱值／

ｐ。鍋爐ｉ重：１２

ｉ：：（：

效率２　８００

４１８６０

０．２４１

ｏ．８５

計算所得，在供熱執行第２階段（調峰期間），兩種系統的執行效能如圖２～５所示．圖２、３顯示了前置式系統的水溫引數和各裝置供需熱量隨著

水源入口水溫ｔ的變化規律，可見隨著水源人口

水溫ｔ的降低，蒸發器進口水ｆ溫逐漸增加，使用者需熱量增加，水源供熱量減小，而調峰供熱量增加．

圖２前置式系統調峰期間的ｆ和ｔ

≥ｌｊ｛ｓ

鬥ｋ屋咖綦啦拭

螺圖３前置式系統調峰期間供需熱量關係圖４、５顯示了後置式系統的冷凝器出口水溫：。、制熱效能係數ｃｏｐ和的變化規律，可見隨著

地表水進口水溫的下降，變化均不大．

圖４後置式系統調峰期間的和ｔ

圖５後置式系統調峰期間的供需熱量關係

圖６顯示了調峰期間調峰供熱份額的變化，這

與圖３、５一一對應．由上述資料可計算得出調峰期

間前置式系統比後置式系統的執行費用高出９．９７８萬元／ａ，合６．６５元／（ｉｔｉ／ａ）．另外，從初投資

角度考慮，後置式系統的水源熱幫浦機組設計容量可

比前置式系統小一些，因而初投資要低些．綜合考慮執行費用及一次投資費用因素，採用後置式系統的優勢較為明顯，所以在實際工程應盡可能採用後

置式調峰熱源形式．譽騷

盎《９驀４

５６７圖６各系統調峰期間的調峰供熱份額

４　結語

地表水熱幫浦調峰供熱系統是解決寒區實際運

行過程冬季地表水的水溫偏低的一種有效方法，根據調峰熱源位置的不同可分為前置式和後置式兩

∞卯哈爾濱商業大學學報（自然科學版）第２７卷

種系統，工程設計中應該注意兩種系統形式的選擇節能技術

問題．分析表明，供熱執行過程無論是否存在文中

［５］張承虎，吳榮華，錢劍峰．地表水源熱幫浦的技術經濟與環保

提及的第３階段，後置式系統的執行效能均要好於效益分析［ｊ］．節能技術

前置式系統．算例顯示，後置式系統的執行經濟性［６］孫一堅．空調水系統變流量節能控制［ｊ］．暖通空調，２００１，

優勢較為明顯，每個供暖期後置式系統每平方公尺建［７］錢劍峰，孫德興，張承虎．新型地表水源熱幫浦及其相關技術

築面積可節省執行費用６．６５元，因工程設計中分析［ｊ］．啥爾濱商業大學學報：自然科學版

採用地表水熱幫浦調峰供熱系統後置式系統是優選２３４．

方案參考文獻：

［１ｏ］錢劍峰，孫德興．寒區水源熱幫浦及調峰供暖執行機制的優化

分析［ｊ］．太陽能學報

～［２］陳曉，張國強．開式地表水源熱幫浦在湖南某人工湖的應用

［１１］郭運，錢劍峰．空調採暖雙重功能住宅的屋頂深溫層優

研究［ｊ］．製冷學報

化分析［ｊ］．哈爾濱商業大學學報：自然科學版，２００９，２５

［３］李永安，李繼志．湖水水源熱幫浦綜合能源利用設計與實踐

［ｊ］．低溫建築技術

［４］劉婷婷，彭建國．地表水源熱幫浦在湖南地區的應用分析［ｊ］．

（上接９３頁）

４　結語

３　對膠球影象處理效果**

本文提出了－￣％ｌｊ用小波包變換實現影象邊

將從現場拍攝的**匯入計算機的ｍａｔｌａｂ軟

緣檢測的方法，以確定膠球合格率的方案，該方法件，採用本文提出的邊緣檢測方法，先進行小波包提高了膠球邊緣的檢測精度，進而提高了膠球的回分解、重構，然後用ｒｏｂｅｒｔｓ運算元進行邊緣提取，收利用率和凝汽器清洗系統的效能．對膠球影象的計算的結果如圖３所示．

**結果表明，該方法簡單而又實用，檢測效果明

顯優於已有的傳統邊緣檢測方法，得到的邊緣影象

■■在保留了細節豐富、邊緣連續、抗噪性好的特性的同時保證了邊緣定位的準確性，該方法尤其適用於檢測低畫素、背景色相近、雜訊大的影象．

參考文獻ｉ

（ａ）原始影象的邊緣

０３］影象近似部分的邊緣

［１］孫延奎．小波分析及其應用［ｍ］．北京：清華大學出版社．２００５．

圖３**效果圖

［２］樊啟斌．小波分析［ｍ］．武漢：武漢大學出版社．２００８．［３］飛思科技產品研發中心．小波分析理論與ｍａｔｌａｂ　７實現

從以上的**效果圖可以看出，對原影象直接［ｍ］．北京：電子工業出版社．２００５．『４１王

冰．用ｒｏｂｅｒｔｓ運算元進行邊緣處理［ｊ］．甘肅科技，

進行邊緣檢測得到的邊緣存在缺失．經小波包分解

後得到的影象序列由近似部分和細節部分組成，近

［５］高勇鋼．一種改進ｒｏｂｅｒｔｓ運算元邊緣檢測［ｊ］．巢湖學院學

似部分是原影象對高頻部分進行濾波所得到的近報

似表示．經濾波後，近似部分去除了高頻雜訊，因此

能夠檢測到原影象中所檢測不到的邊緣．由圖３可

見經小波包分解重構之後得到的邊緣更加清晰完整．

寒區調峰型地表水源熱幫浦系統的供熱效能研究

湖南電網火電廠調峰管理辦法

600MW鍋爐深度調峰注意事項

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