地热高温热泵及风机盘管系统的优化研究

1地热水高温热泵及风机盘管系统的优化研究※王建强1，路林2，郭福忠3，薛永明3（1.河北工程大学城建学院，河北邯郸；2.天津兆和和兴机电安装工程有限责任公司，天津300211；3.山东省冶金设计院有限责任公司公用设施室，山东济南250101）摘要：针对地热出水温度在60～85℃的地热高温热泵及风机盘管供热空调系统，建立系统模型的目标函数，采用MATLAB软件求解出满足约束条件下的各级温度参数以及地热水第一、二级利用的最佳回水温度，并从理论上分析了负荷侧供水温度对高温热泵价格和性能系数的影响。关键词：地热供热，高温热泵，风机盘管，最优化方法中图分类号；TK529文献标识码：ATheoptimizationofgeothermalwatersystembyusinghigh-temperatureheatpumpandfan-coilWangjianqiang1,Lulin2,Guofuzhong3，etal.（1.CollegeofUrbanConstruction,HebeiUniversityofEngineering,HanDan,056038;2.TianjinZhaoheHexingElectromechanicalInstallationWorkCo.Ltd，tianjin300211;3.ShandongProvinceMetallurgicalDesignInstituteCo.Ltd，publicfacilitydepartment,jinan250101,China）Abstract:Againsttheoutletwatertemperatureofgeothermalfluidrangefrom60to75℃ingeothermalheatingandairconditioningsystemforutilizinghightemperatureheatingpumpandfan-coil,theobjectivefunctionofsystemhasbeenestablishedandsolvedthetemperatureparametersalllevelsandtheoptimumrechargetemperatureofgeothermalwaterusingMATLABsoftware.Attheendofthispaper,supply-watertemperatureofloadsideinfluencingonthepriceandcoefficientofperformanceofhightemperaturehasbeenanalyzedintheory.Keywords:geothermalheating,high-temperatureheatpump,fan-coil,optimizationmethod1.引言地热资源作为一种新能源有着很大的利用潜能，我国的地热资源以中低温为主，90℃以下的地热资源占总数的96%左右，其中大部分在60~85℃之间。如全国最大的热田山东商河地区的地热水的出水温度在56～62℃[1]、[2]。针对国内低温地热资源的上述特点，本文对出水温度在60～85℃的地热资源利用方式进行优化分析。系统的基本原理是地热水首先经第一级板式换热器换热，获得热量的循环水作为风机盘管供热的热源；地热回水再与第二级板式换热器换热，将热量传给高温热泵蒸发侧的中间循环水，经热泵升温后，其负荷侧供水温度可达到80℃左右，一部分为建筑物供热，另一部分作为溴化锂吸收式冷水机组的驱动热源，从而实现了对建筑物的供冷需求。该循环系统的流程图见图1。作者简介：王建强(1975-)，男，汉族，河北工程大学城建学院，硕士研究生，讲师，从事教学工作。通讯地址：河北省邯郸市光明南大街199号河北工程大学城建学院，056038。电子邮箱：[e-mail];联系方式：13603300715。2图1地热供热供冷系统流程图Fig.1Systemdiagramofageothermalheatingandrefrigerating对某一确定地区，地热水的出水温度和水流量是定值，而第一级利用的地热回水温度、地热回灌温度和各级供水温度均是可变参数，其值的大小影响着整个系统的供热量和经济性。第一级换热后的循环水供水温度即风机盘管供水温度对供热量的影响较大，同时决定着第一级的地热回水温度的高低。此外，高温热泵负荷侧的供水温度作为第二级供热负荷和溴化锂吸收式制冷机的驱动热源，不仅影响着系统供热量和供冷量的大小，而且影响了系统的投资费用。于是在地热供热供冷系统的理论优化过程中，主要考虑的优化目标函数是系统的供热量、供冷量和系统的投资费用。2.高温热泵及风机盘管供热系统的优化2.1系统的优化变量在该系统中，板式换热器、风机盘管和高温热泵是系统的主要设备，其供热效率和投资费用是系统优化的主要方面。影响该供热系统投资费用和供热量的主要因素有各级供水温度、水流量、地热水的回灌温度和流体换热特性等。其中，地热水供水温度和水流量为定值，主要影响因素是第二级高温热泵的负荷侧供水温度gt、水流量2wG、第一级风机盘管供水温度1ht、水流量2wG以及地热水的第一级回水温度got和回灌温度pt[3]。因此该系统的主要优化变量为gt、1wG、1ht、2wG、got和pt等。2.2目标函数高温热泵及风机盘管供热系统的优化目标是系统的投资费用最小，风机盘管的供热量和高温热泵的性能系数最大。其中投资费用主要是包括风机盘管、高温热泵和板式换热器三部分。影响风机盘管价格的因素比较复杂而且没有具体的理论计算公式，然而风机盘管内的电机、风机选择与换热器的换热量与换热面积有关[4]。因而风机盘管的价格与换热面积有关，即与换热管长度有关。由风机盘管样本参数和厂家的风机盘管价格[5]，采用datafit软件和最小二乘法理论拟和求得最佳的单位换热管长的价格与换热管长度的关系式。FP系列风机盘管的价格参见表1。由公式fftLdKtKFQ可近似求得换热管束的管长：ftKdQL（1）式中：Q——风机盘管的供热量，w；d——风机盘管的水管管径，m，d=20mm；K——风机盘管的传热系数，w/(m2·℃)，取K=2000w/(m2·℃)；ft——风机盘管的平均对数温差，℃；3其中：)ln(1111cchhchhcfttttttttt（2）式中：1ht、1ct、ht、ct分别是风机盘管进水温度，回风温度、供回水温差和供回风温差。假定1ht=60℃，1ct=18℃，ht=5℃、ct=12℃。由以上数据和表1的数据求出L值。单位换热管长的价格：LCCfc（3）式中:C为风机盘管价格，L为换热管长度。fcC和L的结果参见表1。用datafit软件拟和求得fcC和L的近似关系式：265.0701.2708.2512.423LLLCfc265.0701.2)(708.2)(512.423ffftKdQtKdQtKdQ（4）表1FP型风机盘管价格表Tab.1ThepriceindicationofFPmodelfancoil型号FP-3.5FP-5FP-6.3FP-8FP-10FP-12.5FP-16FP-20供热量（w）29014124440566898368101021056715093价格C（元）45652856461266091210321104管长L（m）2362.43358.33587.15447.16814.38226.48605.012290.7Cfc（元/m）0.1930.1570.1570.1120.0970.1110.1200.073所以风机盘管和管道的优化目标函数即单位供热量的风机盘管费用是：min)(1gogigfcttcGLCC)(265.0)(701.2)(708.2)(512.4234gogigffffttcGtKdQtKdQtKdQtKdQ（5）高温热泵的优化目标函数是一定供热量下的热泵价格最小和性能系数COP最大。高温热泵机组的价格主要与负荷侧出水温度gt有关。热泵单位价格随出水温度变化的关系式[6]：55℃gt≤95℃时，%]5.1)85(1[242.1163.1ghptC（元/w）（6）根据高温热泵样本参数[7]拟和求得COP与平均温差t的关系式：653.063.35ptCOP（7）式中：pt为高温热泵机组负荷侧的平均温度与中间循环水侧的平均温度之差，即：422oihgpttttt（8）式中：gt、ht——机组负荷侧供、回水温度，℃；it、ot——机组中间循环水侧进、出水温度，℃。高温热泵的目标函数：min653.0263.35%]5.1)85(1[242.1163.1)(ttttcGCOPCQCgpgopghp（9）板式换热器的投资费用主要与换热面积有关。其优化目标函数是板式换热器的年投资费用最小，公式为[8]：1)1()1(nncaiiiIFC（10）式中：aC——板式换热器的年费用值，元/年；cI——单位换热面积的板式换热器价格，元/㎡，取6600元/㎡；i——利率，取10%；n——板式换热器的使用年限，年，取15年；F——板式换热器的换热面积，㎡；换热面积F可由下式估算[10]：mtKQF（11）式中：Q——板式换热器的换热量，w；mt——换热器的平均对数温差，℃。K——传热系数，经验值取2900～4650W/（㎡·℃），取3000W/（㎡·℃）；该系统中板式换热器有两级，由以上分析，板式换热器的目标函数可写为：21aaaCCC1)1()1()(21nnciiiIFF1)1()1()(2211nncmmiiiItKQtKQ1)1()1())()((21nncmpgopgmgogipgiiiItKttcGtKttcG（12）式中：gG——地热水流量，t/h；git——地热水的第一级供水温度，℃；got——地热水的第一级回水温度，℃；pt——地热水的回灌温度，℃；pc——水的定压比热，J/(㎏·℃)，取c=4186J/(㎏·℃)。1mt、2mt——第一、二级板式换热器的对数平均温差，℃，即：5)()(ln)()(21211hgohgihgohgimttttttttt（13）)()(ln)()(1opigoopigomttttttttt（14）式中：1ht——第一级板式换热器负荷侧出水温度即风机盘管供水温度，℃；2ht——第一级板式换热器负荷侧进水温度即风机盘管回水温度，℃，其他符号同上。3.约束条件在地热高温热泵+风机盘管供热系统中，目标函数受供水温度、水流量、流速、换热结构特性以及热平衡方程等多种条件约束。为使建立的目标函数有确定唯一最优解而且符合实际运行工况，必须找出影响其变化得主要约束条件并简化。针对该问题的约束条件主要有两种：（1）热平衡方程式；（2）影响系统和设备正常运行并符合实际运行工况的温度、流量等限定条件。3.1热平衡方程地热水与循环水换热的热平衡关系式：)()(211hhpwgogipgttcGttcG（13）地热水第一级供热量与风机盘管的换热量的热平衡关系式：mgogipgtFKttcG)(（14）地热水第二级供热量与高温热泵的换热平衡关系式：)()(2hgpwpgopgttcGttcG（15）式中：1wG——风机盘管供热循环水流量，t/h；K——风机盘管的传热系数，w/(㎡·℃)；F——风机盘管的换热面积，㎡；mt——风机盘管的平均对数温差，℃，其他符号同上。3.2其他约束条件系统的温度约束条件主要有：地热水的第一级回水温度；风机盘管的供、回水温度；高温热泵负荷侧和水源侧供、回水温度；风机盘管供热循环水流量、高温热泵负荷侧