海水热泵与燃气锅炉联合供热系统的设计方案研究

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1、海水热泵与燃气锅炉联合供热系统的设计方案研究［摘要］作为可再生能源利用系统,海水热泵供热系统在北方沿海地区已有应用,然而该系统除投资较高外，在冬季室外温度较低时能源效率也较低。为了弥补这些缺陷，可以采用与其它热源联合供热的方案。本文针对海水源热泵与燃气锅炉联合供热系统展开研究，重点对综合考虑设计与运行调节时两种热源应承担的热负荷配比策略进行建模分析，并对某工程案例进行了详细计算，得到海水热泵与燃气锅炉以适当配比构成的联合供热系统能够取得比海水热泵单一热源供热系统更为经济合理等结论，为提高海水热泵系统能效及联合供热系统的合理方案设计提供有益

2、参考。［关键词］海水源热泵；供热系统；燃气锅炉；能源效率水源热泵作为一种可再生能源的利用技术，一般具有良好的节能与环保优势，其中的海水热泵供热系统在我国北方沿海地区已有多年的应用［"］,但该系统的初投资较高，而且在海水温度较低时，海水热泵的能效也较低。针对上述问题,可以考虑在海水热泵系统中加入一种初投资较低的辅助热源来提高系统的经济性,同时也有可能提高海水热泵系统的季节平均能效。燃气锅炉初投资较低,且燃气对环境污染小，属清洁能源，本文针对采用燃气锅炉作为辅助热源的海水热泵联合供热系统方案展开深入研究。目前，对于热泵与燃气锅炉联合供热的硏究

3、,主要集中在联合供热系统的设计和运行调节两个方面,其中要解决的核心问题是热泵与燃气锅炉各自应承担的热负荷比例［陶以及此类联合供热系统运行时应采取的调节策略〔9创。从现有研究来看，对于联合供热系统的设计，其在设计工况下两种热源的配比问题得到了充分重视,而系统的实际运行工况多种多样，两种热源在运行中实际承担的负荷比例经常变化，因此本文将综合考虑联合供热系统的设计与运行调节工况，对联合供热系统的能耗和经济性进行建模研究，并通过工程案例讨论如何确定两种热源的最优配比方案。为提高系统能源利用率,海水热泵与燃气锅炉通常采用串联的设计方案［叨，如图1所

4、示。该联合供热系统的运行模式主要有两种：海水热泵单独运行模式和海水热泵与燃气锅炉串联运行模式。图1联合供热系统示意在该联合供热系统的运行调节方面，可以采取如表］所示的4种调节方式。表1联合供热系统调节方式表1中，〃定〃是指该参数保持恒定不变；〃调〃是指该参数需要主动调节；〃变〃是指该参数随调节参数的变化而变化。2该联合供热系统各调节方式的数学模型显然，联合供热系统的设计热负荷应由海水热泵和燃气锅炉共同承担，因此Q二0+Qg(1)式中：Q为联合供热系统设计热负荷(kw);Q「为海水热泵的设计热负荷(kW);Qg为燃气锅炉的设计热负荷(kW)

5、。以下将分别建立前述4种运行调节方式下系统重要参数的数学模型。2.1调节方式1的数学模型(1)热用户侧的数学模型根据文献[13J4],当用户末端设备为散热器时，用户侧热水的供、回水温度分别为：式中：匕峦别为任意室外气温条件下热水供、回水温度(°C);杓,幷分别为设计条件下热水供、回水温度(°C);勺为设计室内计算温度(°C);%为设计条件下散热器的平均温度(°O；B为散热器的实验系数；£为任意室外气温条件下的相对负荷比；卩为任意室外气温条件下的流量系数。调节方式1的用户侧采用质调节方式(即r=D,因此用户侧热水的供、回水温度分别为：(2)

6、低位热源侧的数学模型调节方式1的低位热源侧采用变流量调节，以保证海水进出口温差恒定。下面从海水热泵单独运行和海水热泵与燃气锅炉两者联合运行两种情况来确定低位热源侧的运行参数。①海水热泵单独运行当用户的实际热负荷Q不大于海水热泵在该工况下的最大制热量Q,max（即Q

7、海水中吸收热量（kW）;"为海水热泵实际的输入功率（kW）。海水热泵制热性能系数（8P）由（8）式计算得到，在一定的低位热源水（即海水）流量范围内，该水流量的变化对UOP影响较小，可以忽略热源侧热源水流量的影响［比迢17］。热泵的制热量和输入功率可分别整理成与热泵岀水温度和低温热源侧热源水的出水温度的关系式，分别为（9）式和（10）式。COP=(?r,max/Wnax(8)^max=at2rc+btrc+Ct2r+dtr+etrctr+f(9)!44Tiax-a?2rc+Z?,/Fc+c?2r+c/^+e,Zi-c/F+/r,(10)式中

8、：Q,max为热泵在某工况下的最大制热量(kW)；I44nax为热泵在最大制热量下需输入功率(kW);音为热水的出口温度(°C);加为海水的岀口温度(°C);曰~f为热泵制热量方程拟合系数；a