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1、第23卷 第6期太 阳 能 学 报Vol123,No162002年12月ACTAENERGIAESOLARISSINICADec.,2002文章编号:025420096(2002)0620687205地下水源热泵的最优化研究杨 昭,张世钢,孙 政,马一太(天津大学热能研究所,天津300072)摘 要:为了根据不同的使用条件,进一步提高地下水源热泵机组的性能,通过对机组运行特性的分析,依据技术经济优化准则,以年度费用总额为目标函数,建立系统综合优化数学模型,并编制了计算程序。在保证机组安全可靠地满足建筑物冷热负荷需求的前提下,根据不同的地下水温度与深
2、度,对系统关键运行参数及部件进行了优化选择计算。该方法兼顾了供热供冷运行的可靠性与经济性,可实现系统内各部件的最优匹配。与传统设计方法相比,该方法能大幅度改善机组的性能。关键词:地下水源热泵;优化设计;数学模型中图分类号:TK52文献标识码:A中的三通阀来完成制冷和制热运行的切换。0 引 言地下水源热泵是利用深井水并采用深井回灌的方法,夏季以地下水为散热源实现制冷,冬季以地下[1,2]水为吸热源制热的一种热泵型空调装置。由于土壤的隔热和蓄热作用,地下水温度随季节气温的变化较小,特别是深井水的水温常年基本不变,一般[3]图1 地下水源热泵系统示意图约
3、比当地年平均气温高1～2℃,是一种十分理想Fig.1Schematicofgroundwater2sourceheatpump的热泵热源。近几年,一种以深井水为热源的水—优化设计的目标函数可以根据实际需要来规水热泵机组在我国部分地区得到较快发展与应用。定,本文以系统的总成本最低作为优化的目标。总由于地下水深度和温度随汲水地点的不同而有很大成本用折算费用来表示,包括初投资费用和运行费差异,不同地区、不同类型和用途的建筑物所需要的用(电费),即冷热负荷差别也很大,如何保证这种热泵机组的可靠性,并最大限度的提高其经济性,是一个值得进一C0=celE+∑C
4、(1)步研究的问题。1.2 变量分析及确定独立变量对该热泵系统的最优化设计即是在现有的技术系统给定参数包括:夏季制冷量及冷水供回水经济条件下,权衡投资费用和运行费用,寻求技术经温度、冬季制热量及热水供回水温度、供水井出水温济上最佳的方案,同时给出系统改进的方向与潜力。度。根据对热泵制冷和制热循环特性的分析,系统的各个状态点可由以下7个设计参数确定:ter、teh、1 数学模型tcr、tch、tw2r、tw2h、d。进而可以确定冷凝器和蒸发1.1 系统及目标的确定器的传热面积、压缩机的理论输气量和电动机功率本文所研究的地下水源水—水热泵系统如图1以及
5、井水泵的输入功率等。所示,制热运行时以地下水为吸热源,制冷时以地下由于热泵机组在制冷和制热运行时,冷凝器和水为冷却介质,供热(冷)的介质亦为水。由水回路蒸发器的传热面积不变,即: 收稿日期:2001211219 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G20000263);教育部中青年骨干教师资助项目;天津市自然科学基金重点项目(993803211);天津市重点发展项目。 太 阳 能 学 报 68823卷 Fe,var=FevahFcon,r=Fcon,h为了便于分析计
6、算,本文假设蒸发器和冷凝器 由这两个方程又可将独立变量数目减少两个。的成本与各自的传热面积成简单的线性关系:因此在整个系统的参数中,可作为独立变量的变量Ceva=b1Feva+b2Ccon=c1Fcon+c2数目为5个,在本文的计算中选取teh,tch,tw2r,tw2h其中:和d为独立变量。当然,整个系统中可能的独立变Q0Qh(h1h-h3h)Feva=Feva=量集合有很多,之所以选择这几个变量为独立变量,KerΔterKeh(h2h-h3h)Δteh一是考虑到整个系统方程组的计算顺序,使方程组(4)的求解更容易,二是这几个变量能够直接反映问
7、题QhQ0(h2r-h3r)Fcon=Fcon=(5)的主要矛盾:蒸发温度、冷凝温度的确定需要在热泵KchΔtchKcr(h1r-h3r)ΔtcrCOP与传热面积之间做出权衡;井水回灌温度反映 另外,假定压缩机及其驱动装置的成本与其输了井水的温度变化,加大井水温差可降低井水泵的入功率成正比。分别计算出热泵机组制冷运行和制功耗,但同时也会降低热泵COP(因水测温差大);热运行时的输入功率,选取较大者作为选择压缩机井水管管径减小可以降低井水管的初投资,但会增的依据:加井水泵的功耗。Q0h2ar-h1rNer=1.3 目标函数的构成h1r-h3rηel
8、r式(1)中,机组年度总耗电量E主要包括制冷、Qhh2ah-h1hNeh=(6)制热运行时压缩机和井水泵的年耗电量。对压缩
