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基于壽命周期成本評價方法的開式地表水源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化分析

2013-04-29 00:31:22陳金華袁娟娟李百戰(zhàn)
湖南大學學報·自然科學版 2013年5期
關(guān)鍵詞:系統(tǒng)優(yōu)化能耗

陳金華 袁娟娟 李百戰(zhàn)

摘要:針對開式地表水源熱泵系統(tǒng),建立了應(yīng)用于工程評價的簡化的壽命周期成本(LCC)計算模型.采用Destc對某工程實例進行全年能耗模擬,根據(jù)結(jié)果分析負荷需求特性,結(jié)合機組及水泵的性能曲線,進行系統(tǒng)LCC值分析.將開式地表水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源系統(tǒng)組成LCC的各項成本進行比較,得出開式地表水源熱泵系統(tǒng)LCC的影響因素主要為設(shè)計取水溫度、排放水溫度和取水高差.通過對以上問題的分析,探討了優(yōu)化系統(tǒng)的措施.在取水溫度為24 ℃時,取水泵定溫差變頻運行,通過擬合曲線得到最佳取水溫差為7.7 ℃,對應(yīng)的最小LCC為441.80.另外,考慮機組變工況運行情況,得到了更小的LCC值為433.50,說明變工況運行能進一步產(chǎn)生節(jié)能效益.

關(guān)鍵詞:開式地表水源熱泵;壽命周期成本;能耗;系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號:TU831 文獻標識碼:A

研究表明:全生命周期理論適合評價較大初投資情形下的未來投資回收問題7].全壽命周期不僅包括經(jīng)濟意義的成本,還包括環(huán)境成本、社會成本.從理論上講,全壽命周期是指產(chǎn)品從研究開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)、使用直到報廢所經(jīng)歷的全部時間8-9].由于本文討論的是開式地表水源熱泵系統(tǒng)這一特定對象的評價方法,故可簡化為只考慮設(shè)備的經(jīng)濟壽命,即指設(shè)備從開始使用到再繼續(xù)使用在經(jīng)濟上已不合理為止的全部時間,本文稱之為“壽命周期”.

本文將建立應(yīng)用于開式地表水源熱泵系統(tǒng)工程評價的簡化的壽命周期成本計算模型,通過比較不同冷熱源系統(tǒng)的LCC,分析能耗的組成及特征.研究一定取水溫度下的最佳取水溫差以及系統(tǒng)變工況運行策略,以此來改進方案,力求最優(yōu).

3.2方案初選

本文采用LCC這一概念,目標并不是全面、完整地計算整個費用,而是通過比較各方案的LCC,為選擇最佳方案提供決策依據(jù).

方案1為螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐系統(tǒng),方案2為江水源熱泵系統(tǒng).在計算兩者的LCC時,只考慮不同的部分,而不考慮相同的部分.比如認為機房土建費用、末端設(shè)備費、夏季冷凍水循環(huán)泵能耗都是相同的,設(shè)備安裝費也近似相等.兩種方案的設(shè)備選型見表2和表3.冬季供熱時,水源熱泵機組單臺運行.熱泵機組及冷水機組部分負荷下的能效比曲線見圖4,縱坐標為對應(yīng)橫坐標某負荷率下的能效比與額定工況能效比的比值.方案1燃氣熱水鍋爐由于缺乏隨負荷變化的效率曲線,本文假定運行中效率保持額定值,不隨負荷率降低而降低,則耗氣量隨負荷率線性變化,這部分偏差可作為工程上的安全系數(shù).

從表5可以看出,方案3的LCC值最小,其次是方案2,LCC值最大的是方案4.

在本工程保證機組最小水流量40%的前提下,方案1,2,3的變頻泵變頻范圍依次為72%~100%,56%~100%,40%~100%,方案2變頻泵變頻范圍較小,一定程度上影響了其變頻泵的節(jié)能潛力,其機組能效在3種方案中最低.方案4機組能效最高,但由于取水量較大,取水泵能耗較高,并且取水量增大導致取水部分投資增大,所以其LCC值最大.而方案3的機組能耗和取水泵能耗雖然均不是最小的,但是LCC值卻最小,為最佳方案.

由此可見,取水量過大或過小均不佳.取水量太小,與機組額定流量相差較大,會引起取水泵變頻范圍減小,而且排放水溫度過高會使機組能效比降低.若取水量太大,則會增加取水設(shè)施投資,導致取水泵能耗過高,而機組因能效比提高而得到的節(jié)能效益無法抵消甚至低于取水泵的能耗增量.因而,要保證取水泵能耗、機組能耗和初投資均在合理范圍內(nèi),才能得到最低LCC值.

下面根據(jù)多組工況計算結(jié)果進行曲線擬合.進水溫度為24 ℃.橫坐標為取排放水溫差,縱坐標為對應(yīng)的LCC值.由圖5可知,本工程在定溫差運行工況下,最佳取排放水溫差為7.7 ℃,最小LCC值為441.80.

4.2考慮機組變工況運行,提高系統(tǒng)綜合能效

根據(jù)Destc的模擬結(jié)果可知,滿負荷運行時間占空調(diào)總運行時間的比例是很小的,可以考慮機組的變工況運行,兼顧取水泵的能耗及機組能效比,提高系統(tǒng)的整體綜合能效.

考慮設(shè)計方案5:按照9 ℃溫差來選擇取水泵,80%~100%負荷率區(qū)間下定頻運行,負荷率為80%時,計算得源水側(cè)進出水溫差約為7.2 ℃,接近前面分析得到的最佳取水溫差,此時開始定溫差變頻運行能獲得較小的LCC值,取得較好的節(jié)能效益.直至通過機組的流量小于所需最小流量時,水泵再次轉(zhuǎn)為定頻運行.

此方案在選擇水泵時,按照大溫差的原則來選擇水泵,盡量減少設(shè)計取水量,降低取水泵額定能耗.同時,通過變工況運行,使除了接近滿負荷下的大部分時間,機組都在最佳設(shè)計取水溫差工況下高效運行.計算得該方案LCC值為433.50.

相比方案3,方案5的LCC值更低.方案5不僅降低了運行年限產(chǎn)生的費用,同時也減少了一部分前期投資.說明系統(tǒng)變工況運行能進一步產(chǎn)生節(jié)能效益,值得深入研究.

5結(jié)論

建立了基于壽命周期成本的簡化的工程評價方法,可對開式地表水源熱泵系統(tǒng)進行準確的評價和優(yōu)化.通過對實際案例的分析,得到如下結(jié)論:

1) 建立的LCC計算模型采用流程圖的形式呈現(xiàn),清晰明了,易于理解.并且通過合理的簡化后,運算簡便,準確度高,便于應(yīng)用實際工程的評價和優(yōu)化中.

2)開式地表水源熱泵系統(tǒng)的LCC組成部分中,最主要的是運行年限內(nèi)的總運行費,其中,又以機組所占費用比重最大,因而,選取能效品質(zhì)高的水源熱泵機組本身就至關(guān)重要.

3) 在開式地表水源熱泵系統(tǒng)中,影響LCC值的因素主要有兩點:取水高差、設(shè)計取排放水溫度.取水高差和取水溫差直接影響到取水泵的能耗.而取排放水溫度同時又會影響機組能效.取水量又與初投資有直接的關(guān)系.另外,要考慮在滿足機組的最小水流量要求下,變頻泵的變頻范圍受影響的程度.因此,在方案設(shè)計時,要綜合考慮取水泵能耗和機組能耗的相關(guān)關(guān)系,考慮運行費用的同時,不能忽略初投資.通過計算分析得到,對本工程而言,在源水進水溫度為24 ℃且定溫差變頻運行時,最佳取水溫差7.7 ℃,對應(yīng)的LCC值為441.80.

4)按照9 ℃溫差進行取水泵的選型,保證盡量減小取水能耗和取水設(shè)施投資,同時考慮機組變工況運行,使除接近滿負荷時間的大部分時間內(nèi),系統(tǒng)能在最佳設(shè)計取水溫差工況下,保持高效運行,計算得該方案的LCC值為433.50,說明變工況運行更為有利,具有節(jié)能潛力.只有從提高系統(tǒng)綜合能效著手,全面考慮,才能得到更優(yōu)方案.

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