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《重庆大学》 2012年
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基于寿命周期成本评价方法的开式湖水源热泵系统优化分析

袁娟娟  
【摘要】:目前,对于开式地表水源热泵系统,已有不少基于系统寿命周期成本(LCC)计算方法的研究。这些研究方法中,在计算系统能耗时,几乎都假定了取水温度恒定不变,忽略了取水温度随季节或在制冷工况和供热工况受排热、取热影响会发生变化;大部分没有考虑系统的动态负荷,忽略了系统在运行工况下的实际能效;有些在通过改变取水温差来分析方案时,只考虑了热泵机组效率的变化,忽略了取水量的改变。以上研究方法多是针对地表水中的流动水体,对于滞留水体的研究较少。 本文针对滞留水体,就开式湖水源热泵源水侧系统,建立应用于工程评价的简化的寿命周期成本(LCC)计算模型,模型中同时考虑以下因素:①建筑的全年逐时动态负荷;②在系统排热和取热工况下连续运行时的动态取水温度;③分析取水温差的变化时,考虑同时改变的取水量、机组能效比等参数。并以重庆地区某别墅群湖水源热泵系统工程为实际案例,采用Dest-h模拟其全年能耗,根据结果分析负荷需求特性,结合机组及水泵的性能曲线,准确地计算系统LCC值。通过别墅群项目采用开式湖水源热泵系统与风冷热泵系统LCC的比较,结果表明:开式湖水源热泵系统能取得更小的LCC值,为更优方案。 分析该湖水源热泵系统方案组成LCC的各项费用,得出LCC的显著影响因素:取水温度、设计取水温差、建设成本。基于取水温度、设计取水温差这两个显著影响因素,对原方案从3个方向进行优化。分别是: ①改善温排水散热、优化排放水方案 提出集中取水、结合室外雨水管网的分散排放水形式,是一种有别于常规集中排放水的滞留水体水源热泵系统排放水方式。可减少室外管网、节约投资、降低施工难度。 通过数值模拟得到,夏季自然状态下,水体模型的周温升为1.29℃。供冷工况集中排放水形式下,水体模型的周温升为0.33℃;制冷工况分散排放水形式下,水体模型的周温升为0.16℃。采用分散排放水方案较优,能较好的实现温排水的散热。夏季制冷设计工况下,系统运行一周后,采用集中排放水方案时取水口的水温仅比采用分散排放水时高0.04℃,表明湖体体量较大时,取排水口距离的合理设置可以使得取水口水温所受影响较小。 ②降低系统能耗,优化取水温差 在开式湖水源热泵系统的应用中,湖水全年水位变化小,一般地理位置和源水水位条件决定了取水扬程的大小,初始设计取水温度由其源水自身温度决定,因此取水温差设计的合理与否会直接影响输配系统能耗。在夏季制冷工况下,以LCC为判断依据,得出不同取水温差对应的LCC曲线,曲线表明:最佳取水温差为5.4℃;以系统能效比为判断依据,得出不同取水温差对应的夏季最不利工况下系统能效比曲线,曲线表明:最佳取水温差为5℃。两者相差较小,并且两曲线均表明:取水温差在4℃~6℃的范围内,能达到较小的LCC和较高的能效比。考虑到取水温差过小会使得取水量增大,导致取水部分建设成本增大,故最佳设计取水温差范围宜为5℃~6℃。当选用能效比较高的水源热泵机组时,分析计算所得的最佳取水温差值将变大,最佳取水温差范围也会相应随之变化。 ③考虑系统变工况运行,优化设备配置 由全年逐时动态负荷模拟可知,供冷季超过90%以上的时间系统负荷在50%以下。取水泵按照50%负荷率下的取水量和最大压降进行选型,当负荷率在50%~100%之间时,通过增大取水温差来满足负荷要求,当负荷率在0%~50%之间时,保持取水温差为5℃定温差运行。使得热泵机组在除了接近满负荷率的小部分时间外,其余时间都保持高能效比的同时,很大程度上降低了取水泵能耗,得到了更低的系统LCC值,说明变工况运行具有节能潜力。 为保证机组运行的安全可靠性,冬季热泵机组源水侧循环水温不得低于4℃。由数值模拟可知,制热季取水温度在19.0℃~10.2℃之间变化,设计取水温差为5℃时,冬季运行期最低取水温度达10.2℃,设计取水温差不宜再加大。因此最佳取水温差和变工况运行的分析仅针对夏季制冷工况。 最后运用单因素敏感性分析法对湖水源热泵系统LCC进行敏感性分析,分别得到电价和折现率这两个因素变动时对决策结果LCC的影响程度。同时介绍了梯度在多因素敏感性分析中的应用。 通过对工程实例的分析得出的以上结论对于同类型水源热泵项目具有一定的借鉴指导意义。 本文建立的LCC计算模型清晰明了,易于理解。计算模型中考虑了诸多相互制约的变量因素,准确度较高,通过合理的简化后,使之便于应用于实际工程方案的评价和优化中。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TU831

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