CN104764252A - 开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置。所涉及的计算方法取水最小能耗计算方法包括：通过对(式1)耦合求解，求解热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：(式1)；所涉及的装置包括依次连接的热泵机组、除沙系统、水泵、取水管和取水头，所述取水头活动式安装在取水管上。本发明通过系统优化，提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统，以获得含沙量较低以及温度较为适宜的水体，目的是降低除沙器造成的取水能耗以及提高水源热泵系统能效，最大限度地提高系统的整体能效水平，运行经济且控制简单方便。

Description

开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置

技术领域

本发明涉及集中空调系统技术领域，特别涉及一种地表水源热泵空调的取水系统。

背景技术

地表水水体存在以下三个重要特征：一是由于雨季、旱季或者水库蓄水等因素影响，导致地表水水位有洪水期与枯水期之分；二是水体的含沙量存在自上而下逐渐升高的立体分布现象；三是水体的水温自上而下的分层现象。

开式地表水源热泵是直接将地表水引入热泵机组换热器进行换热的(如图1所示)，水体含沙不仅影响热泵机组的换热性能，还对热泵机组及其附件的使用寿命产生严重影响(水泵机组受泥沙颗粒磨损)，这直接影响着水泵机组及其它设备能否安全、稳定运行。因此，在地表水取水工程设计中，通常设置有高位、低位取水管(洪水期利用高位取水管取水，枯水期利用低位取水管取水)，以取得水体的上清液，目的是增加系统使用寿命，同时降低除沙设备所造成的能耗。

众所周知，水体温度对水源热泵机组的性能系数具有重要影响，如某品牌某型号的制冷主机，制冷工况时冷取水温度在一定范围内降低1℃时，机组性能系数COP可提高10％左右。所以选择合适的水深处取水，对于水源热泵机组的能耗具有重要影响。

中国专利(专利号为201320004198.1)公开了一种防泥沙取水头部，其通过在取水头部的上表面开设进水口，克服了现有技术在取水时因吸力集中于水下，产生强大吸力扰动河底泥沙，进水含沙量大的问题；在取水头部的下表面 开设有排沙口，并在排沙口位置铰接有限位式阀板，水泵停止吸水时，可自动开启排沙口排沙。

中国专利(专利号为201220298499.5)公开了一种地表水水源热泵取水头部系统，其采用了多级过滤装置和反冲洗结构设计，目的是能够有效过滤水中的杂质，提高进水质量，保证吸水系统的供水稳定性。

但上述专利均是从取水头结构上进行改进，以获得较为低的含沙量的原水，并未考虑不同水深处，水体含沙量不同的特点。而且，上述发明专利并未很好的解决如何取用不同水深处合适的水温提高热泵系统整体能效问题。为此本发明提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统及其运行控制方法，首先获取不同深度的水温分布及含沙量，通过热泵效率及水头损失计算，分别得出热泵空调主机和冷却循环水泵能耗，通过一阶导数及耦合求解计算原理得出不同水深下水源热泵机组的综合能耗值，从而确定最佳水深，最终通过PID控制器将信号通过固定架，传递给移动架，使取水头自动到达最佳水深处。此系统能够自动终获得最佳水深位置，整体降低水源热泵机组能耗，提高开式水源热泵系统整体能效。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种开式地表水源热泵取水最小耗能和适宜取水深度计算方法。

为此，本发明提供的开式地表水源热泵取水最小能耗和水深计算方法包括：

通过对(式1)耦合求解，求解热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：

(式1)；

式1中：

h为水深，0≤h≤60米；

A₁、A₂、A₃为不同深度h与相应深度下的温度T_h的拟合曲线方程T_h＝A₁exp(-h/A₂)+A₃中的参数；

A₄、A₅A₆、A₇为不同温度T_h与相应温度下的热泵机组能效比COP(T_h)的拟合曲线方程Cop(T_h)＝A₄+A₅/{1+exp[(T_h-A₆)/A₇]}中的参数；

A₈、A₉、A₁₀为不同深度h与相应深度下的浊度S_h的拟合曲线方程S_h＝A₈-A₉×A₁₀ ^h中的参数；

A₁₁、A₁₂、A₁₃的取值范围分别是，对于一级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为0.9、0.94、1.1；对于二级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为1.1、0.96、1.3；对于三级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为1.3、0.97、1.4；

c为水的比热容；

Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差；一般取5℃；

Q为热泵机组冷负荷量，一般为常数，取值范围为6000-30000kW(一般有设备厂家给出)；

Q_总为热泵机组总能耗量。

根据h＝10米处的浊度值，选择相应级数的除沙器，当浊度小于14NTU，选择第一除砂器；当浊度值取14-18NTU，选择第二除砂器，当浊度值大于18NTU，选择第三除砂器。

本发明还提供了一种开式地表水源热泵取水装置。

本发明所提供的开式地表水源热泵取水装置包括依次连接的热泵机组、除沙系统、水泵、取水管和取水头，所述取水头活动式安装在取水管上。

所述取水头通过高度调节装置安装在取水管上，所述高度调节装置包括固定架和外套管，所述外套管活动式套装在取水头端部，所述取水头安装在外套管上，所述外套管活动式安装在固定架上。

所述除沙系统包括一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器，且一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器之间并联。

本发明通过系统优化，提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统，以获得含沙量较低以及温度较为适宜的水体，目的是降低除沙器造成的取水能耗以及提高水源热泵系统能效，最大限度地提高系统的整体能效水平，运行经济且控制简单方便。

附图说明

图1某特征水体温度分布图；

图2某特征水体温度随水深变化规律拟合曲线；

图3某机组COP随温度变化规律拟合曲线；

图4某特征水体浊度随水深变化规律拟合曲线；

图5为实施例装置的结构参考示意图；

具体实施方式

本发明提供了一套计算不同水深整体能耗的计算方法及实现系统，从而确定最佳取水位置，从而提高水源热泵机组的整体能效。

本发明式1的推导过程如下：

步骤一，利用FLUENT计算软件模拟目标水体取水头有效范围(10m×20m ×60m)内温度场分布，见图1所示；

步骤二，将步骤一中得到的温度分布立体图，导入TECPLOT软件，提取不同深度的水温，得出目标水体的温度分布规律，根据最优拟合度原则，选择Exp-Dec1模型拟合温度分布曲线(见图2所示)，拟合曲线为T_h＝A₁exp(-h/A₂)+A₃，其中T_h代表温度，h代表水深；

步骤三，通过测量不同温度下，热泵机组能效比COP(见图3所示)，根据最优拟合度原则，选择Boltzmann模型，得出拟合曲线方程为：Cop(T_h)＝A₄+A₅/{1+exp[(T_h-A₆)/A₇]}，最终得出不同水深下热泵机组的能耗值为W₁＝Q(1+1/Cop),Q取值范围为6000-30000kW(一般有设备厂家给出)

步骤四，通过排热量计算热泵机组所需要的冷却循环水量为M＝W₁/(cΔt),其中c为水的比热容，Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差，一般取值为5℃；

步骤五，通过实测水体不同深度下的浊度值，根据最优拟合度原则，选择Aysmpotic1拟合得出不同水深的浊度分布曲线(见图4所示)，拟合曲线为：S_h＝A₈-A₉×A₁₀ ^h；

步骤六，根据浊度曲线10米处的浊度值，选择不同类型的除沙器，当浊度小于14NTU，选择第一除砂器；当浊度值位于14-18NTU，选择第二除砂器，当浊度值大于18NTU，选择第三除砂器；从而进一步确定水头损失量ΔH，通其经验公式,计算得出ΔH，根据步骤四确定的循环冷却水量确定循环冷却水泵损失的能耗为：W₂＝MΔH

步骤七，Q_总＝W₁+W₂，带入以上公式，即得出整体能耗为水深的函数，

，通过Metlab最小值耦合求解计算过程，求解热泵空调主机与冷却循环水泵能耗合的最小值，从而确定此位置的水深，即为最佳水深位置；

实施例：

如图5所示，该实施例提供一种具体的开式地表水源热泵取水装置及其运行控制方法，所提供的装置包括取水系统、升降系统以及除沙系统；

所述调控系统，其特征在于：能耗计算模块14与取水头11连接；PID控制器15与固定架12连接；能耗计算模块14与固定架15连接。

所述取水系统由水泵7、引水管8、内套管9、外套管10以及取水头11组成；所述升降系统由固定架12与活动架13组成。

所述的取水系统，其特征在于：水泵7与引水管8连接；内套管9与外套管10组成的套管系统，通过内套管9与引水管8连接；取水头11与外套管10连接。

所述的升降系统，其特征在于：固定架12固定在河床上，活动架13可通过固定架12上的导轨，沿固定架12平行上下滑动。外套管10固定在活动架13上，可与活动架13一起沿着固定架12上的导轨平行上下滑动。

所述的除沙系统，其特征在于：其由第一除沙器1、第二除沙器3、第三除沙器5、第一阀门2、第二阀门4、第三阀门6及连接其的管路组成；所述第一除沙器1与第一阀门2、所述第二除沙器3与第二阀门4、所述第三除沙器5与第三阀门6先分别串联连接后，再并联连接；所述第一除沙器1、第二除沙器3、第三除沙器5三者具有不同的除沙效率。

所提供的开式地表水源热泵取水系统运行控制方法其特征在于：首先获取不同深度的水温分布及含沙量，通过热泵效率及水头损失计算，分别得出热泵空调主机和冷却循环水泵能耗，通过一阶导数及耦合计算原理得出不同水深下水源热泵机组的综合能耗值，从而确定最佳水深，最终通过PID控制器将信号通过固定架，传递给移动架，使取水头自动到达最佳水深处。此系统能够自动获得最佳水深位置，整体降低水源热泵机组能耗，提高开式水源热泵系统整体能效。

由于相关标准中对水源热泵机组进水的允许含沙量要求小于等于10mg/L，而大多数地表水均不可能达到该要求，故通常需在引水系统中安装除沙装置，但是除沙装置效率越高，阻力越大，造成取水泵能耗越高。所以为了降低除沙装置造成的能耗，抽取地表水上清液时选择除沙效率相对较低阻力较小的除沙装置即可满足水质要求。同时，地表水存在水温分层现象，而不同进水温度对水源热泵机组性能具有重要影响，所以抽取水体水温合适，可以降低热泵机组能耗。为了获得整个系统能效的提高，本发明设置了可以抽取不同水深处水体的取水系统，并根据不同水体的含沙量，选择效率不同的除沙装置除沙，最终通过耦合计算得出能耗最小的水深，确定最适取水深度。具体工作流程如下：

步骤一，利用FLUENT计算软件模拟目标水体取水头有效范围(10m×20m×60m)内温度场分布；

步骤二，通过TECPLOT后处理软件提取不同深度的水温，得出目标水体的温度分布规律，拟合温度分布曲线；

步骤三，通过温度分布，计算出不同温度下的机组能效比(COP)，得出不同水深下热泵机组的能耗曲线及排热量；

步骤四，通过排热量计算热泵机组所需要的冷却循环水量；

步骤五，通过实测水体不同深度下的浊度值，拟合得出不同水深的浊度分布曲线；

步骤六，根据浊度曲线分布，选择不同类型的除沙器，确定水头损失量，同时根据步骤四确定的循环冷却水量确定循环冷却水泵损失的能耗曲线；

步骤七，通过一阶导数及耦合计算原理，求解热泵空调主机与冷却循环水泵能耗合的最小值，从而确定此位置的水深，即为最佳水深位置；

步骤八：通过PID控制器(15)，调整活动架(13)，带动外套管10一起沿着固定架12上的导轨平行上下滑动，使得取水头11处于相应的水深处取水选择能耗最小的水深处取水，同时将与所选择的除沙装置串联连接的阀门打开，其余阀门关闭。

综上，本发明通过系统优化，提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统，以获得含沙量较低以及温度较为适宜的水体，目的是降低除沙器造成的取水能耗以及提高水源热泵系统能效，最大限度地提高系统的整体能效水平，运行经济且控制简单方便。

具体结果如下：

某水源热泵系统，热泵机组冷负荷为Q 6000kW，空调冷却水供回水温差为Δt 5℃。通过FLUNET数值模拟得不同水深处的温度分布，通过TECPLOT提取不同水深处温度值(每隔0.5米提取一点)，拟合温度随深度分布曲线为：T＝35.44exp(-h/30.25)+4.52；

拟合水体温度与系统综合能效比(COP)之间的关系曲线为Cop＝2.97+4.11/(1+exp((35.44exp(-h/30.25)-30.56)/4.74)。

同时计算机组排热量，其计算公式为W₁＝5000(1+1/Cop)，对应冷却水循环量计算公式为：M＝W₁/(4.2×5)。

通过实测不同深度水体浊度值,得出浊度与水深的拟合公式为：S＝38.18-28.87×0.97^h，通过计算10米处的浊度值为16.89NTU，介意14-18NTU之间，故选择第二除砂器，同时根据水头损失量经验公式确定水头损失如下：ΔH＝1.1S^0.96+1.3，然后确定的循环冷却水量确定循环冷却水泵损失的能耗为W₂＝MΔH，确定系统能耗总损失为:Q_总＝W₁+W₂，最终整理得出机组整体能耗与水深的函数关系式为， 通过Metlab最小值耦合求解计算过程得出，当h取值为9.91m的时候，系统总能耗Q_总最小，为1082.36kWh。通过调控系统中能耗计算模块及PID控制器，控制活动架13带动外套管10一起沿着固定架12上的导轨平行上下滑动，使得取水头11处于9.91m的水深处取水；同时将第二除沙器3串联连接的第二阀门4打开，第一阀门2、与第三阀门6关闭。

为了进一步验证结果的可信性，通过实验测试典型深度位置，选取5m、7m、9m、9.91m、11m、13m、15m七个深度，分别测试水温为30℃、29.6℃、29.2℃、28.9℃、28.7℃、28.5℃、28.2℃，带入上述公式，七种不同温度下机组COP值分别为6.00、6.03、6.07、6.10、6.11、6.13、6.15。故机组排热量分别为7000kW、6998KW、6996KW、6984kW、6982KW、6979KW、6976kW，对应冷却水循环量为1204m³/h、1203m³/h、1202m³/h、1201m³/h、1200m³/h、1199m³/h、1197m³/h。通过阻力计算公式，对应的冷却水系统总阻损失分别为16.0m、16.7m、17.5m、18.0m、18.6m、19.4m、20.0m水头，通过水头损失确定第二除砂器打开，最终得出热泵机组总能耗结果如表1所示。

从下表可以看出，在水深为9.91m处取水时，系统总能耗最低，最低值为 1080kWh，与上述计算方法所得数值1082.36kWh，二者之差在5％范围之内。

表1

以上所述仅为本发明的一实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法，其特征在于，方法包括：

通过对(式1)耦合求解，求得热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：

(式1)；

式1中：

h为水深，0≤h≤60米；

A₁、A₂、A₃为不同深度h与相应深度下的温度T_h的拟合曲线方程T_h＝A₁exp(-h/A₂)+A₃中的参数；

A₄、A₅A₆、A₇为不同温度T_h与相应温度下的热泵机组能效比COP(T_h)的拟合曲线方程Cop(T_h)＝A₄+A₅/{1+exp[(T_h-A₆)/A₇]}中的参数；

A₈、A₉、A₁₀为不同深度h与相应深度下的浊度S_h的拟合曲线方程S_h＝A₈-A₉×A₁₀ ^h中的参数；

A₁₁、A₁₂、A₁₃的取值范围分别是，对于一级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为0.9、0.94、1.1；对于二级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为1.1、0.96、1.3；对于三级除沙器，A₁₁、A₁₂、A₁₃取值分别为1.3、0.97、1.4；

c为水的比热容；

Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差，取5℃；

Q为热泵机组冷负荷量，取值范围为6000-30000kW；

Q_总为热泵机组总能耗量。

2.如权利要求1所述的开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法，其特征在于，根据h＝10米处的浊度值，选择相应级数的除沙器：当浊度小于14NTU，选择第一除砂器；当浊度值取14-18NTU，选择第二除砂器，当浊度值大于18NTU，选择第三除砂器。

3.一种开式地表水源热泵取水装置，其特征在于，装置包括依次连接的热泵机组、除沙系统、水泵、取水管和取水头，所述取水头活动式安装在取水管上。

4.如权利要求3所述的开式地表水源热泵取水装置，其特征在于，所述取水头通过高度调节装置安装在取水管上，所述高度调节装置包括固定架和外套管，所述外套管活动式套装在取水头端部，所述取水头安装在外套管上，所述外套管活动式安装在固定架上。

5.如权利要求4所述的开式地表水源热泵取水装置，其特征在于，所述除沙系统包括一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器，且一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器之间并联。