水源热泵串并联机组制热性能比较

马 闯 任建兴 李芳芹 侯 鑫 冯海军

上海电力大学能源与机械工程学院

0 引言

水源热泵通过利用温度较低的水，实现对建筑空间供热和制冷的目的。其工作原理是以消耗一部分高品位电能作为条件，依靠循环，挖掘蕴含在环境介质中的低质量热量，以达到利用的目的。水源热泵机组可利用江河湖泊、地下水以及电厂循环冷却水等作为热泵的热源，提高低质量热能的利用率。水源热泵的价值除节能外，更重要的是利用地表水的低质量热能或工业废热实现对用户的供暖，消除锅炉供暖中烟气对环境的污染。研究发现，每消耗1t标煤，将排放约400kg二氧化碳，20kg二氧化硫，15kg烟尘和260kg灰渣[1]。水源热泵是一种促进节能减排的能源技术，对发展绿色经济有重要意义。

常规单机水源热泵机组，可使供热水源的温度提升到7℃～10℃，能有效利用低质量热能。通常利用大温差提高低质量热源的利用率，但会带来机组运行效率下降、能耗提高等问题。针对这些问题，对单机水源热泵、双机水源热泵串联机组和双机水源热泵并联运行机组进行制热性能的比较研究，表明串联方式可以提高水源热泵机组的运行效率，节省机组的整体能耗。

1 温度对水源热泵系统供热工作性能的影响

1.1 水源热泵机组供热工作原理

水源热泵是通过消耗小部分的高品位电能挖掘、回收低质量热能，获得更多的高质量热能，用于供热，这是热泵节能的特点。水源热泵系统供热流程如图1所示。

图1 水源热泵系统供热流程图

在冬季制热工况下，低温低压的制冷剂经过蒸发器吸收来自水源侧的低质量冷源的热量后温度上升，流入压缩机，被压缩成高压高温蒸汽，然后流入到冷凝器向热源放热，由用户侧带走热量，通过膨胀阀降温降压处理后，低温低压的制冷剂又流入到蒸发器，反复循环，从而实现供热效果。

1.2 温度对水源热泵供热性能的影响

水源热泵通过输入小部分高品位电能，利用热泵技术提取低温电厂循环水的余热供给用户侧。衡量水源热泵制热性能的参数是制热性能系数COP，定义式为：

COP的值越大，说明水源热泵的节能效果越好。

假设水源热泵所用的工质所进行的循环是理想的逆卡诺循环，在高温T1和低温T2两者恒温工况下进行循环，则制热性能系数又可以表达为[2]：

通过对水源侧温度T2求偏导，得：

式中：T1-冷凝温度；

T2-蒸发温度

可见求导后公式（3）始终大于零，说明随着蒸发温度的提高，水源侧进水温度升高，制热性能系数越大，随着蒸发温度的降低，即水源侧进水温度越小，制热系数越小。

2 水源热泵机组串并联运行方式

2.1 双机水源热泵串联机组运行方式

在影响常规单机水源热泵机组因素的理论分析中，水源侧进口水温对机组性能系数的影响为：随着进口水温的提高，机组性能系数逐渐提高。对于串联机组，在水源侧进口水温不变的工况下，低质量水经过第一级水源热泵机组时，其与单机水源热泵机组运行没有太大差别，但前一级水源侧的出水温度制约下一级机组的进口温度，相对于第二级水源热泵机组，水源侧的进口水温降低，将使第二级机组制热性能系数减小。双机水源热泵串联机组制热运行原理如图2所示。

图2 双机水源热泵串联机组制热运行原理

按此机组运行方式，串联机组的总效率比单机高，串联的第一级机组比第二级机组的单位制热量大[3]。水源热泵机组在制热工况下，随着水源侧进水温度的提高，输入的电功率、吸热量、制热量均增加，但从所增加的量看，制热量的增加量大于输入电能的增加量，制热性能系数COP也会相应的增大[4]。因此，在机组供热工况的有效范围内，通过该方式运行，应尽量提高水源侧进水温度（即蒸发温度）。

2.2 双机水源热泵并联机组运行方式

通常的设计中，两台水源热泵机组一般并联使用，其并联机组制热运行流程如图3所示。双机水源热泵并联运行时，水源侧和用户侧的进出口水温与单机运行时的进出口温度差别不大，仅整个机组的流量增加。当两台机组的总负荷减少到一台机组承担时，可以停一台机组，由单台机组承担所需负荷。但此方式的供回水温差小，循环水泵的耗能比较大[5]。

图3 双机水源热泵并联机组制热运行原理

3 水源热泵机组串并联运行性能比较

目前，对于单机水源热泵机组大温差技术的设计比较普遍，由于出水温度不变，即水源热泵机组的蒸发温度几乎不变，而冷凝温度增加，则水源热泵机组的效率会下降。为了改变此不利影响，提高制热效率而又不改变机组的工况，可采用水源热泵机组串联模式，打破传统的单机大温差技术。双机串联机组、单机大温差机组、常规机组的NPLV和节能率对比[6]见表1。

表1双机串联机组制热性能比较

由表1可见，通过采用双机水源热泵串联大温差运行方式节能效果明显。与常规机组相比，可节能20．4%，与单机大温差机组相比，可多节能16．7%。因此，采用双机水源热泵串联的方式进一步优化了大温差设计和常规机组的节能潜力。

为了方便水源热泵串、并联机组的性能比较，需对水源热泵串联机组和并联后的工作参数进行定义。水源侧的进口水温T定义为机组的进口水温；机组的耗电量W定义为额定工况下相同时间和相同单位下各台水源热泵机组的耗功率之和；机组的制热量Q定义为额定工况下相同时间和相同单位下各台水源热泵机组的制热量之和。机组的制热性能系数COP=Q/W。

双机水源热泵串联和并联机组制热性能比较见表2[7]。从表2可见，随着水源侧进口水温（即蒸发温度）的升高，机组的整体性能系数COP逐渐变大，在相同的水源侧进口水温下，双机水源热泵串联相对于并联来说，性能系数COP更高。综上所述，双机水源热泵串联不仅可以更大程度地利用低质量能源，且其效率较并联机组更高。

表2双机水源热泵串联和并联机组制热性能比较

4 结论

双机水源热泵串联模式，有助于最大限度回收利用低质量能源，使低质量能源的温度下降。尽管串联时整个机组的耗电量增加，但总的性能系数COP是增加的，因此，串联机组的利大于弊。相对于常规机组，双机串联机组可以节能20．4%，相对单机大温差机组，可多节能16．7%。相对于水源热泵串联机组，并联机组性能系数COP更小，不利于能源的高效利用。