基于寿命周期成本评价方法的开式地表水源热泵系统优化分析

陈金华　袁娟娟　李百战

摘要：针对开式地表水源热泵系统，建立了应用于工程评价的简化的寿命周期成本（LCC）计算模型.采用Destc对某工程实例进行全年能耗模拟，根据结果分析负荷需求特性，结合机组及水泵的性能曲线，进行系统LCC值分析.将开式地表水源热泵系统与常规冷热源系统组成LCC的各项成本进行比较，得出开式地表水源热泵系统LCC的影响因素主要为设计取水温度、排放水温度和取水高差.通过对以上问题的分析，探讨了优化系统的措施.在取水温度为24 ℃时，取水泵定温差变频运行，通过拟合曲线得到最佳取水温差为7.7 ℃，对应的最小LCC为441.80.另外，考虑机组变工况运行情况，得到了更小的LCC值为433.50，说明变工况运行能进一步产生节能效益.

关键词：开式地表水源热泵；寿命周期成本；能耗；系统优化

中图分类号：TU831 文献标识码：A

研究表明：全生命周期理论适合评价较大初投资情形下的未来投资回收问题7].全寿命周期不仅包括经济意义的成本，还包括环境成本、社会成本.从理论上讲，全寿命周期是指产品从研究开发、设计、建设、使用直到报废所经历的全部时间8-9].由于本文讨论的是开式地表水源热泵系统这一特定对象的评价方法，故可简化为只考虑设备的经济寿命，即指设备从开始使用到再继续使用在经济上已不合理为止的全部时间，本文称之为“寿命周期”.

本文将建立应用于开式地表水源热泵系统工程评价的简化的寿命周期成本计算模型，通过比较不同冷热源系统的LCC，分析能耗的组成及特征.研究一定取水温度下的最佳取水温差以及系统变工况运行策略，以此来改进方案，力求最优.

3.2方案初选

本文采用LCC这一概念，目标并不是全面、完整地计算整个费用，而是通过比较各方案的LCC，为选择最佳方案提供决策依据.

方案1为螺杆式冷水机组+燃气锅炉系统，方案2为江水源热泵系统.在计算两者的LCC时，只考虑不同的部分，而不考虑相同的部分.比如认为机房土建费用、末端设备费、夏季冷冻水循环泵能耗都是相同的，设备安装费也近似相等.两种方案的设备选型见表2和表3.冬季供热时，水源热泵机组单台运行.热泵机组及冷水机组部分负荷下的能效比曲线见图4，纵坐标为对应横坐标某负荷率下的能效比与额定工况能效比的比值.方案1燃气热水锅炉由于缺乏随负荷变化的效率曲线，本文假定运行中效率保持额定值，不随负荷率降低而降低，则耗气量随负荷率线性变化，这部分偏差可作为工程上的安全系数.

从表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.

在本工程保证机组最小水流量40%的前提下，方案1，2，3的变频泵变频范围依次为72%～100%，56%～100%，40%～100%，方案2变频泵变频范围较小，一定程度上影响了其变频泵的节能潜力，其机组能效在3种方案中最低.方案4机组能效最高，但由于取水量较大，取水泵能耗较高，并且取水量增大导致取水部分投资增大，所以其LCC值最大.而方案3的机组能耗和取水泵能耗虽然均不是最小的，但是LCC值却最小，为最佳方案.

由此可见，取水量过大或过小均不佳.取水量太小，与机组额定流量相差较大，会引起取水泵变频范围减小，而且排放水温度过高会使机组能效比降低.若取水量太大，则会增加取水设施投资，导致取水泵能耗过高，而机组因能效比提高而得到的节能效益无法抵消甚至低于取水泵的能耗增量.因而，要保证取水泵能耗、机组能耗和初投资均在合理范围内，才能得到最低LCC值.

下面根据多组工况计算结果进行曲线拟合.进水温度为24 ℃.横坐标为取排放水温差，纵坐标为对应的LCC值.由图5可知，本工程在定温差运行工况下，最佳取排放水温差为7.7 ℃，最小LCC值为441.80.

4.2考虑机组变工况运行，提高系统综合能效

根据Destc的模拟结果可知，满负荷运行时间占空调总运行时间的比例是很小的，可以考虑机组的变工况运行，兼顾取水泵的能耗及机组能效比，提高系统的整体综合能效.

考虑设计方案5：按照9 ℃温差来选择取水泵，80%～100%负荷率区间下定频运行，负荷率为80%时，计算得源水侧进出水温差约为7.2 ℃，接近前面分析得到的最佳取水温差，此时开始定温差变频运行能获得较小的LCC值，取得较好的节能效益.直至通过机组的流量小于所需最小流量时，水泵再次转为定频运行.

此方案在选择水泵时，按照大温差的原则来选择水泵，尽量减少设计取水量，降低取水泵额定能耗.同时，通过变工况运行，使除了接近满负荷下的大部分时间，机组都在最佳设计取水温差工况下高效运行.计算得该方案LCC值为433.50.

相比方案3，方案5的LCC值更低.方案5不仅降低了运行年限产生的费用，同时也减少了一部分前期投资.说明系统变工况运行能进一步产生节能效益，值得深入研究.

5结论

建立了基于寿命周期成本的简化的工程评价方法，可对开式地表水源热泵系统进行准确的评价和优化.通过对实际案例的分析，得到如下结论：

1） 建立的LCC计算模型采用流程图的形式呈现，清晰明了，易于理解.并且通过合理的简化后，运算简便，准确度高，便于应用实际工程的评价和优化中.

2）开式地表水源热泵系统的LCC组成部分中，最主要的是运行年限内的总运行费，其中，又以机组所占费用比重最大，因而，选取能效品质高的水源热泵机组本身就至关重要.

3） 在开式地表水源热泵系统中，影响LCC值的因素主要有两点：取水高差、设计取排放水温度.取水高差和取水温差直接影响到取水泵的能耗.而取排放水温度同时又会影响机组能效.取水量又与初投资有直接的关系.另外，要考虑在满足机组的最小水流量要求下，变频泵的变频范围受影响的程度.因此，在方案设计时，要综合考虑取水泵能耗和机组能耗的相关关系，考虑运行费用的同时，不能忽略初投资.通过计算分析得到，对本工程而言，在源水进水温度为24 ℃且定温差变频运行时，最佳取水温差7.7 ℃，对应的LCC值为441.80.

4）按照9 ℃温差进行取水泵的选型，保证尽量减小取水能耗和取水设施投资，同时考虑机组变工况运行，使除接近满负荷时间的大部分时间内，系统能在最佳设计取水温差工况下，保持高效运行，计算得该方案的LCC值为433.50，说明变工况运行更为有利，具有节能潜力.只有从提高系统综合能效着手，全面考虑，才能得到更优方案.

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