摘要：介紹了海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響因素，建立了優(yōu)化冷卻水溫度的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，由此計(jì)算出冷卻水最優(yōu)溫度點(diǎn)，并闡述了優(yōu)化冷卻水溫度點(diǎn)的控制方法。
　　關(guān)鍵詞：海水源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行優(yōu)化，最優(yōu)冷卻水溫度
　　0引言
　　目前，海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)青島也有使用該系統(tǒng)的工程建成并投入使用。根據(jù)海水的利用方式不同，海水源熱泵系統(tǒng)可分為兩大類，一類是海水直接進(jìn)熱泵機(jī)組的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適用于大型集中供熱、供冷站，對(duì)熱泵機(jī)組冷凝器的防腐蝕能力要求較高。另一類是海水通過板式換熱器與冷卻水進(jìn)行熱量交換而不直接進(jìn)熱泵的系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)投入使用的海水源熱泵系統(tǒng)大都采用后一種方式[1]。
　　一般情況下熱泵機(jī)組在實(shí)際投入使用后，有90％以上的時(shí)間是在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的。此時(shí)，不但熱泵機(jī)組的工作負(fù)荷與設(shè)計(jì)工況下的負(fù)荷有較大的偏離，而且由于海水溫度的變化，熱泵機(jī)組的工作點(diǎn)也與設(shè)計(jì)工作點(diǎn)有很大的不同。在非設(shè)計(jì)工況，全年各種不同的空調(diào)工況下冷卻水的溫度應(yīng)該控制在某一特定范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)冷卻水溫度存在一個(gè)最優(yōu)控制點(diǎn)使得整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗最低。本文將探討如何確定冷卻水最優(yōu)溫度點(diǎn)，并且進(jìn)一步闡述這個(gè)溫度點(diǎn)如何控制。
　　1冷卻水的優(yōu)化溫度
　　冷卻水溫度控制是整個(gè)水冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的核心問題之一。對(duì)海水源熱泵系統(tǒng)來說，板式換熱器內(nèi)海水流速升高則換熱器換熱系數(shù)增大，冷卻水溫度降低，熱泵機(jī)組能效比COP值隨冷卻水溫度的降低而提高，熱泵能耗降低，但海水泵能耗升高。反之，海水流速降低板式換熱器換熱系數(shù)減小，冷卻水溫度升高，熱泵機(jī)組COP隨冷卻水溫度的升高而下降，熱泵能耗增加，海水泵能耗減小[2]。如何確定一個(gè)最佳冷卻水優(yōu)化溫度，使熱泵系統(tǒng)的綜合能耗最低，這對(duì)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化至關(guān)重要。
　　2冷卻水溫度對(duì)熱泵機(jī)組COP的影響
　　為得出冷卻水溫度對(duì)熱泵機(jī)組COP的影響，需建立熱泵機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。本文采用Gordon-Ng制冷機(jī)數(shù)學(xué)模型[3]，模型包含蒸發(fā)器出水溫度、冷凝器進(jìn)水溫度、機(jī)組制冷量三個(gè)已定參數(shù)和、、三個(gè)與熱泵性能有關(guān)的待定系數(shù)。
　　（2.1）
　　式中：——蒸發(fā)器出水溫度，K；
　　——冷凝器進(jìn)水溫度，K；
　　——制冷機(jī)組制冷量，kW；
　　——熱泵機(jī)組能耗，kW。
　　把廠家提供的熱泵參數(shù)代入（式2.1）可求得、、三個(gè)系數(shù)。
　　由式（2.1）可以看出，在蒸發(fā)器出水溫度和熱泵制冷量為某一定值時(shí)，熱泵機(jī)組功耗與冷凝器進(jìn)水溫度成一次線性關(guān)系。
　　(2.2)
　　
　　(2.3)
　　式中：——板式換熱器換出水溫度，℃。
　　已知
　　令=，=
　　則(2.4)
　　3板式換熱器傳熱系數(shù)和壓降的計(jì)算
　　板式換熱器有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、換熱面積大及傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。由于板式換熱器由許多換熱面積相同的換熱板組成，可以方便地根據(jù)換熱量決定精確的換熱面積以使工程設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。在海水源熱泵系統(tǒng)中，由于海水具有腐蝕作用，除了集中供冷、供熱站中的大型熱泵機(jī)組采用經(jīng)特殊防腐處理的蒸發(fā)、冷凝換熱器外，其余熱泵系統(tǒng)都是海水經(jīng)鈦合金板式換熱器與二次冷卻水（乙二醇溶液）進(jìn)行熱量交換。
　　在海水源熱泵系統(tǒng)中，板式換熱器的選型尤為重要。板式換熱器的優(yōu)化選型是根據(jù)換熱器的用途和工藝過程中的參數(shù)和傳熱單元數(shù)NTU、溫差比（對(duì)數(shù)平均溫差—換熱的動(dòng)力）選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結(jié)構(gòu)[4]。若板式換熱器設(shè)計(jì)不合理可能使換熱面積過大，造成初投資的浪費(fèi)，也可能使板換間流體流速太高，阻力過大，導(dǎo)致運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。
　　板式換熱器的傳熱系數(shù)[5]：
　　（3.1）
　　式中：K——板式換熱器傳熱系數(shù)，W/(m2•K)；
　　——板式換熱器板片厚度，m；
　　——板式換熱器污垢系數(shù)，(m2•K)/W；
　　——板式換熱器板片與流體的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2•K)；
　　——板式換熱器板片導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2•K)。
　　上式中，由于板片導(dǎo)熱熱阻和污垢導(dǎo)熱熱阻變化較小，本文將其看作板式換熱器固有的熱工參數(shù)，而將可變性較大的流體對(duì)流換熱系數(shù)看作影響總傳熱系數(shù)的主要因素。在板換運(yùn)行過程中，對(duì)流換熱系數(shù)的變化主要由流體流速變化引起，同時(shí)板換壓降也主要與流體流速有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)廠家提供的板換熱工試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)換熱器的總傳熱系數(shù)、壓降與冷熱流體的流速存在定量關(guān)系，對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合可得到總傳熱系數(shù)、壓降與冷熱流體的流速的關(guān)聯(lián)式[4]：
　　(3.2)
　　當(dāng)為某一特定值時(shí)，傳熱系數(shù)、板式換熱器海水測(cè)壓降與的關(guān)聯(lián)式為：
　　(3.3)
　　(3.4)
　　式中：Δp——板式換熱器壓降，kPa；
　　——二次水流速(乙二醇溶液)，m/s；
　　——一次水流速(海水)，m/s。
　　根據(jù)廠家提供的設(shè)備參數(shù)我們經(jīng)擬合可求得式（3.3）、（3.4）中的待定系數(shù)、、、、、、、。
　　4海水泵功耗與蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的關(guān)系
　　制冷機(jī)冷凝器散熱量：(4.1)
　　板式換熱器換熱量：(4.2)
　　式中：——制冷機(jī)能耗，kW;
　　——制冷機(jī)制冷量，kW；
　　——流體比熱，kJ/(kg•℃);
　　——流體質(zhì)量流量，kg/s;
　　——流體進(jìn)出口溫差，℃；
　　——對(duì)數(shù)平均溫差[6]，℃。
　　（4.3）
　　式中:分別為板式換熱器中海水、冷卻水的進(jìn)出水溫度。
　　根據(jù)能量平衡方程
　　（4.4）
　　根據(jù)制冷量、板換水系統(tǒng)進(jìn)出口溫度可對(duì)板式換熱器進(jìn)行選型，海水進(jìn)板換溫度一定，冷卻水出板換溫度待定，根據(jù)式（4.3）可求得：
　　（4.5）
　　（4.6）
　　把代入式（4.3）可求得平均對(duì)數(shù)溫差。

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