摘要：介紹了海水源熱泵空調系統能耗的影響因素，建立了優化冷卻水溫度的數學計算模型，由此計算出冷卻水最優溫度點，并闡述了優化冷卻水溫度點的控制方法。
　　關鍵詞：海水源熱泵系統，運行優化，最優冷卻水溫度
　　0引言
　　目前，海水源熱泵空調系統在全球范圍內已得到廣泛的應用，在我國青島也有使用該系統的工程建成并投入使用。根據海水的利用方式不同，海水源熱泵系統可分為兩大類，一類是海水直接進熱泵機組的系統，這種系統適用于大型集中供熱、供冷站，對熱泵機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行熱量交換而不直接進熱泵的系統。目前國內投入使用的海水源熱泵系統大都采用后一種方式[1]。
　　一般情況下熱泵機組在實際投入使用后，有90％以上的時間是在非設計工況下運行的。此時，不但熱泵機組的工作負荷與設計工況下的負荷有較大的偏離，而且由于海水溫度的變化，熱泵機組的工作點也與設計工作點有很大的不同。在非設計工況，全年各種不同的空調工況下冷卻水的溫度應該控制在某一特定范圍，在這個范圍內冷卻水溫度存在一個最優控制點使得整個空調系統的能耗最低。本文將探討如何確定冷卻水最優溫度點，并且進一步闡述這個溫度點如何控制。
　　1冷卻水的優化溫度
　　冷卻水溫度控制是整個水冷熱泵空調系統優化的核心問題之一。對海水源熱泵系統來說，板式換熱器內海水流速升高則換熱器換熱系數增大，冷卻水溫度降低，熱泵機組能效比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減小，冷卻水溫度升高，熱泵機組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]。如何確定一個最佳冷卻水優化溫度，使熱泵系統的綜合能耗最低，這對熱泵系統的運行優化至關重要。
　　2冷卻水溫度對熱泵機組COP的影響
　　為得出冷卻水溫度對熱泵機組COP的影響，需建立熱泵機組的數學模型。本文采用Gordon-Ng制冷機數學模型[3]，模型包含蒸發器出水溫度、冷凝器進水溫度、機組制冷量三個已定參數和、、三個與熱泵性能有關的待定系數。
　　（2.1）
　　式中：——蒸發器出水溫度，K；
　　——冷凝器進水溫度，K；
　　——制冷機組制冷量，kW；
　　——熱泵機組能耗，kW。
　　把廠家提供的熱泵參數代入（式2.1）可求得、、三個系數。
　　由式（2.1）可以看出，在蒸發器出水溫度和熱泵制冷量為某一定值時，熱泵機組功耗與冷凝器進水溫度成一次線性關系。
　　(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和壓降的計算
　　板式換熱器有結構緊湊、占地面積小、換熱面積大及傳熱系數高的優點。由于板式換熱器由許多換熱面積相同的換熱板組成，可以方便地根據換熱量決定精確的換熱面積以使工程設計達到最優化。在海水源熱泵系統中，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組采用經特殊防腐處理的蒸發、冷凝換熱器外，其余熱泵系統都是海水經鈦合金板式換熱器與二次冷卻水（乙二醇溶液）進行熱量交換。
　　在海水源熱泵系統中，板式換熱器的選型尤為重要。板式換熱器的優化選型是根據換熱器的用途和工藝過程中的參數和傳熱單元數NTU、溫差比（對數平均溫差—換熱的動力）選擇板片形狀、板式換熱器的類型和結構[4]。若板式換熱器設計不合理可能使換熱面積過大，造成初投資的浪費，也可能使板換間流體流速太高，阻力過大，導致運行不經濟。
　　板式換熱器的傳熱系數[5]：
　　（3.1）
　　式中：K——板式換熱器傳熱系數，W/(m2•K)；
　　——板式換熱器板片厚度，m；
　　——板式換熱器污垢系數，(m2•K)/W；
　　——板式換熱器板片與流體的對流換熱系數，W/(m2•K)；
　　——板式換熱器板片導熱系數，W/(m2•K)。
　　上式中，由于板片導熱熱阻和污垢導熱熱阻變化較小，本文將其看作板式換熱器固有的熱工參數，而將可變性較大的流體對流換熱系數看作影響總傳熱系數的主要因素。在板換運行過程中，對流換熱系數的變化主要由流體流速變化引起，同時板換壓降也主要與流體流速有關。在此基礎上，我們對廠家提供的板換熱工試驗數據進行研究，發現換熱器的總傳熱系數、壓降與冷熱流體的流速存在定量關系，對這些試驗數據進行回歸擬合可得到總傳熱系數、壓降與冷熱流體的流速的關聯式[4]：
　　(3.2)
　　當為某一特定值時，傳熱系數、板式換熱器海水測壓降與的關聯式為：
　　(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。
　　根據廠家提供的設備參數我們經擬合可求得式（3.3）、（3.4）中的待定系數、、、、、、、。
　　4海水泵功耗與蒸發器進水溫度的關系
　　制冷機冷凝器散熱量：(4.1)
　　板式換熱器換熱量：(4.2)
　　式中：——制冷機能耗，kW;
　　——制冷機制冷量，kW；
　　——流體比熱，kJ/(kg•℃);
　　——流體質量流量，kg/s;
　　——流體進出口溫差，℃；
　　——對數平均溫差[6]，℃。
　　（4.3）
　　式中:分別為板式換熱器中海水、冷卻水的進出水溫度。
　　根據能量平衡方程
　　（4.4）
　　根據制冷量、板換水系統進出口溫度可對板式換熱器進行選型，海水進板換溫度一定，冷卻水出板換溫度待定，根據式（4.3）可求得：
　　（4.5）
　　（4.6）
　　把代入式（4.3）可求得平均對數溫差。

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