Study on Energy Efficiency and Economical Performance of Ice Source Heat Pump Based on Ice Slurry

Ying-ying WANG; Wen-ji SONG; Ming-biao CHEN; Zi-ping FENG

doi:10.3969/j.issn.2095-560X.2021.01.007

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Advances in New and Renewable Energy ›› 2021, Vol. 9 ›› Issue (1) : 48-54. DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2021.01.007

Study on Energy Efficiency and Economical Performance of Ice Source Heat Pump Based on Ice Slurry

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Abstract

Ice source heat pump uses the latent heat of fresh water or seawater near freezing point, which has the characteristics of high energy efficiency and wide applicability. In order to study the energy efficiency and economy of the ice source heat pump during heating period, 5 cities of typical heating areas in China were selected as research objects. Based on the meteorological parameters of each city during heating period in recent 5 years, the system energy efficiency of air source heat pump, ice source heat pump and ground source heat pump were simulated respectively. Furthermore, the static investment payback period of ice source heat pump system was studied by calculating the initial investment and operating cost of each heat pump system. The results showed that the system energy efficiency of ice source heat pump was quiet high, which was 2.8 ~ 3.2. In terms of economy, compared with air source heat pump and ground source heat pump, the initial investment and operating cost of ice source heat pump in Harbin were the lowest, and the static investment payback periods of Beijing, Zhengzhou, Wuhan and Nanjing were 3.0, 5.1, 2.3 and 2.6 years respectively. Therefore, the ice source heat pump is a promising application during heating period.

Key words

ice slurry / ice source heat pump / energy efficiency comparison / economical performance analysis / ground source heat pump / air source heat pump

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Ying-ying WANG, Wen-ji SONG, Ming-biao CHEN, et al. Study on Energy Efficiency and Economical Performance of Ice Source Heat Pump Based on Ice Slurry[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2021, 9(1): 48-54 https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2021.01.007

0 引言

目前,我国是除美国外的第二大能源消费国,能源消耗约占全球总量的1/5^[1]。因此,利用各类节能减排技术减少能源消耗已成当务之急。热泵作为一种高效、环保的系统,已获得广泛的应用。

然而各类热泵系统,如地源热泵、空气源热泵、水源热泵、传统冰源热泵等,在应用时仍有局限。地源热泵运行能效较高,但大部分存在热平衡问题^[2]。空气源热泵由于利用空气作为热源,因而受室外气象因素的影响很大^[3,4],尤其在低温高湿的地区,其能效很低,甚至无法正常工作。水源热泵为保证运行时蒸发器内不结冰,在蒸发器出水温度低于4℃时,将不可使用。传统冰源热泵由于冰直接在换热器上生成,增加了换热热阻,影响换热效率,导致系统运行能效较低^[5]。

基于流态冰的新型冰源热泵系统可以利用近冰点淡水或海水相变潜热作为热源,具有采暖能效高、适用性广的特点,应用前景广泛。近年来,国内外学者在冰浆的制取方法^[6]、传热和流动特性^[7,8]等方面已有深入研究。本课题组的前期研究^[9,10]可以实现对过冷水过冷度在（-2 ~ -1.8℃）之间的精确控制,从而实现稳定的相变换热,为其在冰源热泵系统中的应用奠定了基础。

能效与经济性是热泵采暖的关键指标,然而目前对冰源热泵系统的采暖能效与运行经济性还缺乏定量的研究。因此,本文选取哈尔滨、北京、郑州、武汉、南京这5个典型供暖区域城市,基于各城市采暖期的气象参数,定量计算并对比冰源热泵、地源热泵和空气源热泵的采暖期系统能效和经济性。从而得到各热泵系统能效及经济性的直观对比,为冰源热泵系统的实际应用提供一定参考依据。

1 冰源热泵系统

冰源热泵系统一般由沉淀悬浮分离设备、水源泵、可控相变换热器、热泵机组、乙二醇泵、供热泵、供热末端、冰水分离设备等组成。

冰源热泵系统与水源热泵系统的不同之处在于,为使淡水或海水在冰浆装置中可控结冰,在热源水（近冰点淡水或海水）与热泵蒸发器中间增加一套可控相变换热器。因而整个系统存在两级换热。系统的工作原理如图1所示。热源水经水源泵输送至可控相变换热器,在换热器内与载冷剂乙二醇换热,水发生相变释放相变潜热后转变为0℃的冰浆溶液。载冷剂吸热后,经乙二醇泵输送至热泵机组的蒸发侧作为热泵机组的热源,为供热末端提供热量。其中,热源水利用江河湖水资源,生成冰浆释放相变潜热后送回至江河湖中。

Fig. 1 Schematic diagram of ice source heat pump

图1 冰源热泵系统原理图

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可控相变换热器是冰源热泵系统的核心部件。其基本原理是充分利用水的过冷特性^[11,12],将水-冰相变的物理过程解耦为换热器内的过冷和绝热容器内的相变两个过程^[13],进而实现可控相变提取相变潜热。受可控过冷度的约束,每次换热仅有部分水相变为冰（1℃过冷度对应1/80的含冰量）,因此可得到0℃的冰浆。过冷法制取冰浆的技术已在中央空调冰蓄冷领域得到广泛应用,技术原理和设备运行可靠性得到了业界认可,曾入选新中国成立七十周年制冷空调行业创新成果目录^[14]。因过冷度大小与换热稳定性及系统能效密切相关,一般控制可控换热器内的过冷度在 -2.5℃以内。

因此,冰源热泵的热源侧介质温度可降低至0℃,大大拓宽了水源热泵的应用范围。且冰源热泵建造时无需打井,解决了地源热泵的场地问题,减少了打井成本。同时,冰源热泵利用自然水体作为热源,弥补了空气源热泵在寒冷潮湿环境下无法正常工作的不足^[15]。因而,冰源热泵是近冰点气候条件下十分理想的热泵供热解决方案。

上文提及的冰源热泵系统由于存在载冷剂乙二醇的中间换热过程,也被称为间接式冰源热泵。为与常规空气源热泵和地源热泵进行对比,在下文模拟中均采用直接蒸发式的冰源热泵,即不存在乙二醇的中间换热过程,制冷剂直接在可控相变换热器中吸收相变潜热后,为供热末端供热。

2 不同热泵系统能效对比

采用EES软件模拟计算热泵系统的能效。根据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-2016）,考虑典型气候区的供热需求及人口密度,在典型供暖区中选取哈尔滨、北京、郑州、武汉、南京这5个城市为代表,计算采暖期冰源热泵系统的系统能效并与空气源热泵、地源热泵系统进行对比。

计算过程做如下处理：①用分段法对采暖期的气象温度进行处理,同时统计各温度段对应供暖天数;②哈尔滨地区的空气源热泵采用复叠式空气源热泵,其他地区均采用单级热泵;③地源热泵采用地下80 m处的地下水作为热源,且不考虑运行过程中地下水温度的变化;④根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）,取热泵系统过冷度和过热度均为5℃,冷凝温度为43℃。

在制冷工质、冷凝温度和过冷过热度均确定的情况下,蒸发温度对不同机组性能影响很大。因此,为计算热泵系统的能效,首先需确定各系统在不同城市运行时的蒸发温度。为确保准确性,根据近5年各城市采暖期的平均气象参数计算各热泵系统的蒸发温度。

2.1 气象参数的确定

各城市采暖期根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》^[16]确定。哈尔滨、北京、武汉、南京和郑州的采暖期时长分别为175 d、122 d、49 d、79 d和96 d。由于空气源热泵和冰源热泵的热源分别为空气和自然水体,因此需明确气温及自然水体温度。根据中央气象台数据,汇总近5年各城市采暖期的逐日平均气温。采暖期逐日平均自然水体温度t_water根据下式^[17]计算：

t_{water} = 4.717 e^{0 .041 t_{air}} \frac{{(1 + r^{2})}^{0.781}}{{(1 + 0.325 ω^{2})}^{0.0325}}

(1)

式中：t_air为室外空气温度,℃;r为相对湿度;ω为风速,m/s。

由于地下水温度受地质条件等因素的影响很大,根据文献[18]确定各城市地下80 m处的平均水温,结果统计于表1中。

Table 1 Temperature of underground water^[18]

表1 地下水温度^[18]

城市	地下水温度 / ℃
哈尔滨	9.0
北京	15.0
郑州	15.5
武汉	18.3
南京	15.3

2.2 蒸发温度的确定

根据文献[19],空气源热泵系统蒸发器中的平均传热温差为11 ~ 13℃,本文选取12℃;地源热泵系统蒸发器中的平均传热温差为5 ~ 7℃,本文取6℃。冰源热泵根据机组的实际运行过程,确定其蒸发器中的平均传热温差为5℃。结合2.1中所得气象参数,可以确定空气源热泵、冰源热泵和地源热泵的蒸发温度及各温度区间对应供暖天数。结果统计于表2。

Table 2 Heating days corresponding to evaporation temperature in different cities

表2 不同城市蒸发温度对应供暖天数

热泵类型	条件		供暖天数 / d
热泵类型	条件		哈尔滨	北京	郑州	武汉	南京
空气源热泵	气温 / ℃	蒸发温度 / ℃
	-20 ~ -14	-32 ~ -26	59	-	-	-	-
	-14 ~ -8	-26 ~ -20	39	-	-	-	-
	-8 ~ -2	-20 ~ -14	24	17	-	-	-
	-2 ~ 4	-14 ~ -8	34	81	51	17	24
	4 ~ 10	-8 ~ -2	19	24	45	32	55
冰源热泵	地表水温 / ℃	蒸发温度 / ℃
	2 ~ 4	-3 ~ -1	85	-	-	-	-
	4 ~ 6	-1 ~ 1	56	92	10	-	-
	6 ~ 8	1 ~ 3	34	30	80	21	50
	8 ~ 10	3 ~ 5	-	-	6	28	29
地源热泵 (蒸发温度)			175 (3.0℃)	122 (9.0℃)	96 (12.3℃)	49 (9.5℃)	79 (9.3℃)

2.3 系统能效计算结果与分析

为合理比较各热泵的性能,本文对热泵系统的性能进行模拟分析。系统的制热系数（coefficient of performance, COP）计算公式如下：

COP = \frac{Q}{W_{total}}

(2)

W_{total} = W_{comp} + W_{pump}

(3)

其中：Q为系统供热量;W_total为系统总耗功;W_comp为压缩机耗功量;W_pump为泵功。

计算过程中,考虑空气源热泵冬季运行时的结霜问题,引入平均结霜除霜损失系数进行计算,哈尔滨、北京、郑州、武汉、南京的平均结霜除霜损失系数分别为0.98、0.97、0.96、0.85、0.92^[20]。地源热泵的泵功约占系统总能耗的47% ^[21]。冰源热泵的泵功及可控相变换热器的耗功约占总耗功的15%^[22]。计算结果如表3所示。

Table 3 Energy efficiency of heat pumps in different cities

表3 不同城市热泵系统能效

热泵类型	条件		系统能效
热泵类型	条件		哈尔滨	北京	郑州	武汉	南京
空气源热泵	气温 / ℃	蒸发温度 / ℃
	-20 ~ -14	-32 ~ -26	2.1	-	-	-	-
	-14 ~ -8	-26 ~ -20	2.3	-	-	-	-
	-8 ~ -2	-20 ~ -14	2.5	2.1	-	-	-
	-2 ~ 4	-14 ~ -8	2.8	2.2	2.4	2.5	2.4
	4 ~ 10	-8 ~ -2	3.0	2.6	2.7	2.6	2.7
冰源热泵	地表水温 / ℃	蒸发温度 / ℃
	2 ~ 4	-3 ~ -1	2.8	-	-	-	-
	4 ~ 6	-1 ~ 1	2.9	2.9	3.0	-	-
	6 ~ 8	1 ~ 3	3.1	3.1	3.1	3.2	3.1
	8 ~ 10	3 ~ 5	-	-	3.2	3.2	3.2
地源热泵 (蒸发温度)			2.5 (3.0℃)	3.0 (9.0℃)	3.2 (12.3℃)	3.0 (9.5℃)	3.0 (9.3℃)

由表3可知,空气源热泵采暖期的系统能效为2.1 ~ 3.0,冰源热泵为2.8 ~ 3.2,地源热泵为2.5 ~ 3.2。由于哈尔滨地区采用了复叠式空气源热泵,因而相较于其他城市,该地区的空气源热泵能效较高。但总体而言,空气源热泵的系统能效最低。另外,冰源热泵采用地表的自然水源作为热源,虽温度低于地下水温,但因冰源热泵系统的水泵等耗功远小于地源热泵,因而冰源热泵的系统能效与地源热泵基本持平,甚至在地下水温较低的哈尔滨地区,冰源热泵的系统能效远高于地源热泵。

3 不同热泵系统经济性分析

为比较空气源热泵、地源热泵和冰源热泵系统在采暖期的经济性,以建筑面积S = 10 000 m²的建筑物作为供暖对象,结合各城市的单位面积供暖负荷及电价计算各系统的运行成本与初投资,再计算冰源热泵的静态投资回收期。

3.1 机组运行成本

机组运行成本主要考虑采暖期间系统的运行电费。电价以当地一般工商业用电价格为准,各地电价及单位面积建筑物负荷列于表4中。

Table 4 Electricity price and heat load in each city

表4 各城市电价及热负荷

城市	电价P / [元/(kW·h)]	热负荷q / (W/m²)
哈尔滨	0.72	43.4
北京	1.03	40.3
郑州	0.68	42.6
武汉	0.69	26.0
南京	0.67	28.0

根据上表结果,结合表2中各温度区间热泵系统的运行能效及对应天数,求得采暖期各城市不同热泵系统的运行成本。计算公式如下：

C_{y} = P \cdot q \cdot S \cdot \sum D \cdot COP

(4)

式中：C_y为采暖期各系统的运行成本,元;D为各温度段对应供暖天数,天;COP为该温度段内热泵的系统能效。结果如表5所示。

Table 5 Operating cost of each heat pump system during heating period

表5 各热泵系统采暖期运行成本

城市	采暖期运行成本 / 万元
城市	空气源热泵	冰源热泵	地源热泵
哈尔滨	33.0	27.5	31.0
北京	15.9	11.9	11.9
郑州	11.8	9.2	8.8
武汉	4.0	2.7	2.8
南京	6.3	4.8	5.0

由表5可知,相同城市,空气源热泵在采暖期的运行成本远高于冰源热泵和地源热泵,并且除北京和郑州两地,冰源热泵的运行成本最低。这是由于运行成本与系统能效息息相关。气温越低、湿度越大的城市,空气源热泵的系统能效与冰源热泵和地源热泵的差值越大。另外,相同热泵系统在不同地区的运行成本也相差较大,在气温较低的地区,运行成本明显较高。这是由于气温越低的城市其热负荷越高,而系统能效随气温降低而降低,导致各热泵系统采暖期的运行成本显著升高。

3.2 机组初投资

地源热泵机组初投资按0.4万元/kW计算^[23],空气源热泵单位面积机组价格在75.3 ~ 99.4元/m^2[24],各地价格按对应单位面积建筑物负荷大小合理取值。冰源热泵机组根据工程经验^[22]确定其初投资成本。计算公式如下。

地源热泵：

C_{cg} = 0.4 q S

(5)

空气源热泵：

C_{ca} = S c / 10000

(6)

式中：C_cg为地源热泵初投资成本,万元;C_ca为空气源热泵初投资成本,万元;

c

为空气源热泵单位面积机组价格。结果统计于表6中。

由表6可知,除哈尔滨外,冰源热泵初投资居中,空气源热泵最低,地源热泵最高。这是由于地源热泵机组在建造初期的打井需求,导致投资成本较高。而冰源热泵系统相较于空气源热泵,增加了可控相变换热器等设备,因此初投资居中。另外,复叠式空气源热泵投资成本较高,因此在哈尔滨地区,冰源热泵初投资反而最低。

Table 6 Initial investment of different heat pump units

表6 各热泵机组初投资成本

城市	初投资成本 / 万元
城市	空气源热泵	冰源热泵	地源热泵
哈尔滨	150	130	174
北京	95	110	161
郑州	100	113	170
武汉	75	78	104
南京	80	84	112

3.3 静态投资回收期

为更加直观地对比各热泵系统的经济性,本文对静态投资回收期进行计算。公式^[25]如下：

T_{p} = \frac{K}{B_{N}} + T_{k}

(7)

式中：T_p为静态投资回收期,年;K为投资总额,万元;B_N为年净收益,万元;T_k为项目的建设期,年。

计算过程中,将两种方案初投资的差值作为投资总额。由于本文仅对在采暖期运行的热泵进行比较,因此将采暖期的运行费用差值作为年净收益,项目建设期均为0。

经初步对比,地源热泵的初投资远高于冰源热泵和空气源热泵,因而仅需计算冰源热泵的静态投资回收期。

由表7可知,除哈尔滨外,冰源热泵的静态投资回收期均较短。在哈尔滨地区,冰源热泵系统不存在静态投资回收期。其中,武汉和南京冰源热泵的静态投资回收期较短,这是由于两个城市冬季气温低、湿度大,平均结霜除霜损失系数较大,因此空气源热泵机组的运行费用远高于冰源热泵。北京和郑州地区湿度虽不高,但由于气温过低,空气源热泵的运行成本仍然较高,因此冰源热泵静态投资回收期也较短。由此可见,在寒冷地区以及低温高湿地区,冰源热泵的静态投资回收期均较短,有很好的应用前景。

Table 7 Static investment recovery period for ice source heat pumps in different cities

表7 不同城市冰源热泵静态投资回收期

城市	投资回收期 / a
哈尔滨	-
北京	3.0
郑州	5.1
武汉	2.3
南京	2.6

4 结论

详细阐述了基于流态冰的新型冰源热泵系统的工作原理与应用前景。其次,对冰源热泵的能效和经济性进行了定量计算和分析,并与空气源热泵和地源热泵系统进行对比。主要结论如下：

（1）相较于水源热泵系统,冰源热泵系统增加了可控相变换热器,因此热源温度可降至0℃,可有效解决水源热泵在蒸发器出水口温度低于4℃时易发生的冰堵问题。

（2）在相同冷凝温度、制冷工质和过冷过热度的情况下,不同城市冰源热泵、空气源热泵和地源热泵的运行能效分别为2.8 ~ 3.2、2.1 ~ 3.0、2.5 ~ 3.2。

（3）基于对各热泵采暖期的运行费用及初投资的计算,得出冰源热泵的静态投资回收期很短,在哈尔滨地区使用最为经济,且在低温高湿的城市的投资回收期较短,有很好的应用前景。

本文提出的新型冰源热泵系统不仅拓宽了水源热泵的应用范围,且设备初投资较地源热泵而言更低。同时由于该系统在采暖期能高效运行,因而相较于空气源热泵,有较短的静态投资回收期。由此可见,该新型冰源热泵系统有很好的发展前景。在后续的研究中,将进一步对冰源热泵在跨季节蓄冷等方面的实际应用进行深入研究。

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Received	Revised	Published
2020-07-05	2020-11-10	2021-02-28
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2021-02-26

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