开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置。所涉及的计算方法取水最小能耗计算方法包括：通过对(式1)耦合求解，求解热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：(式1)；所涉及的装置包括依次连接的热泵机组、除沙系统、水泵、取水管和取水头，所述取水头活动式安装在取水管上。本发明专利技术通过系统优化，提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统，以获得含沙量较低以及温度较为适宜的水体，目的是降低除沙器造成的取水能耗以及提高水源热泵系统能效，最大限度地提高系统的整体能效水平，运行经济且控制简单方便。

【技术实现步骤摘要】
开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法及装置
本专利技术涉及集中空调系统
，特别涉及一种地表水源热泵空调的取水系统。
技术介绍
地表水水体存在以下三个重要特征：一是由于雨季、旱季或者水库蓄水等因素影响，导致地表水水位有洪水期与枯水期之分；二是水体的含沙量存在自上而下逐渐升高的立体分布现象；三是水体的水温自上而下的分层现象。开式地表水源热泵是直接将地表水引入热泵机组换热器进行换热的(如图1所示)，水体含沙不仅影响热泵机组的换热性能，还对热泵机组及其附件的使用寿命产生严重影响(水泵机组受泥沙颗粒磨损)，这直接影响着水泵机组及其它设备能否安全、稳定运行。因此，在地表水取水工程设计中，通常设置有高位、低位取水管(洪水期利用高位取水管取水，枯水期利用低位取水管取水)，以取得水体的上清液，目的是增加系统使用寿命，同时降低除沙设备所造成的能耗。众所周知，水体温度对水源热泵机组的性能系数具有重要影响，如某品牌某型号的制冷主机，制冷工况时冷取水温度在一定范围内降低1℃时，机组性能系数COP可提高10％左右。所以选择合适的水深处取水，对于水源热泵机组的能耗具有重要影响。中国专利(专利号为201320004198.1)公开了一种防泥沙取水头部，其通过在取水头部的上表面开设进水口，克服了现有技术在取水时因吸力集中于水下，产生强大吸力扰动河底泥沙，进水含沙量大的问题；在取水头部的下表面开设有排沙口，并在排沙口位置铰接有限位式阀板，水泵停止吸水时，可自动开启排沙口排沙。中国专利(专利号为201220298499.5)公开了一种地表水水源热泵取水头部系统，其采用了多级过滤装置和反冲洗结构设计，目的是能够有效过滤水中的杂质，提高进水质量，保证吸水系统的供水稳定性。但上述专利均是从取水头结构上进行改进，以获得较为低的含沙量的原水，并未考虑不同水深处，水体含沙量不同的特点。而且，上述专利技术专利并未很好的解决如何取用不同水深处合适的水温提高热泵系统整体能效问题。为此本专利技术提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统及其运行控制方法，首先获取不同深度的水温分布及含沙量，通过热泵效率及水头损失计算，分别得出热泵空调主机和冷却循环水泵能耗，通过一阶导数及耦合求解计算原理得出不同水深下水源热泵机组的综合能耗值，从而确定最佳水深，最终通过PID控制器将信号通过固定架，传递给移动架，使取水头自动到达最佳水深处。此系统能够自动终获得最佳水深位置，整体降低水源热泵机组能耗，提高开式水源热泵系统整体能效。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术提供了一种开式地表水源热泵取水最小耗能和适宜取水深度计算方法。为此，本专利技术提供的开式地表水源热泵取水最小能耗和水深计算方法包括：通过对(式1)耦合求解，求解热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：(式1)；式1中：h为水深，0≤h≤60米；A1、A2、A3为不同深度h与相应深度下的温度Th的拟合曲线方程Th＝A1exp(-h/A2)+A3中的参数；A4、A5A6、A7为不同温度Th与相应温度下的热泵机组能效比COP(Th)的拟合曲线方程Cop(Th)＝A4+A5/{1+exp[(Th-A6)/A7]}中的参数；A8、A9、A10为不同深度h与相应深度下的浊度Sh的拟合曲线方程Sh＝A8-A9×A10h中的参数；A11、A12、A13的取值范围分别是，对于一级除沙器，A11、A12、A13取值分别为0.9、0.94、1.1；对于二级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.1、0.96、1.3；对于三级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.3、0.97、1.4；c为水的比热容；Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差；一般取5℃；Q为热泵机组冷负荷量，一般为常数，取值范围为6000-30000kW(一般有设备厂家给出)；Q总为热泵机组总能耗量。根据h＝10米处的浊度值，选择相应级数的除沙器，当浊度小于14NTU，选择第一除砂器；当浊度值取14-18NTU，选择第二除砂器，当浊度值大于18NTU，选择第三除砂器。本专利技术还提供了一种开式地表水源热泵取水装置。本专利技术所提供的开式地表水源热泵取水装置包括依次连接的热泵机组、除沙系统、水泵、取水管和取水头，所述取水头活动式安装在取水管上。所述取水头通过高度调节装置安装在取水管上，所述高度调节装置包括固定架和外套管，所述外套管活动式套装在取水头端部，所述取水头安装在外套管上，所述外套管活动式安装在固定架上。所述除沙系统包括一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器，且一级除沙器、二级除沙器和三级除沙器之间并联。本专利技术通过系统优化，提出了一种可以实现抽取不同深度原水的取水系统，以获得含沙量较低以及温度较为适宜的水体，目的是降低除沙器造成的取水能耗以及提高水源热泵系统能效，最大限度地提高系统的整体能效水平，运行经济且控制简单方便。附图说明图1某特征水体温度分布图；图2某特征水体温度随水深变化规律拟合曲线；图3某机组COP随温度变化规律拟合曲线；图4某特征水体浊度随水深变化规律拟合曲线；图5为实施例装置的结构参考示意图；具体实施方式本专利技术提供了一套计算不同水深整体能耗的计算方法及实现系统，从而确定最佳取水位置，从而提高水源热泵机组的整体能效。本专利技术式1的推导过程如下：步骤一，利用FLUENT计算软件模拟目标水体取水头有效范围(10m×20m×60m)内温度场分布，见图1所示；步骤二，将步骤一中得到的温度分布立体图，导入TECPLOT软件，提取不同深度的水温，得出目标水体的温度分布规律，根据最优拟合度原则，选择Exp-Dec1模型拟合温度分布曲线(见图2所示)，拟合曲线为Th＝A1exp(-h/A2)+A3，其中Th代表温度，h代表水深；步骤三，通过测量不同温度下，热泵机组能效比COP(见图3所示)，根据最优拟合度原则，选择Boltzmann模型，得出拟合曲线方程为：Cop(Th)＝A4+A5/{1+exp[(Th-A6)/A7]}，最终得出不同水深下热泵机组的能耗值为W1＝Q(1+1/Cop),Q取值范围为6000-30000kW(一般有设备厂家给出)步骤四，通过排热量计算热泵机组所需要的冷却循环水量为M＝W1/(cΔt),其中c为水的比热容，Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差，一般取值为5℃；步骤五，通过实测水体不同深度下的浊度值，根据最优拟合度原则，选择Aysmpotic1拟合得出不同水深的浊度分布曲线(见图4所示)，拟合曲线为：Sh＝A8-A9×A10h；步骤六，根据浊度曲线10米处的浊度值，选择不同类型的除沙器，当浊度小于14NTU，选择第一除砂器；当浊度值位于14-18NTU，选择第二除砂器，当浊度值大于18NTU，选择第三除砂器；从而进一步确定水头损失量ΔH，通其经验公式,计算得出ΔH，根据步骤四确定的循环冷却水量确定循环冷却水泵损失的能耗为：W2＝MΔH步骤七，Q总＝W1+W2，带入以上公式，即得出整体能耗为水深的函数，，通过Metlab最小值耦合求解计算过程，求解热泵空调主机与冷却循环水泵能耗合的最小值，从而确定此位置的水深，即为最佳水深位置；实施例：如图5所示，该实施例提供一种具体的开式地表水源热泵取水装置及其运行控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法，其特征在于，方法包括：通过对(式1)耦合求解，求得热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：(式1)；式1中：h为水深，0≤h≤60米；A1、A2、A3为不同深度h与相应深度下的温度Th的拟合曲线方程Th＝A1exp(‑h/A2)+A3中的参数；A4、A5A6、A7为不同温度Th与相应温度下的热泵机组能效比COP(Th)的拟合曲线方程Cop(Th)＝A4+A5/{1+exp[(Th‑A6)/A7]}中的参数；A8、A9、A10为不同深度h与相应深度下的浊度Sh的拟合曲线方程Sh＝A8‑A9×A10h中的参数；A11、A12、A13的取值范围分别是，对于一级除沙器，A11、A12、A13取值分别为0.9、0.94、1.1；对于二级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.1、0.96、1.3；对于三级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.3、0.97、1.4；c为水的比热容；Δt为取水点温度与热泵机组冷却水出水温度之差，取5℃；Q为热泵机组冷负荷量，取值范围为6000‑30000kW；Q总为热泵机组总能耗量。

【技术特征摘要】
1.一种开式地表水源热泵取水最小耗能和水深计算方法，其特征在于，方法包括：通过对(式1)耦合求解，求得热泵机组与冷却循环水泵能耗和的最小值和适宜取水深度：(式1)；式1中：h为水深，0≤h≤60米；A1、A2、A3为不同深度h与相应深度下的温度Th的拟合曲线方程Th＝A1exp(-h/A2)+A3中的参数；A4、A5、A6、A7为不同温度Th与相应温度下的热泵机组能效比COP(Th)的拟合曲线方程Cop(Th)＝A4+A5/{1+exp[(Th-A6)/A7]}中的参数；A8、A9、A10为不同深度h与相应深度下的浊度Sh的拟合曲线方程Sh＝A8-A9×A10h中的参数；A11、A12、A13的取值范围分别是，对于一级除沙器，A11、A12、A13取值分别为0.9、0.94、1.1；对于二级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.1、0.96、1.3；对于三级除沙器，A11、A12、A13取值分别为1.3、0.97、1....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志坚，靳光亚，李非，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13