水環熱泵空調管理論文

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摘要水環熱泵空調系統是回收建筑余熱的一種具有節能和環保意義的空調系統形式。本文是以水環熱泵空調系統能耗動態模擬結果為依據，歸納總結出描述建筑特點的參數和空調系統能耗參數間的內在關系，以此來評價建筑物采用水環熱泵空調系統是否節能問題。

關鍵詞水環熱泵節能評價參數法

0引言

水環熱泵空調系統是回收建筑物內余熱的系統，它的節能效果和環保效益是與氣象條件、建筑特點及輔助熱源形式（電鍋爐、燃煤鍋爐等）等因素有關的。而我國地域遼闊，各地區氣象條件差異很大，各地實際建筑形式與特點也各不相同。那么，在什么樣的場合選用水環熱泵空調系統才能收到最佳的效果和環保效益，這個問題始終是我們工程設計中先要明確的問題。

文獻[1]、[2]曾分析過這個問題，提出系統運行能耗的靜態分析法和計算機動態分析法。本文在此基礎上，以系統能耗動態模擬結果為依據，歸納總結出建筑特點（建筑物特征參數）和水環熱泵空調系統能耗（能耗評價參數）間的內在關系，從而提出一種能耗評價方法，稱為參數評價法。

1建筑物特征參數

所謂的建筑物特征參數是指用來描述建筑物內外區面積、建筑物內部負荷、新風負荷等特征的參數。本文提出

1．1建筑物負荷特性參數r

參數r定義為：

對于新風單獨處理的水環熱泵空調系統：

（1）

對于水-水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統：

（2）

式中r----建筑負荷特性參數，W/m2；

Ai----建筑內區面積，m2；

Ap----建筑外區面積，m2；

L----建筑新風量，m3/h；

----建筑內部負荷，W/m2；

ξ----折算系數，（m2·h）/m3新風負荷以ξ折算為與之相當的周邊區面積，

經試算，其值為0.2～0.27，通常取為0.24。

由此可見，建筑負荷特性參數r的物理概念為建筑物外區單位面積所分攤的建筑內部熱量。R越大，表明建筑物內的余熱越多。

1．2建筑負荷密度y

參數定義為：

（3）

式中----建筑負荷密度，W/m2；

A----總面積，m2；

----建筑周圍邊地區當量負荷W/m2，其值見表1。

區當量負荷W/m2，其值見表1。

地點哈爾濱北京上海廣州

(W/m2)50403010

1.3參數ra

ra的定義為（4）

式中各符號同式(1)。

參數ra體現了建筑中新風負荷占總負荷的比例。

2水環熱泵空調系統的能耗評價的比例

所謂的水環熱泵空調系統的能耗評價參數是指用來描述水環熱泵空調系統運行能耗的主要信息。通過幾個參數就可對水環熱泵空調系統的能耗情況作出恰當的評價。

2.1水環熱泵空調系統的能耗評價公式

文獻[2]中給出

E1=N1/ηn+B1/ηh1

E2=N2/ηn+B2/ηh2（5）

式中：E1、E2----分為常規空調系統（風機盤管加新風）、水環熱泵空調系統一次能源的能耗，kWh；

N1、N2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統的電耗，kWh；

B1、B2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統的熱耗，kWh；

ηn----電能總效率，%

ηh1、ηh2----分別為常規空調系統、水環熱泵空調系統用熱的總效率供（kW從熱量/kW一次能源），%

令E1=E2，可得

（6）

記k=B2/B1,b=(N2-N1)/B1,ηnh1=ηn/ηh1,ηnh2=ηn/ηh2。

式中，ηnh為電熱效率比，則式（6）可寫為：

ηnh1=kηnh2+b（6a）

稱式（6a）為水環熱泵空調系統能耗評價公式。由此可見，當ηnh1>kηnh2+b時，則E1>E2，水環熱泵空調系統能耗比常規空調系統少；反之，水環熱泵空調系統能耗多。

由式（6a）可見，ηnh1與ηnh2呈線性關系，如圖1所示，則線上方區域的水環熱泵空調系統節能區，線下方為非節能區。當常規空調系統熱電效率比ηnh1＜b時，水環熱泵空調系統無論采用何種輔助熱源方式，都是不能的。

圖1水環熱泵空調系統能耗評價區

b是直線的截矩，k是斜率，我們可以把k和b視為二個能耗評價參數。除此之外，還提出了第三個參數c。

當兩種空調系統采用相同的熱源形式時，ηh1=ηh2，即ηnh1=ηnh2,則由式（6）可得：

（7）

令c=(N2-N1)/(B1-B2)（7a）

(c,c)為能耗評價線上的一個特征點（見圖1），c點表明兩種空調系統采用相同熱源形式時，電耗差值與熱耗差值之比。

參數c的意義為：當水環熱泵空調系統輔助熱源形式與常規空調系統相同時（ηh1=ηh1=ηh），若其電熱效率比ηnh>c，則有E2＜E1，反之，當ηnh＜c，則有E2＞E1。

由式(6a)易得：

b=c·(1-k)（8）

但應注意，影響電耗差值大小的因素主要是：一是運行工況不同，引起兩種空調系統電耗不同，二是水泵的控制方式不

同，使兩種空調系統電耗差異很大。為此，將c值作如下處理：

式中P1、P2--分別常規空調系統和水環熱泵空調系統中水泵的電耗，kWh。

（9）

（10）

2.2空調系統電熱能耗比

為了能對兩種空調系統得出能耗相差多少，而提出第4個評價參數eb。由式（5）、（6a）可得出兩系統能耗比為：

（11）

記eb=N1/B,η0=ηnh2+b，則

（11a）

式中：η0----與水環熱泵系統能耗相同時，常規空調系統應有的電熱效率比；

eb----常規空調系統電、熱能耗之比：

其余符號同前。

通過上述分析，欲對水環熱泵空調系統作出能耗評價，可通過四個評價參數k,b,c(或c′)，eb作出評價。因此，如何求得四個評價參數是解決問題的關鍵。

3建筑負荷特征參數與水環熱泵空調系統能耗評價參數之間的關系

研究此問題的目的就是找到如何由建筑負荷特征參數求得水環熱泵空調系統能耗評價參數。

3．1r～1/c′曲線的繪制

對于某一建筑，由式（1）、（2）可直接得出建筑負荷特性參數r。而利用空調系統能耗模擬程序，分別模擬出建筑物使用水環熱泵空調系統和風機盤管空調系統的能耗情況[2]，再由公式（9）可得c′值。選取30種不同形式（規模、內部負荷不同）的建筑物進行模擬計算[3]，對上海地區采用新風獨立處理的水環熱泵空調系統的模擬結果繪于圖2上。

由圖2可見，隨著r的增大，建筑中的負荷成分不斷變化，由余熱不足到余熱過剩，c′值也先減小后增加，而其中處于峰值點的建筑便是最適于使用于水環熱泵空調系統建筑。

圖2上海地區采用新風獨立處理的水環熱泵的空調系統r～1/c′的相應關系

在常規空調系統與水環熱泵空調熱源形式相同的前提下，若忽略泵耗能的差異，僅通過r～1/c′圖就可以評價不同建筑采用水環熱泵空調系統的能耗情況。

例如在熱源為燃煤鍋爐，條件下，在圖2中作r/c′=1/0.386=2.6的基準線，則滿足r=15～45W/m2的建筑，其1/c′值位于其基準線上方，這就是說在上海，新風獨立處理的水環熱泵空調系統在這類建筑中使用才是節能

的。

按上述方法，同樣繪制出新風獨立處理的水環熱泵空調系統和水/水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統在哈爾濱、北京、上海、廣州等地的r～1/c′圖，如圖3（a）、（b）。

圖3四個城市中r～1/c′曲線

(a)新風單獨處理的水源熱泵系統(HPFC)；（b）水－水熱泵處理新風的水源熱泵系統(WSHP)

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

3．2～pr曲線

圖4（a）～4（b）分別給出新風獨立處理的水環熱泵空調系統和水/水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統在我國四個城市的～pr曲線圖。

圖4～pr曲線

(a)新風單獨處理的水源熱砂系統(HPFC);(b)水-水熱泵處理新風的水源熱泵系統(WSHP)

3．3能耗評價參數k與建筑負荷特性參數r的關系

通過同上的模擬計算方式，將k的模擬結果與r的關系歸結為k～r曲線。對于水-水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統，k～r的對應規律較好。由圖5可見，隨著r的增大，建筑物內余熱的增多，參數k趨近于0，即系統的鍋爐能耗趨于0。不難看出，如在上海，當其建筑負荷特性參數達到30W/m2時，其系統可不設輔助加熱系統。

圖5水－水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統k～r曲線

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

對于新風獨立處理的水環熱泵空調系統，由于其新風獨立處理，因而其總供熱能耗中包括兩種性質的能耗。承擔房間負荷的水環熱泵系統部分的供熱能耗特性與反映建筑余熱量的建筑負荷參數r有一定的關系，而新風部分的供熱能耗與反映新風負荷占總熱負荷比例的參數kL有關。為此處理如下：

（12）

式中：B2r----用于房間供熱的熱源能耗；

BL----用于新風的熱源能耗；

kr----kr=B2r/B1；

kL----kL=BL/B1。

新風獨立處理的水環熱泵空調系統在四個城市中的kr～r，kL～ra的關系示于圖6和圖7上。當求得c、k后，可由式（8）計算出b參數。

圖6新風獨立處理時水環熱泵空調系統kr～r關系圖圖7新風獨立處理時水環熱泵空調系統kL～ra關系圖

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

3．4eb與r的關系

參數eb是常規空調系統的電熱能耗比，eb與r的關系示于圖8（a）、(b)上。計算中應注意，這里的參數r值應由公式

（2）計算得出。

圖8四城市中的關系圖

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

4參數評價法的評價步驟

4．1取得建筑物的基本參數：建筑地區、周邊區面積Ap、內區面積Ai、新風量L及建筑內部負荷。

4．2計算建筑負荷特性參數：根據式（1）、（2）、（3）、（4）計算出r、、ra三個負荷特性參數。

4．3根據由模擬結果繪制出的圖，查得有關參數。

（1）參數c

由參數r查圖3得c′，由參數查圖4得pr，則可求得c=c′·pr。

（2）參數k

對于水--水熱泵處理新風的水環熱泵空調系統，由參數r查圖5得k值；對于新風獨立處理的水環熱泵空調系統，由參數r查圖6得kr，由參數ra查圖7得kL，則可求k=kr+kL。

（3）參數b

b-c·(1-k)

（4）參數eb

由參數r（由公式（2）求出）查圖8可得eb能耗評價曲線；由式（11）亦可算出水環熱泵空調系統與常規系統的運行能耗比。

5算例

北京某建筑，標準層面積2800m2，長×寬=40m×70m內部負荷40W/m2，新風負荷30m3/（人·h），人員密度0.1人/m2。

取周邊區寬5.4m，則外區面積為Ap=（40+70）×2×5.4-5.4m2×4=1071.36m2；

內區面積為Ai=40×70-1071.36=1728.64m2；

新風量L=0.1×30×2800=8400m3/h。

于是，將計算結果列入表2和表3中。根據表中的數據可作出兩個系統的能耗評價曲線，見圖9。

圖9水環熱泵空調系統能耗評價圖

新風單獨處理的水環熱泵空調系統（HPFC）能耗評價計算表2初始條件地點

北京S(m2)

2800Sp(m2)

1072SI(m2)

1728a(m3/h)

8400Ldi(/Wm2)

40

建筑負荷特性參數

64.53400.653

中間參數（查圖得出）c′krPrkL

1/2.50.021.250.6

能耗評價參數c=c′×PrK=kr+kLb=c×（1-k）eb

0.50.620.19見下表

水－水熱泵處理新風的水源熱泵空調系統（WSHP）能耗評價計算表表3

初始條件地點北京S(m2)

2800Sp(m2)

1072Si(m2)

1728a(m3/h)

8400Ldi(W/m2)

40

建筑負荷特性參數

22.3940

中間參數（查圖得出）c′kebPr

1/3.10.210.41.16

能耗評價參數c=c′×Prkb=c×（1-k）eb

0.3740.210.2920.4

表4中給出六種空調方案，對于每種水環熱泵空調系統方案，總有一個ηnh1值使常規空調系統與之相等。利用能耗評價曲線，可以將每種水環熱泵空調系統方案折成與之能耗相當的常規系統方案（ηh1軸上）。則易得出：六個空調方案能耗由少到多，依次為6、2、4、5、3、1。

六種空調方案表4

方案編號空調系統形式熱源形式

1風機盤管系統電鍋爐ηnh=1

2風機盤管系統燃煤鍋爐ηnh=0.386

3新風單獨處理的水環熱泵系統（HPFC）電鍋爐ηnh=1

4新風單獨處理的水環熱泵系統（HPFC）燃煤鍋爐ηnh=0.386

5水源熱泵，水-水熱泵處理新風（WSHP）電鍋爐ηnh=1

6水源熱泵，水-水熱泵處理新風（WSHP）燃煤鍋爐ηnh=0.386

利用公式（11a），可以進一步得出幾種空調方案的能耗比。計算結果列入表5中。

六個空調方案運行能耗比較表5

方案基準方案：1

ηnh=1eb=0.4運行能耗：1.0

ηnh=1kbη0=kηnh2+b相對能耗

2///0.3860.56

310.620.190.810.864

40.3860.620.190.4290.592

510.210.2920.5020.644

60.3860.210.2920.3730.552

6結束語

水環熱泵空調系統是回收建筑物內余熱的系統。設計時，應先判斷該方案是否節能。為此，提出一種運行能耗的參數評價法，在工程設計中，是有實際應用價值的。

參考文獻

1馬最良，曹源，閉式環路水源熱泵空調系統能耗的靜態分析，哈爾濱建筑大學學報，1997（6）：68

2馬最良，曹源，閉式環路水源熱泵空調系統能耗的計算機模擬分析，哈爾濱建筑大學學報，1998（3）：57

3曹源，閉式環路水源熱泵空調系統運行能耗分析及其在我國應用的評價：[碩士學位論文]。哈爾濱建筑大學圖書館，1996年。