海水源熱泵與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)制冷工況下能耗比較分析

1、海水源熱泵與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)制冷工況下能耗比較分析關鍵詞:海水源熱泵;制冷工況;能耗對比 0引言 海水源熱泵是一種新式空調系統(tǒng),人們對它的節(jié)能性還不是十分了解。本文通過使用系統(tǒng)各部分已有能耗數(shù)學模型,在設計制冷工況下對海水源熱泵系統(tǒng)進行理論能耗分析,并與傳統(tǒng)式空氣源空調系統(tǒng)能耗相比較,得到海水源空調系統(tǒng)的節(jié)能率。 1海水源熱泵空調系統(tǒng)能耗計算 由于海水的腐蝕性,目前國內(nèi)投入使用的海水源熱泵空調系統(tǒng)采用板式換熱器將海水循環(huán)系統(tǒng)與水環(huán)系統(tǒng)分隔開1。海水源熱泵空調系統(tǒng)運行過程中,在板式換熱器內(nèi)冷卻水流速一定的基礎上,海水流速的變化將會影響到板式換熱器換熱系數(shù)、板式換熱器出水溫度(冷凝器進水溫度),最后影

2、響到制冷機的能耗。制冷工況下,板式換熱器出水溫度愈高,海水流速則低海水泵能耗愈小,但同時熱泵機組能耗則會升高,反之亦然2。因此我們需要確定最優(yōu)板式換熱器出水溫度。本文采用微分自適應優(yōu)化控制策略確定最優(yōu)板式換熱器出水溫度3。 1.1 熱泵機組的能耗模型 本文制冷工況下采用Gordon-Ng制冷機數(shù)學模型4,模型包含蒸發(fā)器出水溫度、冷凝器進水溫度、機組制冷量三個已定參數(shù)和 、 、 三個與機組性能有關的待定系數(shù),下式為制冷機組能耗模型公式。 (1) 式中: 冷凝器進水溫度,K;蒸發(fā)器出水溫度,K; 制冷機組制冷量,kW; 熱泵機組能耗,kW。 把工程使用的熱泵參數(shù)代入式(1)經(jīng)擬合可求得 、 、 三

3、個系數(shù)。 制熱工況下需建立熱泵計算機模型,模型包括熱泵參數(shù)數(shù)據(jù)庫以及通過該數(shù)據(jù)庫對制熱量和輸入功進行插值。 1.2 水泵能耗模型 水泵的揚程H指單位質量流體通過泵所獲的的有效能量,在單位時間內(nèi)通過泵的流體所獲得的總能量即為泵的有效功率,以符號 表示5。 (2) 式中: 水泵的實際功率,kW; 水泵的有效功率,kW; 水的容重,N/m3; 水泵的流量,m3/s; 水泵的揚程,m; 泵的全效率。 根據(jù)微分自適應優(yōu)化控制策略可確定最優(yōu)板式換熱器出水溫度,同時確定與之相對應的板換內(nèi)海水流速,進而確定海水流量和板換內(nèi)海水壓降、海水揚程。 (3) 式中: 海水流量,m3/s; 板式換熱器內(nèi)海水流速,m/s

4、; 單片板式換熱器流道橫截面積,m2; 板式換熱器片數(shù),片。 冷凍水泵流量根據(jù)制冷量和冷凍水供回水溫差確定,揚程根據(jù)工程需要確定。 (4) 式中: 冷凍水流量,m3/s; 水的比熱,可kJ/(kg #8226;); 冷凍水供回水溫差,。 2風冷熱泵空調系統(tǒng)能耗計算 2.1 風冷熱泵能耗模型 風冷熱泵在運行時,其運行參數(shù)受環(huán)境溫度的影響很大,制冷量、耗功率隨環(huán)境溫度變化的關系如下6。 (5);(6) 式中: 制冷(熱)量,kW; 制冷(熱)時消耗的功率,kW; 室外溫度,; 、 、 、 四個機組性能參數(shù)由風冷熱泵的樣本資料確定。 2.2 冷凍水泵流量、揚程的確定 冷凍水泵流量根據(jù)制冷量和冷凍水供

5、回水溫差確定,計算公式同式(4),揚程根據(jù)工程需要確定。 3實際算例 3.1 海水源熱泵空調系統(tǒng)能耗計算 針對沿海某一建筑夏季設計冷負荷為700kW,制冷工況下海水溫度1925,蒸發(fā)器出水溫度6。冬季設計熱負荷為560kW,制熱工況下海水溫度310,熱水出水溫度60。熱泵選用某廠家QYHP-880GD型水源熱泵,其制冷量為574726kW,制冷輸入功率185256 kW,制熱量為500880kW,制熱輸入功率198287 kW。將熱泵樣本參數(shù)帶入式(1)擬合可得到系數(shù): =0.2162; =162.6892; =0.0186 將其帶入式(1)可得熱泵能耗公式: (7) 板式換熱器選用BR0.5

6、型換熱器201片,換熱面積100m2,流道截面積0.00169 m2。 根據(jù)微分自適應優(yōu)化控制策略可確定制冷工況下對應于1925各海水溫度點的最優(yōu)板換出水溫度(冷凝器進水溫度),見表1。代入式(1)可求得各海水溫度點的熱泵能耗。 表1 制冷工況下對應于各海水溫度點的冷卻水溫度 海水溫度() 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 冷卻水溫度() 21.96 22.97 23.98 24.99 26.00 27.02 28.03 根據(jù)微分自適應優(yōu)化控制策略確定制熱工況下對應于511各海水溫度點的最優(yōu)板換出水溫度(蒸發(fā)器進水溫度),見表2。將其與制熱量、

7、熱水出水溫度代入已建熱泵模型數(shù)據(jù)庫進行插值計算可得熱泵制熱能耗。 表2 制熱工況下對應于各海水溫度點的熱泵源側水溫度 海水溫度() 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 源側水溫度() 1.76 2.87 3.93 5.04 6.08 7.12 8.15 將最優(yōu)板換出水溫度點對應的板換內(nèi)海水流速 帶入式(3)可確定海水流量 和揚程 ,將其帶入式(2)求得海水泵能耗。 根據(jù)式(4)可確定冷凍水泵流量 ,揚程設為25米,帶入式(2)可確定冷凍水泵能耗。3.2 風冷熱泵空調系統(tǒng)能耗計算 風冷熱泵選用一臺某廠家AWHC-L200型熱泵,額定制冷量723kW,制冷壓縮

8、機額定功率230.9 kW,額定制熱量645 kW,制熱額定功率240 kW。冷凝器風扇功率18.2kW。將樣本參數(shù)代入式(5)、(6)可分別求得制冷和制熱工況下系數(shù) 、 、 、 ,將其帶入式 (7)可得風冷熱泵制冷和制熱能耗公式: (8) (9) 將各室外空氣溫度點代入式(5)可得風冷熱泵機組能耗。 冷凍水泵能耗計算同海水源熱泵空調系統(tǒng)。 4結果分析 4.1 熱泵機組性能系數(shù)COP值的比較 在制冷工況下,風冷熱泵在2335運行,其熱泵機組COP值在2.813.67,室外空氣溫度每降低一度,熱泵機組COP值提高1.8%-2.3%;海水源熱泵在海水溫度1528之間運行,其熱泵機組COP值達到3.

9、795.04,蒸發(fā)器進水溫度每降低一度,熱泵機組COP值可提高2%-2.5%。由此可見海水源熱泵機組COP值遠遠高于風冷熱泵。在負荷相同狀況下海水源熱泵機組能耗比風冷熱泵機組低35%左右。 4.2 系統(tǒng)總能耗的比較 由于海水源熱泵比風冷熱泵系統(tǒng)多了冷卻水泵和海水泵,因此其輔助設備的能耗在系統(tǒng)總能耗中所占的比例要遠遠高于風冷熱泵系統(tǒng)。 圖1風冷熱泵能耗占系統(tǒng)總能耗的百分比圖2海水源熱泵能耗占系統(tǒng)總能耗的百分比 從圖1、圖2可以看出,風冷熱泵機組能耗占系統(tǒng)總能耗的比例在84.5%86.5%之間,海水源熱泵機組能耗占系統(tǒng)能耗的74%左右,并且隨著冷卻劑溫度的升高機組能耗所占比例也會增加,這是因為冷卻

10、劑溫度上升導致機組效率降低,能耗增大,但輔助設備能耗基本不變。 由于一天當中海水溫度變化范圍很小,因此海水源熱泵系統(tǒng)能耗主要與建筑負荷有關,系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。在同樣負荷情況下,風冷熱泵能耗受室外溫度變化影響很大。在早晚室外溫度較低時,風冷熱泵系統(tǒng)COP較高,可達3.0左右,但仍低于海水源熱泵空調系統(tǒng)在海水溫度最高時的COP值3.05。在室外溫度最高點時風冷熱泵COP值約為2.65,海水源熱泵系統(tǒng)在海水溫度最低時COP值可達3.35。綜合比較在負荷相同情況下海水源熱泵空調系統(tǒng)比風冷熱泵空調系統(tǒng)節(jié)能約20%左右,節(jié)能效果顯著。 5結論 本文通過建立海水源熱泵空調系統(tǒng)和傳統(tǒng)空調系統(tǒng)能耗數(shù)學模型并結合工程實例對兩種空調系統(tǒng)能耗進行對比分析。從技術角度上來講,海水源熱泵COP值比