水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的參數(shù)評價法

1、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的參數(shù)評價法摘要水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑余熱的一種具有節(jié)能和環(huán)保意義的空調(diào)系統(tǒng)形式。本文是以水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗動態(tài)模擬結(jié)果為根據(jù)，歸納總結(jié)出描繪建筑特點的參數(shù)和空調(diào)系統(tǒng)能耗參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，以此來評價建筑物采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能問題。關(guān)鍵詞水環(huán)熱泵節(jié)能評價參數(shù)法0引言水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)余熱的系統(tǒng)，它的節(jié)能效果和環(huán)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(guān)的。而我國地域遼闊，各地區(qū)氣象條件差異很大，各地實際建筑形式與特點也各不一樣。那么，在什么樣的場合選用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)才能收到最正確的效果和環(huán)保效益，這個問題始終是我們工

2、程設(shè)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(tǒng)運行能耗的靜態(tài)分析法和計算機動態(tài)分析法。本文在此根底上，以系統(tǒng)能耗動態(tài)模擬結(jié)果為根據(jù)，歸納總結(jié)出建筑特點建筑物特征參數(shù)和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗能耗評價參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，從而提出一種能耗評價方法，稱為參數(shù)評價法。1建筑物特征參數(shù)所謂的建筑物特征參數(shù)是指用來描繪建筑物內(nèi)外區(qū)面積、建筑物內(nèi)部負荷、新風負荷等特征的參數(shù)。本文提出11建筑物負荷特性參數(shù)r參數(shù)r定義為：對于新風單獨處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)：1對于水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)：2式中r-建筑負荷特性參數(shù)，/2；Ai-建筑內(nèi)區(qū)面積，2；Ap-建筑外區(qū)面積，2；L-建筑新風量，3/

3、h；-建筑內(nèi)部負荷，/2；-折算系數(shù)，2h/3新風負荷以折算為與之相當?shù)闹苓厖^(qū)面積，經(jīng)試算，其值為0.20.27，通常取為0.24。由此可見，建筑負荷特性參數(shù)r的物理概念為建筑物外區(qū)單位面積所分攤的建筑內(nèi)部熱量。R越大，說明建筑物內(nèi)的余熱越多。12建筑負荷密度y參數(shù)定義為：3式中-建筑負荷密度，/2；A-總面積，2；-建筑周圍邊地區(qū)當量負荷/2，其值見表1。區(qū)當量負荷/2，其值見表1。地點哈爾濱北京上海廣州(/2)504030101.3參數(shù)rara的定義為4式中各符號同式(1)。參數(shù)ra表達了建筑中新風負荷占總負荷的比例。2水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價的比例所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價參數(shù)是

4、指用來描繪水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的主要信息。通過幾個參數(shù)就可對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況作出恰當?shù)脑u價。2.1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價公式文獻2中給出E1=N1/n+B1/h1E2=N2/n+B2/h25式中：E1、E2-分為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)風機盤管加新風、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)一次能源的能耗，kh；N1、N2-分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電耗，kh；B1、B2-分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱耗，kh；n-電能總效率，%h1、h2-分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)用熱的總效率供k從熱量/k一次能源，%令E1=E2，可得6記k=B2/B1,b=(N2-N1)/B1,nh1=n/

5、h1,nh2=n/h2。式中，nh為電熱效率比，那么式6可寫為：nh1=knh2+b6a稱式6a為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價公式。由此可見，當nh1knh2+b時，那么E1E2，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)少；反之，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗多。由式6a可見，nh1與nh2呈線性關(guān)系，如圖1所示，那么線上方區(qū)域的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能區(qū)，線下方為非節(jié)能區(qū)。當常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)熱電效率比nh1b時，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論采用何種輔助熱源方式，都是不能的。圖1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價區(qū)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(shù)。除此之外，還提出了第三個參數(shù)。當兩種空調(diào)系統(tǒng)采用一樣的熱源形式

6、時，h1=h2，即nh1=nh2,那么由式6可得：7令=(N2-N1)/(B1-B2)7a(,)為能耗評價線上的一個特征點見圖1，點說明兩種空調(diào)系統(tǒng)采用一樣熱源形式時，電耗差值與熱耗差值之比。參數(shù)的意義為：當水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)輔助熱源形式與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)一樣時h1=h1=h，假設(shè)其電熱效率比nh，那么有21，反之，當nh，那么有E2E1。由式(6a)易得：b=(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(diào)系統(tǒng)電耗不同，二是水泵的控制方式不同，使兩種空調(diào)系統(tǒng)電耗差異很大。為此，將值作如下處理：式中P1、P2-分別常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中水泵的電耗，kh。9

7、102.2空調(diào)系統(tǒng)電熱能耗比為了能對兩種空調(diào)系統(tǒng)得出能耗相差多少，而提出第4個評價參數(shù)eb。由式5、6a可得出兩系統(tǒng)能耗比為：11記eb=N1/B,0=nh2+b，那么11a式中：0-與水環(huán)熱泵系統(tǒng)能耗一樣時，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應有的電熱效率比；eb-常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)電、熱能耗之比：其余符號同前。通過上述分析，欲對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作出能耗評價，可通過四個評價參數(shù)k,b,(或)，eb作出評價。因此，如何求得四個評價參數(shù)是解決問題的關(guān)鍵。3建筑負荷特征參數(shù)與水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價參數(shù)之間的關(guān)系研究此問題的目的就是找到如何由建筑負荷特征參數(shù)求得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價參數(shù)。31r1/曲線的繪制對于某一建筑，

8、由式1、2可直接得出建筑負荷特性參數(shù)r。而利用空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬程序，分別模擬出建筑物使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和風機盤管空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況2，再由公式9可得值。選取30種不同形式規(guī)模、內(nèi)部負荷不同的建筑物進展模擬計算3，對上海地區(qū)采用新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的模擬結(jié)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，由余熱缺乏到余熱過剩，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(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)建筑。圖2上海地區(qū)采用新風獨立處理的水環(huán)熱泵的空調(diào)系統(tǒng)r1/的相應關(guān)系在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與水環(huán)熱泵空調(diào)熱源形式一樣的前提下，假設(shè)忽略泵耗能的差異，僅通過r1/圖就可以評價不同建筑

9、采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。例如在熱源為燃煤鍋爐，條件下，在圖2中作r/=1/0.386=2.6的基準線，那么滿足r=1545/2的建筑，其1/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(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在這類建筑中使用才是節(jié)能的。按上述方法，同樣繪制出新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在哈爾濱、北京、上海、廣州等地的r1/圖，如圖3a、b。圖3四個城市中r1/曲線(a)新風單獨處理的水源熱泵系統(tǒng)(HPF)；b水水熱泵處理新風的水源熱泵系統(tǒng)(SHP)1-哈爾濱；2-北京；3上海；4廣州32pr曲線圖4a4b分別給出新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/

10、水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國四個城市的pr曲線圖。圖4pr曲線(a)新風單獨處理的水源熱砂系統(tǒng)(HPF);(b)水-水熱泵處理新風的水源熱泵系統(tǒng)(SHP)33能耗評價參數(shù)k與建筑負荷特性參數(shù)r的關(guān)系通過同上的模擬計算方式，將k的模擬結(jié)果與r的關(guān)系歸結(jié)為kr曲線。對于水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，kr的對應規(guī)律較好。由圖5可見，隨著r的增大，建筑物內(nèi)余熱的增多，參數(shù)k趨近于0，即系統(tǒng)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(shù)到達30/2時，其系統(tǒng)可不設(shè)輔助加熱系統(tǒng)。圖5水水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kr曲線1-哈爾濱；2-北京；3上海；4廣州對于新風獨立處理

11、的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由于其新風獨立處理，因此其總供熱能耗中包括兩種性質(zhì)的能耗。承當房間負荷的水環(huán)熱泵系統(tǒng)局部的供熱能耗特性與反映建筑余熱量的建筑負荷參數(shù)r有一定的關(guān)系，而新風局部的供熱能耗與反映新風負荷占總熱負荷比例的參數(shù)kL有關(guān)。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(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在四個城市中的krr，kLra的關(guān)系示于圖6和圖7上。當求得、k后，可由式8計算出b參數(shù)。圖6新風獨立處理時水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)krr關(guān)系圖圖7新風獨立處理時水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kLra關(guān)系圖1-哈爾濱；2-北京；

12、3上海；4廣州34eb與r的關(guān)系參數(shù)eb是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的電熱能耗比，eb與r的關(guān)系示于圖8a、(b)上。計算中應注意，這里的參數(shù)r值應由公式2計算得出。圖8四城市中的關(guān)系圖1-哈爾濱；2-北京；3上海；4廣州4參數(shù)評價法的評價步驟41獲得建筑物的根本參數(shù)：建筑地區(qū)、周邊區(qū)面積Ap、內(nèi)區(qū)面積Ai、新風量L及建筑內(nèi)部負荷。42計算建筑負荷特性參數(shù)：根據(jù)式1、2、3、4計算出r、ra三個負荷特性參數(shù)。43根據(jù)由模擬結(jié)果繪制出的圖，查得有關(guān)參數(shù)。1參數(shù)由參數(shù)r查圖3得，由參數(shù)查圖4得pr，那么可求得=pr。2參數(shù)k對于水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由參數(shù)r查圖5得k值；對于新風獨立處理的水環(huán)熱

13、泵空調(diào)系統(tǒng)，由參數(shù)r查圖6得kr，由參數(shù)ra查圖7得kL，那么可求k=kr+kL。3參數(shù)bb-(1-k)4參數(shù)eb由參數(shù)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(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運行能耗比。5算例北京某建筑，標準層面積28002，長寬=4070內(nèi)部負荷40/2，新風負荷303/人h，人員密度0.1人/2。取周邊區(qū)寬5.4，那么外區(qū)面積為Ap=40+7025.4-5.424=1071.362；內(nèi)區(qū)面積為Ai=4070-1071.36=1728.642；新風量L=0.1302800=84003/h。于是，將計算結(jié)果列入表2和表3中。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可作出兩個系統(tǒng)的能耗評價

14、曲線，見圖9。圖9水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價圖新風單獨處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)HPF能耗評價計算表2初始條件地點北京S(2)2800Sp(2)1072SI(2)1728a(3/h)8400Ldi(/2)40建筑負荷特性參數(shù)64.53400.653中間參數(shù)查圖得出krPrkL1/2.50.021.250.6能耗評價參數(shù)=PrK=kr+kLb=1-keb0.50.620.19見下表水水熱泵處理新風的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)SHP能耗評價計算表表3初始條件地點北京S(2)2800Sp(2)1072Si(2)1728a(3/h)8400Ldi(/2)40建筑負荷特性參數(shù)22.3940中間參數(shù)查圖得出kebPr1/

15、3.10.210.41.16能耗評價參數(shù)=Prkb=1-keb0.3740.210.2920.4表4中給出六種空調(diào)方案，對于每種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案，總有一個nh1值使常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與之相等。利用能耗評價曲線，可以將每種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案折成與之能耗相當?shù)某Ｒ?guī)系統(tǒng)方案h1軸上。那么易得出：六個空調(diào)方案能耗由少到多，依次為6、2、4、5、3、1。六種空調(diào)方案表4方案編號空調(diào)系統(tǒng)形式熱源形式1風機盤管系統(tǒng)電鍋爐nh=12風機盤管系統(tǒng)燃煤鍋爐nh=0.3863新風單獨處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)HPF電鍋爐nh=14新風單獨處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)HPF燃煤鍋爐nh=0.3865水源熱泵，水-水熱泵處理新風SHP電鍋爐nh=16水源熱泵，水-水熱泵處理新風SHP燃煤鍋爐nh=0.386利用公式11a，可以進一步得出幾種空調(diào)方案的能耗比。計算結(jié)果列入表5中。六個空調(diào)方案運行能耗比擬表5方案基準方案：1nh=1eb=0.4運行能耗：1.0nh=1kb0=knh2+b相對能耗2/0.3860.56310.620.190.810.86440.3860.620.190.4290.592510.210.2920.5020.64460.3860.2