水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的參數(shù)評(píng)價(jià)法

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的參數(shù)評(píng)價(jià)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(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù)，歸納總結(jié)出描述建筑特點(diǎn)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(lái)評(píng)價(jià)建筑物采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能問(wèn)題。

關(guān)鍵詞水環(huán)熱泵節(jié)能評(píng)價(jià)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(diǎn)及輔助熱源形式等因素有關(guān)的。而我國(guó)地域遼闊，各地區(qū)氣象條件差異很大，各地實(shí)際建筑形式與特點(diǎn)也各不相同。那么，在什么樣的場(chǎng)合選用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)才能收到最佳的效果和環(huán)保效益，這個(gè)問(wèn)題始終是我們工程設(shè)計(jì)中先要明確的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[1]、曾分析過(guò)這個(gè)問(wèn)題，提出系統(tǒng)運(yùn)行能耗的靜態(tài)分析法和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)分析法。本文在此基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)能耗動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù)，歸納總結(jié)出建筑特點(diǎn)和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗間的內(nèi)在關(guān)系，從而提出一種能耗評(píng)價(jià)方法，稱(chēng)為參數(shù)評(píng)價(jià)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(lái)描述建筑物內(nèi)外區(qū)面積、建筑物內(nèi)部負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷等特征的參數(shù)。本文提出

1．1建筑物負(fù)荷特性參數(shù)r

參數(shù)r定義為：

對(duì)于新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)：

對(duì)于水-水熱泵處理新風(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)：

式中r----建筑負(fù)荷特性參數(shù)，W/m2；

Ai----建筑內(nèi)區(qū)面積，m2；

Ap----建筑外區(qū)面積，m2；

L----建筑新風(fēng)量，m3/h；

----建筑內(nèi)部負(fù)荷，W/m2；

ξ----折算系數(shù)，/m3新風(fēng)負(fù)荷以ξ折算為與之相當(dāng)?shù)闹苓厖^(qū)面積，

經(jīng)試算，其值為～，通常取為。

由此可見(jiàn)，建筑負(fù)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?jǐn)偟慕ㄖ?nèi)部熱量。R越大，表明建筑物內(nèi)的余熱越多。

1．2建筑負(fù)荷密度y

參數(shù)定義為：

式中----建筑負(fù)荷密度，W/m2；

A----總面積，m2；

----建筑周?chē)叺貐^(qū)當(dāng)量負(fù)荷W/m2，其值見(jiàn)表1。

區(qū)當(dāng)量負(fù)荷W/m2，其值見(jiàn)表1。地點(diǎn)哈爾濱北京上海廣州(W/m2)50403010

參數(shù)ra

ra的定義為

式中各符號(hào)同式(1)。

參數(shù)ra體現(xiàn)了建筑中新風(fēng)負(fù)荷占總負(fù)荷的比例。

2水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)的比例

所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)參數(shù)是指用來(lái)描述水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的主要信息。通過(guò)幾個(gè)參數(shù)就可對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況作出恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)公式

文獻(xiàn)中給出

E1=N1/ηn+B1/ηh1

E2=N2/ηn+B2/ηh2

式中：E1、E2----分為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)一次能源的能耗，kWh；

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，kWh；

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，kWh；

ηn----電能總效率，%

ηh1、ηh2----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，%

令E1=E2，可得

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

式中，ηnh為電熱效率比，則式可寫(xiě)為：

ηnh1=kηnh2+b

稱(chēng)式為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)公式。由此可見(jiàn)，當(dāng)ηnh1kηnh2+b時(shí)，則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。

由式可見(jiàn)，ηnh1與ηnh2呈線(xiàn)性關(guān)系，如圖1所示，則線(xiàn)上方區(qū)域的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能區(qū)，線(xiàn)下方為非節(jié)能區(qū)。當(dāng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)熱電效率比ηnh1＜b時(shí)，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)無(wú)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(píng)價(jià)區(qū)

b是直線(xiàn)的截矩，k是斜率，我們可以把k和b視為二個(gè)能耗評(píng)價(jià)參數(shù)。除此之外，還提出了第三個(gè)參數(shù)c。

當(dāng)兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同的熱源形式時(shí)，ηh1=ηh2，即ηnh1=ηnh2,則由式可得：

令c=(N2-N1)/(B1-B2)

(c,c)為能耗評(píng)價(jià)線(xiàn)上的一個(gè)特征點(diǎn)，c點(diǎn)表明兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同熱源形式時(shí)，電耗差值與熱耗差值之比。

參數(shù)c的意義為：當(dāng)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)相同時(shí)，若其電熱效率比ηnhc，則有Ｅ2＜Ｅ1，反之，當(dāng)ηnh＜c，則有E2＞E1。

由式(6a)易得：

b=c·(1-k)

但應(yīng)注意，影響電耗差值大小的因素主要是：一是運(yùn)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c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，kWh。

空調(diào)系統(tǒng)電熱能耗比

為了能對(duì)兩種空調(diào)系統(tǒng)得出能耗相差多少，而提出第4個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)eb。由式、可得出兩系統(tǒng)能耗比為：

記eb=N1/B,η0=ηnh2+b，則

式中：η0----與水環(huán)熱泵系統(tǒng)能耗相同時(shí)，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)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(hào)同前。

通過(guò)上述分析，欲對(duì)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作出能耗評(píng)價(jià)，可通過(guò)四個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)k,b,c(或c′)，eb作出評(píng)價(jià)。因此，如何求得四個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

3建筑負(fù)荷特征參數(shù)與水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)參數(shù)之間的關(guān)系

研究此問(wèn)題的目的就是找到如何由建筑負(fù)荷特征參數(shù)求得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)參數(shù)。

3．1r～1/c′曲線(xiàn)的繪制

對(duì)于某一建筑，由式、可直接得出建筑負(fù)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(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況，再由公式可得c′值。選取30種不同形式的建筑物進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)上海地區(qū)采用新風(fēng)獨(dú)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(jiàn)，隨著r的增大，建筑中的負(fù)荷成分不斷變化，由余熱不足到余熱過(guò)剩，c′值也先減小后增加，而其中處于峰值點(diǎn)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(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵的空調(diào)系統(tǒng)r～1/c′的相應(yīng)關(guān)系

在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與水環(huán)熱泵空調(diào)熱源形式相同的前提下，若忽略泵耗能的差異，僅通過(guò)r～1/c′圖就可以評(píng)價(jià)不同建筑采用水環(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/c′=1/=的基準(zhǔn)線(xiàn)，則滿(mǎn)足r=15～45W/m2的建筑，其1/c′值位于其基準(zhǔn)線(xiàn)上方，這就是說(shuō)在上海，新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在這類(lèi)建筑中使用才是節(jié)能

的。

按上述方法，同樣繪制出新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風(fēng)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r～1/c′圖，如圖3、。

圖3四個(gè)城市中r～1/c′曲線(xiàn)

(a)新風(fēng)單獨(dú)處理的水源熱泵系統(tǒng)(HPFC)；水－水熱泵處理新風(fēng)的水源熱泵系統(tǒng)(WSHP)

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

3．2～pr曲線(xiàn)

圖4～4分別給出新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)四個(gè)城市的～pr曲線(xiàn)圖。

圖4～pr曲線(xiàn)

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

3．3能耗評(píng)價(jià)參數(shù)k與建筑負(fù)荷特性參數(shù)r的關(guān)系

通過(guò)同上的模擬計(jì)算方式，將k的模擬結(jié)果與r的關(guān)系歸結(jié)為k～r曲線(xiàn)。對(duì)于水-水熱泵處理新風(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，k～r的對(duì)應(yīng)規(guī)律較好。由圖5可見(jiàn)，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(dāng)其建筑負(fù)荷特性參數(shù)達(dá)到30W/m2時(shí)，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(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)k～r曲線(xiàn)

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

對(duì)于新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由于其新風(fēng)獨(dú)立處理，因而其總供熱能耗中包括兩種性質(zhì)的能耗。承擔(dān)房間負(fù)荷的水環(huán)熱泵系統(tǒng)部分的供熱能耗特性與反映建筑余熱量的建筑負(fù)荷參數(shù)r有一定的關(guān)系，而新風(fēng)部分的供熱能耗與反映新風(fēng)負(fù)荷占總熱負(fù)荷比例的參數(shù)kL有關(guān)。為此處理

式中：B2r----用于房間供熱的熱源能耗；

BL----用于新風(fēng)的熱源能耗；

kr----kr=B2r/B1；

kL----kL=BL/B1。

新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在四個(gè)城市中的kr～r，kL～ra的關(guān)系示于圖6和圖7上。當(dāng)求得c、k后，可由式計(jì)算出b參數(shù)。

圖6新風(fēng)獨(dú)立處理時(shí)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kr～r關(guān)系圖圖7新風(fēng)獨(dú)立處理時(shí)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kL～ra關(guān)系圖

1-哈爾濱；2-北京；3－上海；4－廣州

3．4eb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8、(b)上。計(jì)算中應(yīng)注意，這里的參數(shù)r值應(yīng)由公式

計(jì)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(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)步驟

4．1取得建筑物的基本參數(shù)：建筑地區(qū)、周邊區(qū)面積Ap、內(nèi)區(qū)面積Ai、新風(fēng)量L及建筑內(nèi)部負(fù)荷。

4．2計(jì)算建筑負(fù)荷特性參數(shù)：根據(jù)式、、、計(jì)算出r、、ra三個(gè)負(fù)荷特性參數(shù)。

4．3根據(jù)由模擬結(jié)果繪制出的圖，查得有關(guān)參數(shù)。

參數(shù)c

由參數(shù)r查圖3得c′，由參數(shù)查圖4得pr，則可求得c=c′·pr。

參數(shù)k

對(duì)于水--水熱泵處理新風(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由參數(shù)r查圖5得k值；對(duì)于新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由參數(shù)r查圖6得kr，由參數(shù)ra查圖7得kL，則可求k=kr+kL。

參數(shù)b

b-c·(1-k)

參數(shù)eb

由參數(shù)r求出）查圖8可得eb能耗評(píng)價(jià)曲線(xiàn)；由式亦可算出水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗比。

5算例

北京某建筑，標(biāo)準(zhǔn)層面積2800m2，長(zhǎng)×寬=40m×70m內(nèi)部負(fù)荷40W/m2，新風(fēng)負(fù)荷30m3/，人員密度人/m2。

取周邊區(qū)寬，則外區(qū)面積為Ap=×2××4=；

內(nèi)區(qū)面積為Ai=40×=；

新風(fēng)量L=×30×2800=8400m3/h。

于是，將計(jì)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(gè)系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9。

圖9水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)圖

新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)計(jì)算表2初始條件地點(diǎn)

北京S(m2)

2800Sp(m2)

1072SI(m2)

1728a(m3/h)

8400Ldi(/Wm2)

40建筑負(fù)荷特性參數(shù)40中間參數(shù)c′krPrkL1/能耗評(píng)價(jià)參數(shù)c=c′×PrK=kr+kLb=c×見(jiàn)下表

水－水熱泵處理新風(fēng)的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)計(jì)算表表3

初始條件地點(diǎn)北京S(m2)

2800Sp(m2)

1072Si(m2)

1728a(m3/h)

8400Ldi(W/m2)

40建筑負(fù)荷特性參數(shù)40中間參數(shù)c′kebPr1/能耗評(píng)價(jià)參數(shù)c=c′×Prkb=c×

表4中給出六種空調(diào)方案，對(duì)于每種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案，總有一個(gè)ηnh1值使常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與之相等。利用能耗評(píng)價(jià)曲線(xiàn)，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(dāng)?shù)某Ｒ?guī)系統(tǒng)方案。則易得出：六個(gè)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(hào)空調(diào)系統(tǒng)形式熱源形式1風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)電鍋爐ηnh=12風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)燃煤鍋爐ηnh=3新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)電鍋爐ηnh=14新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)燃煤鍋爐ηnh=5水源熱泵，水-水熱泵處理新風(fēng)電鍋爐ηnh=16水源熱泵，水-水熱泵處理新風(fēng)燃煤鍋爐ηnh=

利用公式，可以進(jìn)一步得出幾種空調(diào)方案的能耗比。計(jì)算結(jié)果列入表5中。

六個(gè)空調(diào)方案運(yùn)行能耗比較表5方案

基準(zhǔn)方案：1

ηnh=1eb=運(yùn)行能耗：ηnh=1kbη0=kηn