第28卷第4期建筑熱能通風(fēng)空調(diào)Vol 28 No 42009年8月Building Energy environmenAug20094l-44文章編號(hào):003034429040414水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)最佳循環(huán)水溫研究劉天偉杜塏東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院摘要:通過(guò)計(jì)算水環(huán)熱泵機(jī)組的制冷能效比和制熱性能系數(shù),得出了不同循環(huán)水溫下水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗。結(jié)果表明:在冷熱負(fù)荷比Ra<1的情況下,應(yīng)盡量提高循環(huán)水溫改善熱泵T作性能以降低一次能耗;過(guò)渡季節(jié)Ra>1且系統(tǒng)循環(huán)水溫為20℃左右時(shí),系統(tǒng)一次能耗量不受建筑冷熱負(fù)荷比的影響,為一定值;當(dāng)Ra接近于1時(shí),水環(huán)熱泵系統(tǒng)能夠在水環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的熱平衡,系統(tǒng)一次能耗量受循環(huán)水溫的影響較小。關(guān)鍵詞:水環(huán)熱泵循環(huán)水溫冷熱負(fù)荷比Studying on the Optimal Circulating Water Temperature of Water-LoopHeat Pump SystemLIU Tian-wei, DU KaiSchool of Energy Environment, Southeast UniversityAbstract: Through calculating the EER and COP of Water-Loop Heat Pumps( WLhP), the primal energy consumptionof WLHP system was calculated when all the units are supplied with circulating water of different temperatures. Theresults show that it is essential to raise the supplying water temperature to improve the COP of WLHP and reduce theprimal energy consumption when the ratio of cooling and heating load(RCh) is less than 1. However, When the rCh isgreater than I in the transition season, the primal energy consumption of the system is constant under 20C supplyingwater.The WLHP system can get heat balance in the water loop, and the primal energy consumption is nearlyindependent with the supplying water temperature under the condition that the RCH is close to IKeywords: water loop heat pump, circulating water temperature, ratio of cooling and heating load0引言水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種既把循環(huán)水作為吸熱熱源又當(dāng)作散熱熱匯的分散式系統(tǒng)。該空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)在人口和經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)的當(dāng)今社會(huì)能源的消耗一個(gè)兩管制閉合水環(huán)路將一些不同型號(hào)形式的小型和枯竭是人類面臨的重要問題。所以,任何一種新型水源熱泵機(jī)組并聯(lián)連接起來(lái)。這種非集中的、全年能空調(diào)系統(tǒng)的產(chǎn)生與應(yīng)用,必須是建立在能夠降低能源夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷和供熱的兩管制系統(tǒng)通過(guò)這個(gè)合消耗的基礎(chǔ)上。水環(huán)熱泵( Water Loop Heat Pump,的水環(huán)路使循環(huán)水連續(xù)不斷地在個(gè)建筑物中循環(huán)。WLHP)空調(diào)系統(tǒng)作為一種以回收建筑余熱為目的的典型水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。新型節(jié)能空調(diào)系統(tǒng),就是在這種社會(huì)背景下應(yīng)運(yùn)而生《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)中指的。該空調(diào)系統(tǒng)具有在建筑物內(nèi)部進(jìn)行冷熱量遷移的出:“水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種熱回收式空調(diào)系統(tǒng);對(duì)特點(diǎn)。對(duì)于冬季的建筑供熱來(lái)說(shuō)實(shí)際上是利用建筑內(nèi)于有較大內(nèi)區(qū)且常年有穩(wěn)定的大量余熱的辦公、商業(yè)部的發(fā)熱量,從而減少了外部供給建筑的供熱量需等建筑而言宣采用水環(huán)熱泵空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。在辦公求是一種節(jié)能的系統(tǒng)形式。建筑H中國(guó)煤化工均會(huì)散發(fā)熱量其CNMHG收稿日期:2008-1215作者簡(jiǎn)介:劉天偉(1984-),男,碩上研究生;南京市四牌樓2號(hào)東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院(210096) E-mail: tianwaya163com基金項(xiàng)目:“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(No:2008BAJ2B02)建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2009年散熱量通常在30~60Wm2之間。而商業(yè)建筑的內(nèi)部2水環(huán)熱泵機(jī)組性能計(jì)算散熱量通常在40~150Wm2之問。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究表明,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)大部分地區(qū)的公共建由前而分析可知,當(dāng)輔助熱源采用非電鍋爐(如燃筑中可用,主要包括長(zhǎng)江沿岸及其以北地區(qū)。由此看煤、燃?xì)忮仩t)時(shí),整個(gè)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗來(lái)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。與循環(huán)水溫構(gòu)成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。然而,為了知道循環(huán)水溫對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行一次能耗的影響情況,首■日先需要計(jì)算出各種循環(huán)水溫條件下,水環(huán)熱泵機(jī)組的制冷能效比和制熱性能系數(shù)?，F(xiàn)考慮采用小型分體式或整體式水環(huán)熱泉機(jī)組為空調(diào)房間提供冷量和熱量小型水環(huán)熱泵機(jī)組制冷工況和制熱工況計(jì)算參數(shù)取值如下:1)制冷工況:夏季室內(nèi)設(shè)定溫度為27℃,蒸發(fā)溫式待熱器度取5℃;冬季和過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃,蒸發(fā)溫度t取3℃。冷凝溫度l取循環(huán)水溫t+5℃,水環(huán)圖1典型水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖熱泵循環(huán)水進(jìn)出口溫差取5℃。2)制熱工況:冬季室內(nèi)設(shè)定溫度為20℃,冷凝溫1水環(huán)熱泵循環(huán)水溫范圍度取43℃;過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃,冷凝溫度4取45℃;蒸發(fā)溫度取循環(huán)水溫L-5℃,水環(huán)熱水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果受到各種因素的泵循環(huán)水進(jìn)出口溫差取5℃影響包括建筑所處的氣候類型建筑形式、建筑內(nèi)部計(jì)算中,蒸發(fā)器有效過(guò)熱度取3℃,無(wú)效過(guò)熱度取負(fù)荷以及環(huán)路循環(huán)水溫。在其他條件不變的情況之2℃;冷凝器過(guò)冷度取3℃;壓縮機(jī)排氣壓力等于冷凝下,循環(huán)水溫是水環(huán)熱泵機(jī)組運(yùn)行能耗的決定性因壓力,吸氣壓力為蒸發(fā)壓力。本文計(jì)算中小型封閉式素。循環(huán)水溫升高,制熱工況下運(yùn)行的水環(huán)熱泵機(jī)組渦旋壓縮機(jī)的等熵效率n取05。選擇制冷劑為的蒸發(fā)溫度升高,其制熱性能系數(shù)(COP)增大。而此R22。水環(huán)熱泵機(jī)組制冷能效比和制熱性能系數(shù)計(jì)算時(shí),制冷工況下運(yùn)行的水環(huán)熱泵機(jī)組的冷凝溫度升結(jié)果如圖2、圖3所示。高,其制冷能效比(EER)減小。因此整個(gè)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的效率與能耗與循環(huán)水溫之間存在著函數(shù)關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化環(huán)路循環(huán)水溫來(lái)降低水環(huán)熱泵空調(diào)E逝系統(tǒng)的全年運(yùn)行能耗。關(guān)于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水溫范圍,國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)不完全一樣,國(guó)內(nèi)多為15~35℃或16~35℃之間而國(guó)外一般為16~32℃,但相差不大。之所以這樣取值,一方面是根據(jù)我國(guó)具體氣候條件,較大的溫度隔外水木虛T(℃)范圍可以減少冷卻塔和輔助加熱設(shè)備的開啟時(shí)間,另圖2制冷能效比隨循環(huán)水溫的變化方面是因?yàn)榕c室溫接近的循環(huán)水溫?zé)釗p失較小,水環(huán)循環(huán)管路無(wú)需保溫,而且不會(huì)造成管道表面結(jié)露因此,根據(jù)我國(guó)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況,本文計(jì)算中循環(huán)水溫范圍取15~35℃。當(dāng)大部分水環(huán)熱泵機(jī)組按制冷工況運(yùn)行,向循環(huán)水環(huán)路釋放的冷凝熱使環(huán)路水溫超過(guò)35℃時(shí),開啟冷卻塔散熱,降低循環(huán)水溫。在冬季,當(dāng)大部分水環(huán)熱泵機(jī)組按制熱工況中國(guó)煤化工運(yùn)行,環(huán)路循環(huán)水作為熱泵機(jī)組的直接熱源,溫度不CNMHGT斷下降。當(dāng)溫度低于15℃時(shí),通過(guò)控制系統(tǒng)開啟鍋爐或其他輔助加熱設(shè)備,使循環(huán)水溫保持在15℃以上圖3制熱性能系數(shù)隨循環(huán)水溫的變化第28卷第4期劉天偉等:水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)最佳循環(huán)水溫研究3水環(huán)熱泵運(yùn)行能耗計(jì)算式中:Qa為冷卻塔散熱量kW。當(dāng)建筑供暖空調(diào)負(fù)荷以空調(diào)冷負(fù)荷為主時(shí),△Q0,系統(tǒng)開啟鍋爐加熱循環(huán)水,其輔助加熱量為+吲鍋壞水供水溫7℃)式中:Q為鍋爐輔助加熱量kW圖4冬季運(yùn)行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化當(dāng)建筑供暖空調(diào)負(fù)荷以供暖熱負(fù)荷為主時(shí),ΔQ:0水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗量為:圖4表明,冬季建筑冷熱負(fù)荷比Ra<1時(shí),建筑供(Ec+En)+-e(7)暖空調(diào)負(fù)荷以供暖熱負(fù)荷為主,系統(tǒng)運(yùn)行一次能耗量隨循環(huán)水溫的升高而減小。同一供水溫度下,冷熱負(fù)式中:E為以供暖為主的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行一次荷比越小,一次能源消耗量越大。Ra0表示水環(huán)熱泵能耗量kW;為火電站發(fā)電及輸配電總效率;為機(jī)組冷負(fù)荷為0,各臺(tái)機(jī)組都按制熱工況運(yùn)行,在各供燃煤(氣)鍋爐熱效率。水溫度下,空調(diào)系統(tǒng)一次能耗值最大。隨著冷熱負(fù)荷如果△Q0,.系統(tǒng)開啟冷卻塔降低循環(huán)水溫冷卻比的址中國(guó)煤化工能效益增大。當(dāng)冷塔散熱量為:熱負(fù)荷CNMHG毛量幾乎不受循環(huán)2r=∑(BBR+1cOP-Q)(8)水溫的影啊。兇此在冷恐貝何比R>1的情況下應(yīng)COP盡量提高循環(huán)水溫,改善熱泵的工作性能以降低一次44建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2009能耗。式中:Qc和Q分別表示建筑同時(shí)供冷負(fù)荷和供熱負(fù)當(dāng)冷熱負(fù)荷比Ra=1時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行一次能耗量隨荷kW。循環(huán)水供水溫度的升高而增大。此時(shí),系統(tǒng)空調(diào)冷負(fù)當(dāng)Tw=20℃時(shí),a=0.8702,b=0.8688,二者相差甚荷占主導(dǎo),大部分水環(huán)熱泵機(jī)組按制冷工況運(yùn)行,供微冷熱負(fù)荷比對(duì)一次能耗影響很小;當(dāng)T>20℃時(shí),水溫度升高機(jī)組制冷能效比減小,能耗增加。因此,ab,供熱能耗占主導(dǎo),Rω越大,則一次果,減少能耗。能耗反而越小。因此,在過(guò)渡季節(jié)Ra較大的情況下,過(guò)渡季節(jié)不同冷熱負(fù)荷比Rω情況下,水環(huán)熱泵實(shí)際運(yùn)行中為了使整個(gè)系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行冷卻空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗隨循環(huán)水溫的變化如圖5、圖δ塔應(yīng)滿負(fù)荷運(yùn)行以使循環(huán)水溫降低并控制維持在所示。20℃左右5結(jié)論二但蝶通過(guò)本文研究,得出如下結(jié)論:1)在冬季和過(guò)渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Ra<1的情況下,建筑供暖空調(diào)負(fù)荷以供暖熱負(fù)荷為主,大部分水環(huán)熱泵機(jī)組按制熱模式運(yùn)行。此時(shí),應(yīng)盡量提高循環(huán)種環(huán)本俱水a(chǎn)了(℃)水溫,改善熱泵工作性能以降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的一次圖5過(guò)渡期運(yùn)行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化能耗。2)過(guò)渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Rω>l且循環(huán)水溫為20℃時(shí),一次能耗量不受建筑冷熱負(fù)荷比的影響始終為定值3)從計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)冬季和過(guò)渡季節(jié)建筑冷熱負(fù)荷比接近1時(shí),水環(huán)熱泵系統(tǒng)能夠在環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的熱平衡,系統(tǒng)一次能耗量受循環(huán)水溫的影響較小耳水水溫7℃)圖6過(guò)渡期運(yùn)行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化參考文獻(xiàn)[]郎四維公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)宜貫輔導(dǎo)教材M]北京:中國(guó)從圖5中可以發(fā)現(xiàn),過(guò)渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Ra建筑T業(yè)出版社,2005時(shí),系統(tǒng)一次能源消耗量同冬季一樣,隨著循環(huán)水供[2]馬最良,曹源閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的靜態(tài)分水溫度的升高而減小;同一供水溫度下,Ra越小析(門哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1997,30(6:68-743]齊賀年水環(huán)熱泉空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究D西安:西安建筑科次能耗量越大技大圖6表明過(guò)渡季節(jié)Rax>1時(shí),系統(tǒng)一次能耗量(]吳薇空氣源-水源熱泵復(fù)合熱泵循環(huán)系統(tǒng)的性能研究D南隨著循環(huán)水溫的升高而增大。R越大,能耗量隨循環(huán)京:東南大學(xué),200水溫增加的幅度越大。當(dāng)循環(huán)水溫為20℃時(shí),過(guò)渡季5] Cristian Cuevas.. Jean Lebrun. Testing and modeling of a variable節(jié)不同冷熱負(fù)荷比條件下,一次能耗量為一定值。當(dāng)9 eed scroll compressor[J] Applied Thermal Engineering20循環(huán)水溫大于20℃時(shí),同一供水溫度下,Ra越大29:469478次能耗量越大。而當(dāng)循環(huán)水溫小于20℃時(shí),同一供水6]中國(guó)人民共和國(guó)建設(shè)部公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB501892005S]北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005溫度下,Ra越大,一次能耗量反而越小。Zaidi, R H Howell. Energy use and heat recovery in這是因?yàn)镽a>l時(shí),水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中國(guó)煤化工 me, and reheat HVAC能耗按式(9)計(jì)算代入具體的計(jì)算參數(shù)后式(9)可簡(jiǎn)CNMHG,I993,992)化成以下形式:Bo=a gc+be(10)