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& environmenAug200941-44文章編號:10030344(200)040414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:通過計算水環(huán)熱泵機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;過渡季節(jié)Rω>1且系統(tǒng)循環(huán)水溫為20℃左右時,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,水環(huán)熱泵系統(tǒng)能夠在水環(huán)路內(nèi)實現(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 L. 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)通過在人口和經(jīng)濟迅速增長的當(dāng)今社會能源的消耗個兩管制閉合水環(huán)路將一些不同型號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組并聯(lián)連接起來。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實現(xiàn)供冷和供熱的兩管制系統(tǒng),通過這個閉合消耗的基礎(chǔ)上。水環(huán)熱泵( Water Loop Heat Pump,的水環(huán)路使循環(huán)水連續(xù)不斷地在幣個建筑物中循環(huán)。WLHP)空調(diào)系統(tǒng)作為一種以回收建筑余熱為日的的典型水環(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),就是在這種社會背景下應(yīng)運而生《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB501892005)中指的。該空調(diào)系統(tǒng)具有在建筑物內(nèi)部進行冷熱量遷移的出:“水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種熱回收式空調(diào)系統(tǒng);對特點。對于冬季的建筑供熱來說實際上是利用建筑內(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宜采用水環(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。建筑中,由于人員、照明、辦公設(shè)備等均會散發(fā)熱量,其收稿日期:2008-1215作者簡介:劉天偉(1984),男,碩上:研究生;南京市四牌樓2號東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院(210096); E-mail: tianwan@163com基金項目:“十一五”國家科技支撐計劃重點項目(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)熱泵機組性能計算散熱量通常在40~150W/m2之向。國內(nèi)學(xué)者研究表明四,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國大部分地風(fēng)的公共建由前面分析可知,當(dāng)輔助熱源采用非電鍋爐(如燃筑中可用,主要包括長江沿岸及其以北地區(qū)。由此看煤、燃?xì)忮仩t)時,整個水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗來水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。與循環(huán)水溫構(gòu)成一一對應(yīng)的關(guān)系。然而,為了知道循環(huán)水溫對整個空調(diào)系統(tǒng)運行一次能耗的影響情況,首■日先需要計算出各種循環(huán)水溫條件下,水環(huán)熱泵機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)熱泵機組為空調(diào)房間提供冷量和熱量小型水環(huán)熱泵機組制冷工況和制熱工況計算參數(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)溫枚式熱器度取5℃;冬季和過渡季節(jié)室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃,蒸水熱家制熱1況打水環(huán)泵制1況還打發(fā)溫度t取3℃。冷凝溫度t取循環(huán)水溫L+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℃,冷凝溫水環(huán)熱泵循環(huán)水溫范圍度取43℃;過渡季節(jié)室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃,冷凝溫度l取45℃;蒸發(fā)溫度t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)部計算中,蒸發(fā)器有效過熱度取3℃,無效過熱度取負(fù)荷以及環(huán)路循環(huán)水溫。在其他條件不變的情況之2℃;冷凝器過冷度取3℃;壓縮機排氣壓力等于冷凝下,循環(huán)水溫是水環(huán)熱泵機組運行能耗的決定性因壓力,吸氣壓力為蒸發(fā)壓力。本文計算中小型封閉式素。循環(huán)水溫升高制熱工況下運行的水環(huán)熱泵機組渦旋壓縮機的等熵效率n取0.5。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)熱泵機組制冷能效比和制熱性能系數(shù)計算時,制冷工況下運行的水環(huán)熱泵機組的冷凝溫度升結(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^優(yōu)化環(huán)路循環(huán)水溫來降低水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的全年運行能耗。關(guān)于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水溫范圍,國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)不完全一樣,國內(nèi)多為15~35℃或16~35℃之間而國外一般為16~32℃,但相差不大。之所以這樣取值,一方面是根據(jù)我國具體氣候條件,較大的溫度隔壞水術(shù)虛T℃)范圍可以減少冷卻塔和輔助加熱設(shè)備的開啟時間,另圖2制冷能效比隨循環(huán)水溫的變化一方面是因為與室溫接近的循環(huán)水溫?zé)釗p失較小,水環(huán)循環(huán)管路無需保溫,而且不會造成管道表面結(jié)露叼。因此,根據(jù)我國水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實際使用情況,本文計算中循環(huán)水溫范圍取15~35℃。當(dāng)大部分水環(huán)熱泵機組按制冷工況運行,向循環(huán)水環(huán)路釋放的冷凝熱使環(huán)路水溫超過35℃時,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)熱泵機組按制熱工況運行,環(huán)路循環(huán)水作為熱泵機組的直接熱源,溫度不斷下降。當(dāng)溫度低于15℃時通過控制系統(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)熱泵運行能耗計算式中:Qa為冷卻塔散熱量,W。當(dāng)建筑供暖空調(diào)負(fù)荷以空調(diào)冷負(fù)荷為主時,△Qm臺水環(huán)熱泵制冷耗電量為E,計算公式如下:0,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗量為:E÷數(shù)(Be+B)+—Qa式中:E為m臺水環(huán)熱泵機組制冷丁況運行的耗電式中Em為以供冷為主的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行一次量kW:;Qa為第i臺水環(huán)熱泵機組的制冷量,kW;能耗量,kW;r為冷卻塔性能系數(shù),定義為冷卻塔排EER為第i臺水環(huán)熱泵機組的制冷能效比,wW熱量與耗電量(包括冷卻水泵耗電量)之比m臺制冷工況運行的水環(huán)熱泉機組向循環(huán)水環(huán)路的散熱量為Q。計算公式如下:4最佳循環(huán)水溫EER在冬季和過渡季節(jié),建筑具有同時供冷和供熱的式中:Q為m臺水環(huán)熱泵機組向循環(huán)水環(huán)路的散熱需求。建筑冷熱負(fù)荷比Ra定義為:建筑同時供冷負(fù)荷量kW。和供熱負(fù)荷的比值。在不考慮設(shè)置蓄熱水箱的情況下n臺水環(huán)熱泵制熱耗電量為En,計算公式如下現(xiàn)假設(shè)建筑供暖空調(diào)總負(fù)荷為1000kW(含新風(fēng)負(fù)(3)荷):同時假設(shè)循環(huán)水泵的功耗不隨冷熱負(fù)荷比及循環(huán)水溫而變化。為使問題簡化,本文只計算水環(huán)熱泵式中:EH為n臺水環(huán)熱泵機組制熱工況運行的耗電空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源設(shè)備運行一次能耗?；痣娬景l(fā)電效量kW;Q為第j臺水環(huán)熱泵機組的制熱量 kW: COP率m一般在0.25~0.35之間,現(xiàn)m取03輸配電效為第j臺水環(huán)熱泵機組的制熱性能系數(shù),ww。率m取0.9,則發(fā)電總效率η=ηm2=0.27;燃?xì)忮仩t熱n臺制熱工況運行的水環(huán)熱泵機組向循環(huán)水環(huán)路效率η取089。一般排出1kW熱量冷卻塔所需耗的吸熱量為Q=計算公式如下:電量為001kW,因此v取為100。COP-1冬季不同建筑冷熱負(fù)荷比Ra情況下,水環(huán)熱泵COP(4)空調(diào)系統(tǒng)的一次能耗隨循環(huán)水溫的變化如圖4所示式巾:Q為n臺水環(huán)熱泵機組向循環(huán)水環(huán)路的吸熱量kE系統(tǒng)水環(huán)路總熱量得失的判斷公式為:(5)如果ΔQ>0,系統(tǒng)開啟鍋爐加熱循環(huán)水,其輔助加熱量為COP B,)-ECER(6)EER東斜水7℃)式中:Q為鍋爐輔助加熱量kW。圖4冬季運行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化當(dāng)建筑供暖空調(diào)負(fù)荷以供曖熱負(fù)荷為主時,△Q>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,建筑供Bo+=-(Ec+Ex)+-e(7)暖空調(diào)負(fù)荷以供暖熱負(fù)荷為主,系統(tǒng)運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)運行一次荷比越小,一次能源消耗量越大。Ra0表示水壞熱泵能耗量kW;n為火電站發(fā)電及輸配電總效率;為機組冷負(fù)荷為0各臺機組都按制熱工況運行,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ΔQ<0,系統(tǒng)開啟冷卻塔降低循環(huán)水溫冷卻比的增大,系統(tǒng)熱回收能力增強,節(jié)能效益增大。當(dāng)冷塔散熱量為:熱負(fù)荷比接近于1時,系統(tǒng)一次能耗量兒乎不受循環(huán)DQ)(水溫的影響。因此在冷熱負(fù)荷比Ra>1的情況下,應(yīng)盡量提高循環(huán)水溫,改善熱泵的工作性能以降低一次44建筑熱能通風(fēng)空209年能耗。式中:Q和Q分別表示建筑同時供冷負(fù)荷和供熱負(fù)當(dāng)冷熱負(fù)荷比Ra=1時,系統(tǒng)運行一次能耗量隨荷kW。循環(huán)水供水溫度的升高而增大。此時,系統(tǒng)空調(diào)冷負(fù)當(dāng)Tw=20℃時,a=0.8702,b=0.8688,二者相差甚荷占主導(dǎo),大部分水環(huán)熱泵機組按制冷工況運行,供微,冷熱負(fù)荷比對一次能耗影響很小;當(dāng)T>20℃時水溫度升高,機組制冷能效比減小能耗增加。因此,ab,供熱能耗占主導(dǎo),Ra越大,則一次果,減少能耗能耗反而越小。因此,在過渡季節(jié)Ra較大的情況下,過渡季節(jié)不同冷熱負(fù)荷比Ra情況下,水環(huán)熱泵實際運行中為了使整個系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行,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6塔應(yīng)滿負(fù)荷運行以使循環(huán)水溫降低并控制維持在所示。20℃左右。5結(jié)論:時學(xué)通過本文研究,得出如下結(jié)論1)在冬季和過渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Ra<1的情況下,建筑供曖空調(diào)負(fù)荷以供暖熱負(fù)荷為主,大部分水環(huán)熱泵機組按制熱模式運行。此時,應(yīng)盡量提高循環(huán)水溫,改善熱泵工作性能以降低整個空調(diào)系統(tǒng)的一次圖5過渡期運行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化能耗2)過渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Rω>l且循環(huán)水溫為20℃時,一次能耗量不受建筑冷熱負(fù)荷比的影響,始終為一定值。3)從計算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)冬季和過渡季節(jié)建筑冷熱負(fù)荷比接近1時,水環(huán)熱泵系統(tǒng)能夠在環(huán)路內(nèi)實現(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。圖6過渡期運行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化參考文獻(xiàn)[]郎四維公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)宜貫輔導(dǎo)教材M北京:中國從圖5中可以發(fā)現(xiàn),過渡季節(jié)冷熱負(fù)荷比Ra<建筑T業(yè)出版社,2005時系統(tǒng)一次能源消耗量同冬季一樣,隨著循環(huán)水供2馬良,源閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的靜態(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199,306:68743]齊賀年水環(huán)熱泵空調(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學(xué),2000圖6表明,過渡季節(jié)Rax>1時,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。Ra越大能耗量隨循環(huán)京:東南大學(xué),2005水溫增加的幅度越大。當(dāng)循環(huán)水溫為20℃時,過渡季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)speed scroll compressor P]. Applied Thermal Engineering, 2009,循環(huán)水溫大于20℃時,同一供水溫度下,Ra越大29:469-478次能耗量越大。而當(dāng)循環(huán)水溫小于20℃時,同一供水6中國人民共和國建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB501892005S1北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005溫度下,Ra越大,一次能耗量反而越小。[7 J H Zaidi, R H Howell. Energy use and heat recovery in這是因為Ra>1時,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行一次water-loop heat pump, variable-air-volume, and reheat HVAC能耗按式(9)計算代入具體的計算參數(shù)后式(9)可簡systems: partI []. ASHRAE Transactions, 1993, 99(2): 13-28化成以下形式:Bo=a gc+beH