水環(huán)熱泵空調系統最佳循環(huán)水溫研究

第28卷第4期建筑熱能通風(fēng)空調Vol 28 No 42009年8月Building Energy& environmenAug200941-44文章編號:10030344(200)040414水環(huán)熱泵空調系統最佳循環(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)計算水環(huán)熱泵機組的制冷能效比和制熱性能系數,得出了不同循環(huán)水溫下水環(huán)熱泵空調系統的一次能耗。結果表明:在冷熱負荷比Ra<1的情況下,應盡量提高循環(huán)水溫,改善熱泵T作性能以降低一次能耗;過(guò)渡季節Rω>1且系統循環(huán)水溫為20℃左右時(shí),系統一次能耗量不受建筑冷熱負荷比的影響,為一定值;當Ra接近于1時(shí),水環(huán)熱泵系統能夠在水環(huán)路內實(shí)現較好的熱平衡,系統一次能耗量受循環(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)熱泵空調系統是一種既把循環(huán)水作為吸熱熱源又當作散熱熱匯的分散式系統。該空調系統通過(guò)在人口和經(jīng)濟迅速增長(cháng)的當今社會(huì )能源的消耗個(gè)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(lèi)面臨的重要問(wèn)題。所以,任何一種新型水源熱泵機組并聯(lián)連接起來(lái)。這種非集中的、全年能空調系統的產(chǎn)生與應用,必須是建立在能夠降低能源夠同時(shí)實(shí)現供冷和供熱的兩管制系統,通過(guò)這個(gè)閉合消耗的基礎上。水環(huán)熱泵( Water Loop Heat Pump,的水環(huán)路使循環(huán)水連續不斷地在幣個(gè)建筑物中循環(huán)。WLHP)空調系統作為一種以回收建筑余熱為日的的典型水環(huán)熱泵空調系統的工作原理如圖1所示。新型節能空調系統,就是在這種社會(huì )背景下應運而生《公共建筑節能設計標準》(GB501892005)中指的。該空調系統具有在建筑物內部進(jìn)行冷熱量遷移的出:“水環(huán)熱泵空調系統是一種熱回收式空調系統;對特點(diǎn)。對于冬季的建筑供熱來(lái)說(shuō)實(shí)際上是利用建筑內于有較大內區且常年有穩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)熱泵空氣調節系統”。在辦公求,是一種節能的系統形式。建筑中,由于人員、照明、辦公設備等均會(huì )散發(fā)熱量,其收稿日期: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(diǎn)項目(No:2008BAJ2B02)建筑熱能通風(fēng)空調2009年散熱量通常在30~60Wm2之間。而商業(yè)建筑的內部2水環(huán)熱泵機組性能計算散熱量通常在40~150W/m2之向。國內學(xué)者研究表明四,水環(huán)熱泵空調系統在我國大部分地風(fēng)的公共建由前面分析可知,當輔助熱源采用非電鍋爐(如燃筑中可用,主要包括長(cháng)江沿岸及其以北地區。由此看煤、燃氣鍋爐)時(shí),整個(gè)水環(huán)熱泵空調系統的一次能耗來(lái)水環(huán)熱泵空調系統在我國具有廣闊的應用前景。與循環(huán)水溫構成一一對應的關(guān)系。然而,為了知道循環(huán)水溫對整個(gè)空調系統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?，F考慮采用小型分體式或整體式水環(huán)熱泵機組為空調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取值如下:1)制冷工況:夏季室內設定溫度為27℃,蒸發(fā)溫枚式熱器度取5℃;冬季和過(guò)渡季節室內設定溫度為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)熱泵空調系統原理圖熱泵循環(huán)水進(jìn)出口溫差取5℃。2)制熱工況:冬季室內設定溫度為20℃,冷凝溫水環(huán)熱泵循環(huán)水溫范圍度取43℃;過(guò)渡季節室內設定溫度為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)熱泵空調系統的節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(lèi)型建筑形式建筑內部計算中,蒸發(fā)器有效過(guò)熱度取3℃,無(wú)效過(guò)熱度取負荷以及環(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(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計算時(shí),制冷工況下運行的水環(huán)熱泵機組的冷凝溫度升結果如圖2、圖3所示高其制冷能效比(EER)減小。因此,整個(gè)水環(huán)熱泵空調系統的效率與能耗與循環(huán)水溫之間存在著(zhù)函數關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化環(huán)路循環(huán)水溫來(lái)降低水環(huán)熱泵空調系統的全年運行能耗。關(guān)于水環(huán)熱泵空調系統的循環(huán)水溫范圍,國內外的標準不完全一樣,國內多為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備的開(kāi)啟時(shí)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)水溫熱損失較小,水環(huán)循環(huán)管路無(wú)需保溫,而且不會(huì )造成管道表面結露叼。因此,根據我國水環(huán)熱泵空調系統的實(shí)際使用情況,本文計算中循環(huán)水溫范圍取15~35℃。當大部分水環(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(guò)35℃時(shí),開(kāi)啟冷卻塔散熱降低循環(huán)水溫。在冬季,當大部分水環(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。當溫度低于15℃時(shí)通過(guò)控制系統開(kāi)啟鍋爐或其他輔助加熱設備,使循環(huán)水溫保持在15℃以上圖3制熱性能系數隨循環(huán)水溫的變化第28卷第4期劉天偉等:水環(huán)熱泵空調系統最佳循環(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。當建筑供暖空調負荷以空調冷負荷為主時(shí),△Qm臺水環(huán)熱泵制冷耗電量為E,計算公式如下:0,水環(huán)熱泵空調系統的一次能耗量為:E÷數(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)熱泵空調系統運行一次量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,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(guò)渡季節,建筑具有同時(shí)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。建筑冷熱負荷比Ra定義為:建筑同時(shí)供冷負荷量kW。和供熱負荷的比值。在不考慮設置蓄熱水箱的情況下n臺水環(huán)熱泵制熱耗電量為En,計算公式如下現假設建筑供暖空調總負荷為1000kW(含新風(fēng)負(3)荷):同時(shí)假設循環(huán)水泵的功耗不隨冷熱負荷比及循環(huán)水溫而變化。為使問(wèn)題簡(jiǎn)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系統的冷熱源設備運行一次能耗?；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,ww。率m取0.9,則發(fā)電總效率η=ηm2=0.27;燃氣鍋爐熱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荷比Ra情況下,水環(huán)熱泵COP(4)空調系統的一次能耗隨循環(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系統水環(huán)路總熱量得失的判斷公式為:(5)如果ΔQ>0,系統開(kāi)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)水溫的變化當建筑供暖空調負荷以供曖熱負荷為主時(shí),△Q>0,水環(huán)熱泵空調系統的一次能耗量為圖4表明,冬季建筑冷熱負荷比Ra<1時(shí),建筑供Bo+=-(Ec+Ex)+-e(7)暖空調負荷以供暖熱負荷為主,系統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,冷熱負式中:E為以供暖為主的水環(huán)熱泵空調系統運行一次荷比越小,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,空調系統一次能耗值最大。隨著(zhù)冷熱負荷如果ΔQ<0,系統開(kāi)啟冷卻塔降低循環(huán)水溫冷卻比的增大,系統熱回收能力增強,節能效益增大。當冷塔散熱量為:熱負荷比接近于1時(shí),系統一次能耗量?jì)汉醪皇苎h(huán)DQ)(水溫的影響。因此在冷熱負荷比Ra>1的情況下,應盡量提高循環(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(shí)供冷負荷和供熱負當冷熱負荷比Ra=1時(shí),系統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(shí),系統空調冷負當Tw=20℃時(shí),a=0.8702,b=0.8688,二者相差甚荷占主導,大部分水環(huán)熱泵機組按制冷工況運行,供微,冷熱負荷比對一次能耗影響很小;當T>20℃時(shí)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,Ra越大,則一次果,減少能耗能耗反而越小。因此,在過(guò)渡季節Ra較大的情況下,過(guò)渡季節不同冷熱負荷比Ra情況下,水環(huán)熱泵實(shí)際運行中為了使整個(gè)系統在最佳狀態(tài)下運行,冷卻空調系統的一次能耗隨循環(huán)水溫的變化如圖5、圖6塔應滿(mǎn)負荷運行以使循環(huán)水溫降低并控制維持在所示。20℃左右。5結論:時(shí)學(xué)通過(guò)本文研究,得出如下結論1)在冬季和過(guò)渡季節冷熱負荷比Ra<1的情況下,建筑供曖空調負荷以供暖熱負荷為主,大部分水環(huán)熱泵機組按制熱模式運行。此時(shí),應盡量提高循環(huán)水溫,改善熱泵工作性能以降低整個(gè)空調系統的一次圖5過(guò)渡期運行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化能耗2)過(guò)渡季節冷熱負荷比Rω>l且循環(huán)水溫為20℃時(shí),一次能耗量不受建筑冷熱負荷比的影響,始終為一定值。3)從計算結果中可以發(fā)現,當冬季和過(guò)渡季節建筑冷熱負荷比接近1時(shí),水環(huán)熱泵系統能夠在環(huán)路內實(shí)現較好的熱平衡,系統一次能耗量受循環(huán)水溫的影響較小。圖6過(guò)渡期運行一次能耗隨循環(huán)水溫的變化參考文獻[]郎四維公共建筑節能設計標準宜貫輔導教材M北京:中國從圖5中可以發(fā)現,過(guò)渡季節冷熱負荷比Ra<建筑T業(yè)出版社,2005時(shí)系統一次能源消耗量同冬季一樣,隨著(zhù)循環(huán)水供2馬良,源閉式環(huán)路水源熱泵空調系統運行能耗的靜態(tài)分水溫度的升高而減小;同一供水溫度下,Ra越小析門(mén)哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報199,306:68743]齊賀年水環(huán)熱泵空調系統的應用研究D西安:西安建筑科次能耗量越大技大學(xué),2000圖6表明,過(guò)渡季節Rax>1時(shí),系統一次能耗量(]吳薇空氣源-水源熱泵復合熱泵循環(huán)系統的性能研究D]南隨著(zhù)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節不同冷熱負荷比條件下,一次能耗量為一定值。當speed scroll compressor P]. Applied Thermal Engineering, 2009,循環(huán)水溫大于20℃時(shí),同一供水溫度下,Ra越大29:469-478次能耗量越大。而當循環(huán)水溫小于20℃時(shí),同一供水6中國人民共和國建設部.公共建筑節能設計標準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(shí),水環(huán)熱泵空調系統運行一次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后式(9)可簡(jiǎn)systems: partI []. ASHRAE Transactions, 1993, 99(2): 13-28化成以下形式:Bo=a gc+beH