水环热泵空调系统运行能耗的参数评价法

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1、1水环热泵空调系统运行能耗的参数评价 法 摘要 水环热泵空调系统是回收建筑余热的一种具有节能和环保意义的空调系统形式。本文是以水环热泵空调系统能耗动态模拟结果为依据，归纳总结出描述建筑特点的参数和空调系统能耗参数间的内在关系，以此来评价建筑物采用水环热泵空调系统是否节能问题。 关键词 水环热泵 节能评价 参数法 0 引言水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统，它的节能效果和环保效益是与气象条件、建筑特点及辅助热源形式（电锅炉、燃煤锅炉等）等因素有关的。而我国地域辽阔，各地区气象条件差异很大，各地实际建筑形式与特点也各不相同。那么，在什么样的场合选用水环热泵空调系统才能收到最佳的效果和环保效益

2、，这个问题始终是我们工程设计中先要明确的问题。 文献1、2曾分析过这个问题，提出系统运行能耗的静态分析法和计算机动态分析法。本文在此基础上，以系统能耗动态模拟结果为依据，归纳总结出建筑特点（建筑物特征参数）和水环热泵空调系统能耗（能耗评价参数）间的内在关系，从而提出一种能耗评价方法，称为参数评价法。 1 建筑物特征参数 2所谓的建筑物特征参数是指用来描述建筑物内外区面积、建筑物内部负荷、新风负荷等特征的参数。本文提出11 建筑物负荷特性参数 r 参数 r 定义为： 对于新风单独处理的水环热泵空调系统： （1） 对于水-水热泵处理新风的水环热泵空调系统： （2） 式中 r-建筑负荷特性参数，W/

3、m2； Ai-建筑内区面积，m2； Ap-建筑外区面积，m2； L-建筑新风量，m3/h； -建筑内部负荷，W/ m2； -折算系数， （m2h）/ m3 新风负荷以 折算为与之相当的周边区面积，经试算，其值为 0.20.27，通常取为 0.24。 由此可见，建筑负荷特性参数 r 的物理概念为建筑物外区单位面积所分摊的建筑内部热量。R 越大，表明建筑物内的余热越多。 12 建筑负荷密度 y 参数定义为： （3） 式中 -建筑负荷密度，W/ m2； A-总面积，m2； -建筑周围边地区当量负荷 W/ m2，其值见表 1。 3区当量负荷 W/ m2，其值见表 1。 地点哈尔滨北京上海广州(W/ m

4、2)504030101.3 参数 ra ra 的定义为 （4）式中各符号同式(1)。 参数 ra 体现了建筑中新风负荷占总负荷的比例。 2 水环热泵空调系统的能耗评价的比例 所谓的水环热泵空调系统的能耗评价参数是指用来描述水环热泵空调系统运行能耗的主要信息。通过几个参数就可对水环热泵空调系统的能耗情况作出恰当的评价。 42.1 水环热泵空调系统的能耗评价公式 文献2中给出 E1=N1/n+ B1/h1 E2=N2/n+ B2/h2 （5） 式中：E1、E2-分为常规空调系统（风机盘管加新风）、水环热泵空调系统一次能源的能耗，kWh； N1、N2-分别为常规空调系统、水环热泵空调系统的电耗，kW

5、h； B1、B2-分别为常规空调系统、水环热泵空调系统的热耗，kWh； n-电能总效率，% h1、h2-分别为常规空调系统、水环热泵空调系统用热的总效率供（kW 从热量/kW 一次能源），% 令 E1=E2，可得 （6） 记 k= B2/B1,b=( N2-N1)/ B1, nh1=n/h1, nh2=n/h2。 式中，nh 为电热效率比，则式（6）可写为： nh1=knh2+b （6a）称式（6a）为水环热泵空调系统能耗评价公式。由此可见，当 nh1knh2+b时，则 E1E2，水环热泵空调系统能耗比常规空调系统少；反之，水环热泵空调系统能耗多。 由式（6a）可见，nh1 与 nh2 呈线性

6、关系，如图 1 所示，则线上方区域的水环热泵空调系统节能区，线下方为非节能区。当常规空调系统热电效率比 nh1b时，水环热泵空调系统无论采用何种辅助热源方式，都是不能的。5图 1 水环热泵空调系统能耗评价区b 是直线的截矩，k 是斜率，我们可以把 k 和 b 视为二个能耗评价参数。除此之外，还提出了第三个参数 c。当两种空调系统采用相同的热源形式时，h1=h2，即 nh1=nh2,则由式（6）可得： （7） 令 c=(N2-N1)/(B1-B2) （7a） (c,c)为能耗评价线上的一个特征点（见图 1），c 点表明两种空调系统采用相同热源形式时，电耗差值与热耗差值之比。 参数 c 的意义为：

7、当水环热泵空调系统辅助热源形式与常规空调系统相同时（h1=h1=h），若其电热效率比 nhc，则有21，反之，当 nhc，则有E2E1。 由式 (6a)易得： b=c(1-k) （8） 但应注意，影响电耗差值大小的因素主要是：一是运行工况不同，引起两种空调系统电耗不同，二是水泵的控制方式不同，使两种空调系统电耗差异很大。为此，将 c 值作如下处理： 式中 P1、P2-分别常规空调系统和水环热泵空调系统中水泵的电耗，kWh。 （9）（10）2.2 空调系统电热能耗比 为了能对两种空调系统得出能耗相差多少，而提出第 4 个评价参数 eb。由式（5）、 （6a）可得出两系统能耗比为： 6（11） 记

8、 eb=N1/B, 0=nh2+b，则 （11a） 式中：0-与水环热泵系统能耗相同时，常规空调系统应有的电热效率比； eb-常规空调系统电、热能耗之比： 其余符号同前。 通过上述分析，欲对水环热泵空调系统作出能耗评价，可通过四个评价参数k,b,c(或 c)，eb 作出评价。因此，如何求得四个评价参数是解决问题的关键。 3 建筑负荷特征参数与水环热泵空调系统能耗评价参数之间的关系 研究此问题的目的就是找到如何由建筑负荷特征参数求得水环热泵空调系统能耗评价参数。 31 r1/ c曲线的绘制 对于某一建筑，由式（1）、 （2）可直接得出建筑负荷特性参数 r。而利用空调系统能耗模拟程序，分别模拟出建

9、筑物使用水环热泵空调系统和风机盘管空调系统的能耗情况2，再由公式（9）可得 c值。选取 30 种不同形式（规模、内部负荷不同）的建筑物进行模拟计算3，对上海地区采用新风独立处理的水环热泵空调系统的模拟结果绘于图 2 上。 由图 2 可见，随着 r 的增大，建筑中的负荷成分不断变化，由余热不足到余热过剩，c值也先减小后增加，而其中处于峰值点的建筑便是最适于使用于水环热泵空调系统建筑。 图 2 上海地区采用新风独立处理的水环热泵的空调系统r1/ c的相应关系7在常规空调系统与水环热泵空调热源形式相同的前提下，若忽略泵耗能的差异，仅通过 r1/ c图就可以评价不同建筑采用水环热泵空调系统的能耗情况。

10、 例如在热源为燃煤锅炉， 条件下，在图 2 中作 r/ c=1/0.386=2.6 的基准线，则满足 r=1545 W/ m2 的建筑，其 1/ c值位于其基准线上方，这就是说在上海，新风独立处理的水环热泵空调系统在这类建筑中使用才是节能的。 按上述方法，同样绘制出新风独立处理的水环热泵空调系统和水/水热泵处理新风的水环热泵空调系统在哈尔滨、北京、上海、广州等地的 r1/ c图，如图3（a）、 （b）。 图 3 四个城市中 r1/ c曲线(a)新风单独处理的水源热泵系统(HPFC)；（b）水水热泵处理新风的水源热泵系统(WSHP)1-哈尔滨；2- 北京；3上海；4广州32 pr 曲线 图 4（

11、a）4（b）分别给出新风独立处理的水环热泵空调系统和水/水热泵处理新风的水环热泵空调系统在我国四个城市的pr 曲线图。 图 4 pr 曲线 (a)新风单独处理的水源热砂系统(HPFC); (b)水-水热泵处理新风的水源热泵系统(WSHP)33 能耗评价参数 k 与建筑负荷特性参数 r 的关系 8通过同上的模拟计算方式，将 k 的模拟结果与 r 的关系归结为 kr 曲线。对于水-水热泵处理新风的水环热泵空调系统，kr 的对应规律较好。由图 5 可见，随着 r 的增大，建筑物内余热的增多，参数 k 趋近于 0，即系统的锅炉能耗趋于 0。不难看出，如在上海，当其建筑负荷特性参数达到 30W/m2 时

12、，其系统可不设辅助加热系统。 图 5 水水热泵处理新风的水环热泵空调系统 kr曲线1-哈尔滨；2- 北京；3上海；4广州对于新风独立处理的水环热泵空调系统，由于其新风独立处理，因而其总供热能耗中包括两种性质的能耗。承担房间负荷的水环热泵系统部分的供热能耗特性与反映建筑余热量的建筑负荷参数 r 有一定的关系，而新风部分的供热能耗与反映新风负荷占总热负荷比例的参数 kL 有关。为此处理如下： （12） 式中：B2r-用于房间供热的热源能耗； BL-用于新风的热源能耗； kr-kr = B2r/B1； kL-kL = BL/B1。 新风独立处理的水环热泵空调系统在四个城市中的 krr，kLra 的关

13、系示于图 6 和图 7 上。当求得 c、k 后，可由式（8）计算出 b 参数。 图 6 新风独立处理时水环热泵空调系统 krr 关系图 图 7 新风独立处理时水环热泵空调系统 kLra 关系图1-哈尔滨；2- 北京；3上海；4广州934 eb 与 r 的关系 参数 eb 是常规空调系统的电热能耗比，eb 与 r 的关系示于图 8（a）、(b)上。计算中应注意，这里的参数 r 值应由公式（2）计算得出。 图 8 四城市中的关系图1-哈尔滨；2- 北京；3上海；4广州 4 参数评价法的评价步骤 41 取得建筑物的基本参数：建筑地区、周边区面积 Ap、内区面积 Ai、新风量 L 及建筑内部负荷 。

14、42 计算建筑负荷特性参数：根据式（1）、 （2）、 （3）、 （4）计算出 r、 、ra 三个负荷特性参数。 43 根据由模拟结果绘制出的图，查得有关参数。 （1） 参数 c 由参数 r 查图 3 得 c，由参数查图 4 得 pr，则可求得 c=cpr。 （2）参数 k 对于水-水热泵处理新风的水环热泵空调系统，由参数 r 查图 5 得 k 值；对于新风独立处理的水环热泵空调系统，由参数 r 查图 6 得 kr，由参数 ra 查图 7 得kL，则可求 k= kr+ kL。 （3）参数 b b-c(1-k) （4）参数 eb 由参数 r（由公式（2）求出）查图 8 可得 eb 能耗评价曲线；由

15、式（11）亦可算出水环热泵空调系统与常规系统的运行能耗比。 105 算例 北京某建筑，标准层面积 2800m2，长宽=40m70m 内部负荷 40W/ m2，新风负荷 30m3/（人h），人员密度 0.1 人/ m2。 取周边区宽 5.4m，则外区面积为 Ap=（40+70）25.4-5.4m24=1071.36m2； 内区面积为 Ai=4070-1071.36=1728.64m2； 新风量 L=0.1302800=8400 m3/h。 于是，将计算结果列入表 2 和表 3 中。根据表中的数据可作出两个系统的能耗评价曲线，见图 9。图 9 水环热泵空调系统能耗评价图 新风单独处理的水环热泵空调系统（HPFC）能耗评价计算 表 2 初始条件地点 北京S(m2) 2800Sp(m2) 1072SI(m2) 1728a(m3/h) 8400Ldi(/Wm2) 1140建筑负荷特性参数64.53 40 0.653中间参数（查图得出）ckrPrkL1/2.50.021.25 0.6能耗评价参数12c=cPrK= kr + kLb=c（1-k） eb0.50.620.19 见下表水水热泵处理新风的水源热泵空调系统（WSHP）能耗评价计