水环热泵空调系统最佳循环水温研究

第28卷第4期建筑热能通风空调Vol 28 No 42009年8月Building Energy& environmenAug200941-44文章编号:10030344(200)040414水环热泵空调系统最佳循环水温研究刘天伟杜垲东南大学能源与环境学院摘要:通过计算水环热泵机组的制冷能效比和制热性能系数,得出了不同循环水温下水环热泵空调系统的一次能耗。结果表明:在冷热负荷比Ra<1的情况下,应尽量提高循环水温,改善热泵T作性能以降低一次能耗;过渡季节Rω>1且系统循环水温为20℃左右时,系统一次能耗量不受建筑冷热负荷比的影响,为一定值;当Ra接近于1时,水环热泵系统能够在水环路内实现较好的热平衡,系统一次能耗量受循环水温的影响较小。关键词:水环热泵循环水温冷热负荷比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引言水环热泵空调系统是一种既把循环水作为吸热热源又当作散热热汇的分散式系统。该空调系统通过在人口和经济迅速增长的当今社会能源的消耗个两管制闭合水环路将一些不同型号形式的小型和枯竭是人类面临的重要问题。所以,任何一种新型水源热泵机组并联连接起来。这种非集中的、全年能空调系统的产生与应用,必须是建立在能够降低能源够同时实现供冷和供热的两管制系统,通过这个闭合消耗的基础上。水环热泵( Water Loop Heat Pump,的水环路使循环水连续不断地在幣个建筑物中循环。WLHP)空调系统作为一种以回收建筑余热为日的的典型水环热泵空调系统的工作原理如图1所示。新型节能空调系统,就是在这种社会背景下应运而生《公共建筑节能设计标准》(GB501892005)中指的。该空调系统具有在建筑物内部进行冷热量迁移的出:“水环热泵空调系统是一种热回收式空调系统;对特点。对于冬季的建筑供热来说实际上是利用建筑内于有较大内区且常年有稳定的大量余热的办公商业部的发热量,从而减少了外部供给建筑的供热量需等建筑而言宜采用水环热泵空气调节系统”。在办公求,是一种节能的系统形式。建筑中,由于人员、照明、办公设备等均会散发热量,其收稿日期:2008-1215作者简介:刘天伟(1984),男,硕上:研究生;南京市四牌楼2号东南大学能源与环境学院(210096); E-mail: tianwan@163com基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点项目(No:2008BAJ2B02)建筑热能通风空调2009年散热量通常在30~60Wm2之间。而商业建筑的内部2水环热泵机组性能计算散热量通常在40~150W/m2之向。国内学者研究表明四,水环热泵空调系统在我国大部分地风的公共建由前面分析可知,当辅助热源采用非电锅炉(如燃筑中可用,主要包括长江沿岸及其以北地区。由此看煤、燃气锅炉)时,整个水环热泵空调系统的一次能耗来水环热泵空调系统在我国具有广阔的应用前景。与循环水温构成一一对应的关系。然而,为了知道循环水温对整个空调系统运行一次能耗的影响情况,首■日先需要计算出各种循环水温条件下,水环热泵机组的制冷能效比和制热性能系数。现考虑采用小型分体式或整体式水环热泵机组为空调房间提供冷量和热量小型水环热泵机组制冷工况和制热工况计算参数取值如下:1)制冷工况:夏季室内设定温度为27℃,蒸发温枚式热器度取5℃;冬季和过渡季节室内设定温度为24℃,蒸水热家制热1况打水环泵制1况还打发温度t取3℃。冷凝温度t取循环水温L+5℃,水环图1典型水环热泵空调系统原理图热泵循环水进出口温差取5℃。2)制热工况:冬季室内设定温度为20℃,冷凝温水环热泵循环水温范围度取43℃;过渡季节室内设定温度为24℃,冷凝温度l取45℃;蒸发温度t取循环水温L-5℃,水环热水环热泵空调系统的节能效果受到各种因素的泵循环水进出口温差取5℃影响包括建筑所处的气候类型建筑形式建筑内部计算中,蒸发器有效过热度取3℃,无效过热度取负荷以及环路循环水温。在其他条件不变的情况之2℃;冷凝器过冷度取3℃;压缩机排气压力等于冷凝下,循环水温是水环热泵机组运行能耗的决定性因压力,吸气压力为蒸发压力。本文计算中小型封闭式素。循环水温升高制热工况下运行的水环热泵机组涡旋压缩机的等熵效率n取0.5。选择制冷剂为的蒸发温度升高,其制热性能系数(COP)增大。而此R22水环热泵机组制冷能效比和制热性能系数计算时,制冷工况下运行的水环热泵机组的冷凝温度升结果如图2、图3所示高其制冷能效比(EER)减小。因此,整个水环热泵空调系统的效率与能耗与循环水温之间存在着函数关系。可以通过优化环路循环水温来降低水环热泵空调系统的全年运行能耗。关于水环热泵空调系统的循环水温范围,国内外的标准不完全一样,国内多为15~35℃或16~35℃之间而国外一般为16~32℃,但相差不大。之所以这样取值,一方面是根据我国具体气候条件,较大的温度隔坏水术虚T℃)范围可以减少冷却塔和辅助加热设备的开启时间,另图2制冷能效比随循环水温的变化一方面是因为与室温接近的循环水温热损失较小,水环循环管路无需保温,而且不会造成管道表面结露叼。因此,根据我国水环热泵空调系统的实际使用情况,本文计算中循环水温范围取15~35℃。当大部分水环热泵机组按制冷工况运行,向循环水环路释放的冷凝热使环路水温超过35℃时,开启冷却塔散热降低循环水温。在冬季,当大部分水环热泵机组按制热工况运行,环路循环水作为热泵机组的直接热源,温度不断下降。当温度低于15℃时通过控制系统开启锅炉或其他辅助加热设备,使循环水温保持在15℃以上图3制热性能系数随循环水温的变化第28卷第4期刘天伟等:水环热泵空调系统最佳循环水温研究3水环热泵运行能耗计算式中:Qa为冷却塔散热量,W。当建筑供暖空调负荷以空调冷负荷为主时,△Qm台水环热泵制冷耗电量为E,计算公式如下:0,水环热泵空调系统的一次能耗量为:E÷数(Be+B)+—Qa式中:E为m台水环热泵机组制冷丁况运行的耗电式中Em为以供冷为主的水环热泵空调系统运行一次量kW:;Qa为第i台水环热泵机组的制冷量,kW;能耗量,kW;r为冷却塔性能系数,定义为冷却塔排EER为第i台水环热泵机组的制冷能效比,wW热量与耗电量(包括冷却水泵耗电量)之比m台制冷工况运行的水环热泉机组向循环水环路的散热量为Q。计算公式如下:4最佳循环水温EER在冬季和过渡季节,建筑具有同时供冷和供热的式中:Q为m台水环热泵机组向循环水环路的散热需求。建筑冷热负荷比Ra定义为:建筑同时供冷负荷量kW。和供热负荷的比值。在不考虑设置蓄热水箱的情况下n台水环热泵制热耗电量为En,计算公式如下现假设建筑供暖空调总负荷为1000kW(含新风负(3)荷):同时假设循环水泵的功耗不随冷热负荷比及循环水温而变化。为使问题简化,本文只计算水环热泵式中:EH为n台水环热泵机组制热工况运行的耗电空调系统的冷热源设备运行一次能耗。火电站发电效量kW;Q为第j台水环热泵机组的制热量 kW: COP率m一般在0.25~0.35之间,现m取03输配电效为第j台水环热泵机组的制热性能系数,ww。率m取0.9,则发电总效率η=ηm2=0.27;燃气锅炉热n台制热工况运行的水环热泵机组向循环水环路效率η取089。一般排出1kW热量冷却塔所需耗的吸热量为Q=计算公式如下:电量为001kW,因此v取为100。COP-1冬季不同建筑冷热负荷比Ra情况下,水环热泵COP(4)空调系统的一次能耗随循环水温的变化如图4所示式巾:Q为n台水环热泵机组向循环水环路的吸热量kE系统水环路总热量得失的判断公式为:(5)如果ΔQ>0,系统开启锅炉加热循环水,其辅助加热量为COP B,)-ECER(6)EER东斜水7℃)式中:Q为锅炉辅助加热量kW。图4冬季运行一次能耗随循环水温的变化当建筑供暖空调负荷以供暧热负荷为主时,△Q>0,水环热泵空调系统的一次能耗量为图4表明,冬季建筑冷热负荷比Ra<1时,建筑供Bo+=-(Ec+Ex)+-e(7)暖空调负荷以供暖热负荷为主,系统运行一次能耗量随循环水温的升高而减小。同一供水温度下,冷热负式中:E为以供暖为主的水环热泵空调系统运行一次荷比越小,一次能源消耗量越大。Ra0表示水坏热泵能耗量kW;n为火电站发电及输配电总效率;为机组冷负荷为0各台机组都按制热工况运行,在各供燃煤(气)锅炉热效率。水温度下,空调系统一次能耗值最大。随着冷热负荷如果ΔQ<0,系统开启冷却塔降低循环水温冷却比的增大,系统热回收能力增强,节能效益增大。当冷塔散热量为:热负荷比接近于1时,系统一次能耗量儿乎不受循环DQ)(水温的影响。因此在冷热负荷比Ra>1的情况下,应尽量提高循环水温,改善热泵的工作性能以降低一次44建筑热能通风空209年能耗。式中:Q和Q分别表示建筑同时供冷负荷和供热负当冷热负荷比Ra=1时,系统运行一次能耗量随荷kW。循环水供水温度的升高而增大。此时,系统空调冷负当Tw=20℃时,a=0.8702,b=0.8688,二者相差甚荷占主导,大部分水环热泵机组按制冷工况运行,供微,冷热负荷比对一次能耗影响很小;当T>20℃时水温度升高,机组制冷能效比减小能耗增加。因此,ab,供热能耗占主导,Ra越大,则一次果,减少能耗能耗反而越小。因此,在过渡季节Ra较大的情况下,过渡季节不同冷热负荷比Ra情况下,水环热泵实际运行中为了使整个系统在最佳状态下运行,冷却空调系统的一次能耗随循环水温的变化如图5、图6塔应满负荷运行以使循环水温降低并控制维持在所示。20℃左右。5结论:时学通过本文研究,得出如下结论1)在冬季和过渡季节冷热负荷比Ra<1的情况下,建筑供暧空调负荷以供暖热负荷为主,大部分水环热泵机组按制热模式运行。此时,应尽量提高循环水温,改善热泵工作性能以降低整个空调系统的一次图5过渡期运行一次能耗随循环水温的变化能耗2)过渡季节冷热负荷比Rω>l且循环水温为20℃时,一次能耗量不受建筑冷热负荷比的影响,始终为一定值。3)从计算结果中可以发现,当冬季和过渡季节建筑冷热负荷比接近1时,水环热泵系统能够在环路内实现较好的热平衡,系统一次能耗量受循环水温的影响较小。图6过渡期运行一次能耗随循环水温的变化参考文献[]郎四维公共建筑节能设计标准宜贯辅导教材M北京:中国从图5中可以发现,过渡季节冷热负荷比Ra<建筑T业出版社,2005时系统一次能源消耗量同冬季一样,随着循环水供2马良,源闭式环路水源热泵空调系统运行能耗的静态分水温度的升高而减小;同一供水温度下,Ra越小析门哈尔滨建筑大学学报199,306:68743]齐贺年水环热泵空调系统的应用研究D西安:西安建筑科次能耗量越大技大学,2000图6表明,过渡季节Rax>1时,系统一次能耗量(]吴薇空气源-水源热泵复合热泵循环系统的性能研究D]南随着循环水温的升高而增大。Ra越大能耗量随循环京:东南大学,2005水温增加的幅度越大。当循环水温为20℃时,过渡季5] Cristian Cuevas, Jean Lebrun. Testing and modeling of a variable节不同冷热负荷比条件下,一次能耗量为一定值。当speed scroll compressor P]. Applied Thermal Engineering, 2009,循环水温大于20℃时,同一供水温度下,Ra越大29:469-478次能耗量越大。而当循环水温小于20℃时,同一供水6中国人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准GB501892005S1北京:中国建筑工业出版社,2005温度下,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这是因为Ra>1时,水环热泵空调系统运行一次water-loop heat pump, variable-air-volume, and reheat HVAC能耗按式(9)计算代入具体的计算参数后式(9)可简systems: partI []. ASHRAE Transactions, 1993, 99(2): 13-28化成以下形式:Bo=a gc+beH