水环热泵空调管理论文

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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，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

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

1．1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/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；

ξ----折算系数，（m2·h）/m3新风负荷以ξ折算为与之相当的周边区面积，

经试算，其值为0.2～0.27，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。

1．2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。

区当量负荷W/m2，其值见表1。

地点哈尔滨北京上海广州

(W/m2)50403010

1.3参数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。

2.1水环热泵空调系统的能耗评价公式

文献[2]中给出

E1=N1/ηn+B1/ηh1

E2=N2/ηn+B2/ηh2（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，kWh；

B1、B2----分别为常规空调系统、水环热泵空调系统的热耗，kWh；

ηn----电能总效率，%

ηh1、ηh2----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,ηnh1=ηn/ηh1,ηnh2=ηn/ηh2。

式中，ηnh为电热效率比，则式（6）可写为：

ηnh1=kηnh2+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ηnh1>kηnh2+b时，则E1>E2，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，ηnh1与ηnh2呈线性关系，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ηnh1＜b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。

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，ηh1=ηh2，即ηnh1=ηnh2,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：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（ηh1=ηh1=ηh），若其电热效率比ηnh>c，则有E2＜E1，反之，当ηnh＜c，则有E2＞E1。

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：

（11）

记eb=N1/B,η0=ηnh2+b，则

（11a）

式中：η0----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。

3．1r～1/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r～1/c′的相应关系

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r～1/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。

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=15～45W/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r～1/c′图，如图3（a）、（b）。

图3四个城市中r～1/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

3．2～pr曲线

图4（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)

3．3能耗评价参数k与建筑负荷特性参数r的关系

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k～r曲线。对于水-水热泵处理新风的水环热泵空调系统，k～r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，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k～r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kr～r，kL～ra的关系示于图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kr～r关系图图7新风独立处理时水环热泵空调系统kL～ra关系图

1-哈尔滨；2-北京；3－上海；4－广州

3．4eb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

4．1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。

4．2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。

4．3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=c′·pr。

（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。

5算例

北京某建筑，标准层面积2800m2，长×宽=40m×70m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）×2×5.4-5.4m2×4=1071.36m2；

内区面积为Ai=40×70-1071.36=1728.64m2；

新风量L=0.1×30×2800=8400m3/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)

40

建筑负荷特性参数

64.53400.653

中间参数（查图得出）c′krPrkL

1/2.50.021.250.6

能耗评价参数c=c′×PrK=kr+kLb=c×（1-k）eb

0.50.620.19见下表

水－水热泵处理新风的水源热泵空调系统（WSHP）能耗评价计算表表3

初始条件地点北京S(m2)

2800Sp(m2)

1072Si(m2)

1728a(m3/h)

8400Ldi(W/m2)

40

建筑负荷特性参数

22.3940

中间参数（查图得出）c′kebPr

1/3.10.210.41.16

能耗评价参数c=c′×Prkb=c×（1-k）eb

0.3740.210.2920.4

表4中给出六种空调方案，对于每种水环热泵空调系统方案，总有一个ηnh1值使常规空调系统与之相等。利用能耗评价曲线，可以将每种水环热泵空调系统方案折成与之能耗相当的常规系统方案（ηh1轴上）。则易得出：六个空调方案能耗由少到多，依次为6、2、4、5、3、1。

六种空调方案表4

方案编号空调系统形式热源形式

1风机盘管系统电锅炉ηnh=1

2风机盘管系统燃煤锅炉ηnh=0.386

3新风单独处理的水环热泵系统（HPFC）电锅炉ηnh=1

4新风单独处理的水环热泵系统（HPFC）燃煤锅炉ηnh=0.386

5水源热泵，水-水热泵处理新风（WSHP）电锅炉ηnh=1

6水源热泵，水-水热泵处理新风（WSHP）燃煤锅炉ηnh=0.386

利用公式（11a），可以进一步得出几种空调方案的能耗比。计算结果列入表5中。

六个空调方案运行能耗比较表5

方案基准方案：1

ηnh=1eb=0.4运行能耗：1.0

ηnh=1kbη0=kηnh2+b相对能耗

2///0.3860.56

310.620.190.810.864

40.3860.620.190.4290.592

510.210.2920.5020.644

60.3860.210.2920.3730.552

6结束语

水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统。设计时，应先判断该方案是否节能。为此，提出一种运行能耗的参数评价法，在工程设计中，是有实际应用价值的。

参考文献

1马最良，曹源，闭式环路水源热泵空调系统能耗的静态分析，哈尔滨建筑大学学报，1997（6）：68

2马最良，曹源，闭式环路水源热泵空调系统能耗的计算机模拟分析，哈尔滨建筑大学学报，1998（3）：57

3曹源，闭式环路水源热泵空调系统运行能耗分析及其在我国应用的评价：[硕士学位论文]。哈尔滨建筑大学图书馆，1996年。