基于bin法的溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統節能性研究

祝 健, 劉 饒, 姚 曜, 湯玲玲

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

基于bin法的溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統節能性研究

祝 健, 劉 饒, 姚 曜, 湯玲玲

(合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

文章結合工程案例,用溫度頻率法(bin法)計算溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統在制冷季的逐時能耗,并與其他2種熱泵空調系統逐項對比分析。研究結果表明:輸送系統和空調末端能耗在整個空調系統中也占有較大的比例,不容忽視;溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統比地源熱泵系統節能28.6%,比空氣源熱泵系統節能45.4%,節能效益明顯。研究結果和方法可為新型空調系統的設計選擇及性能評估提供參考。

bin法;溫濕度獨立控制;土壤源熱泵;能耗分析;節能

0 引 言

傳統空調系統能耗占到建筑總能耗40%以上[1]，因此暖通空調行業的節能潛力異?？捎^。近年來,由于在節能以及改善空氣品質等方面的優點,溫濕度獨立控制系統受到越來越多的關注[2],并且逐步被推廣應用[3-4];土壤源熱泵系統也因其在節能和環保方面的寬廣前景而受到廣泛重視和支持。文獻[5]對比分析了博物館采用溫濕度獨立控制空調系統和常規空調系統的能耗,結果表明溫濕度獨立控制空調系統的節能率為21.9%,并能夠保持室內的溫濕度在一個高的精度范圍內;文獻[6]以bin法為基礎,計算分析了地源熱泵系統與空氣源熱泵系統的夏季能耗,地源熱泵系統節能23.3%;文獻[7]以TRNSYS軟件為平臺,建立了溫濕度獨立控制系統基礎上的土壤源顯熱處理系統,通過與參考系統的全生命周期的比較,發現土壤源顯熱處理系統具有很好的節能和環保效益。這意味著,在暖通空調行業上合理地進行節能設計,對于社會總能耗的減少是很可觀的。溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統綜合了地源熱泵和溫濕度獨立控制系統的優點,在改善室內空氣品質的同時,也具有節能的特點。

目前對于溫濕度獨立控制的土壤源熱泵系統的研究還較少,并且缺少逐時能耗的分析;空調系統各個部位包括冷源、輸配系統、新風機組、末端等都占有一定的能耗比例。目前的能耗分析軟件(如DOE-2、eQUEST、HASP等)較為復雜,不適用于一般設計和運行管理人員。建筑物能耗簡算法中的溫度頻率法(bin法)按頻數計算能耗,簡便、直觀,易于被工程技術人員接受,且對于工程項目應用具有極好的精度[8],因此本文采用溫度頻率法對溫濕度獨立控制的土壤源熱泵系統的性能進行研究,以期為新型空調系統的選擇和應用效果的準確評估提供參考。

1 溫度頻率法

溫度頻率法是由美國采暖、制冷與空調工程師協會(American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers，ASHRAE)提出的一種簡化的能耗計算方法,其特征是根據地區的氣象參數,將室外干球溫度按一定間隔分段,統計各個溫度段中的溫度在全年或某一期間所出現的小時數,即時間頻數。假設室外干球溫度與建筑負荷(日射負荷、傳導負荷、內部負荷、滲透風和新風負荷)有著線性關系,根據相應的計算方法,可得到不同建筑空調負荷與室外溫度的關系式，依此計算建筑在不同溫度段的負荷,再乘以各溫度段的時間頻數,相加便得到建筑全年能耗量。由此分析系統的全年能耗趨勢,合理地進行空調系統的設計對比和運行管理[9]。

假設某個時刻的建筑負荷Q與室外空氣溫度t的關系為:

Q=Kt+C

(1)

其中,Q為某時刻的建筑冷負荷;K、C為冷負荷與室外干球溫度相關的常數;t為室外干球溫度。

假設當室外干球溫度為t1時,建筑的冷負荷為Q1;當室外干球溫度為t2時,建筑的冷負荷為Q2。由此可得方程組:

(2)

求解該方程組可得K和C值,然后帶入(1)式中,可得建筑冷負荷與室外干球溫度的線性函數。假定室外溫度為t1時不需要開啟空調,此時的建筑冷負荷Q1=0,則當外界溫度為t時建筑的冷負荷為:

(3)

根據從文獻[10]中獲得的合肥地區典型年氣象參數,對其中的逐時干球溫度以2 ℃為間隔,統計各溫度段小時數,整理得到合肥地區bin參數,見表1所列。

表1 合肥地區bin參數

2 工程實例

2.1 工程概況

項目地點位于安徽省合肥市濱湖新區,為某銀行系統內部培訓中心,空調系統24 h運行。建筑面積為11 757.77 m2,空調面積為8 020 m2,夏季總冷負荷為1 009 kW,夏季室內顯熱冷負荷為428 kW,夏季所需新風量為41 331 m3/h,從理論上計算分析3種系統在整個制冷期間的能耗:系統1,地源熱泵+干式風機盤管+獨立新風系統;系統2,地源熱泵+風機盤管+獨立新風系統;系統3,空氣源熱泵+風機盤管+獨立新風系統。

2.2 主機能耗

根據設計方案,當室外溫度為35.1 ℃時,系統1、系統2中地源熱泵機組承擔的冷負荷分別為386、1 009 kW,系統3中空氣源熱泵機組承擔1 009 kW冷負荷。

3種系統的冷熱源機組配置見表2所列，表2中COP為機組性能系數(coefficient of performance，COP)。

表2 3種系統的冷熱源機組配置

在合肥地區室外溫度達到26 ℃以上時,空調房間開始向室內提供冷量,則3種空調方案各熱泵機組承擔的冷負荷分別為Qf1、Qf2、Qf3,計算公式為:

(4)

(5)

(6)

其中,t為室外干球溫度。

根據(4)～(6)式可以得到3種空調系統在室外溫度大于26 ℃時任意溫度段內機組承擔的夏季冷負荷,28～38 ℃溫度段內機組承擔的冷負荷見表3所列。

表3 3種系統各溫度段對應的冷負荷 kW

系統1選用的機組COP為6.08,在冷負荷發生變化時假設機組的COP值不變,則機組的冷負荷為84.84 kW(室外溫度28 ℃)時,機組的輸入功率為P28=84.84/6.08=13.95 kW,根據合肥地區bin參數可知夏季室外溫度為28 ℃時的全年小時數為546,故溫濕度獨立控制的土壤源熱泵系統在夏季室外干球溫度為28 ℃溫度段內的全年能耗為152.2 kW·h。

3種系統中各溫度段對應的熱泵機組能耗見表4所列。對各溫度段內的能耗進行統計可知:3種系統中的熱泵機組在夏季的總能耗分別為3.809×104、 8.711×104、19.100×104kW·h,就系統的主機而言,在整個夏季制冷期間,系統1比系統2節能56.3%,系統1比系統3節能80.1%,而系統2比系統3節能54.4%。

表4 3種系統的熱泵機組能耗 kW·h

2.3 輸送系統能耗(水泵和風機)

2種地源熱泵系統水泵配置見表5所列,3種熱泵系統中各溫度段對應的冷凍水泵能耗見表6所列。

表5 2種地源熱泵系統水泵配置

表6 3種系統的冷凍水泵能耗 kW·h

當泵處在理想的變頻狀態(無級變頻)時,由表6可知,系統1冷凍水泵能耗為2.22×104kW·h,系統2和系統3冷凍水泵能耗為2.64×104kW·h。

根據系統熱泵機組承擔的冷負荷大小,可知各系統冷凝器散熱量,其中系統1地源側不僅要承擔主機的冷凝熱,還要承擔新風機組中直膨式冷卻系統中冷凝器的散熱量,基于能量守恒原則計算冷凝側熱量為:制冷量+壓縮機耗功=冷凝熱。與冷凍水泵能耗計算方法相同,可得系統1、系統2冷卻水泵能耗分別為2.22×104、6.59×104kW·h。

系統3的主機采用風冷形式,故冷凝側沒有水泵,取而代之的是風機,風機的功率為36 kW,當風機在變頻狀態時,采用與水泵能耗相同的計算方法可得出風機在制冷季節的能耗為2.16×104kW·h。

綜合上述分析,當輸送系統處在變頻狀態時,3種系統的能耗分別為4.44×104、9.23×104、4.80×104kW·h。

2.4 室內末端能耗

系統1中末端采用干式風機盤管,選擇了116臺風機盤管,總功率為24.940 kW;而系統2和系統3中末端采用風機盤管,選擇了116臺風機盤管,總功率為10.455 kW。3種系統風機盤管夏季運行總耗電量分別為∑PFP1、∑PFP2、∑PFP3，即

∑PFP1=24.940×1 340=

3.34×104kW·h

(7)

∑PFP2=∑PFP3=

10.455×1 340=1.40×104kW·h

(8)

2.5 新風機組能耗

通過除濕量校核,負荷計算所需新風量可以滿足溫濕度獨立控制系統中所需新風的要求,系統1選擇了14臺送風量為3 000m3/h的熱泵式溶液調濕新風機組,每臺功率為0.86kW,壓縮機輸入功率為10.9kW。系統2和系統3選擇了14臺送風量為3 000m3/h的新風機組,每臺功率為0.86kW。

系統2和系統3的新風機組夏季運行總耗電量分別為∑PXF2、∑PXF3,即

∑PXF2=∑PXF3=

0.86×1 340=0.12×104kW·h

(9)

系統1新風機組(直膨段)各溫度段對應的冷負荷和能耗見表7所列。

表7 系統1中新風機組(直膨段)各溫度段對應的冷負荷和能耗

而系統1新風機組的能耗由2個部分組成,即風機能耗和內置的直膨式冷卻的壓縮機能耗,壓縮機的能耗和主機的能耗采用一樣的算法,將表7各溫度段內對應的壓縮機能耗疊加,得到壓縮機在整個制冷期的能耗為2.18×104kW·h,則系統1新風機組夏季運行總耗電量為∑PXF1,即

∑PXF1=0.12×104+2.18×104=

2.30×104kW·h

(10)

綜合上述分析可知,系統1在夏季的總能耗為2.30×104kW·h，系統2和系統3在夏季的總能耗為0.12×104kW·h。

2.6 系統能耗分析

綜上所述,在整個制冷季期間,3種空調系統各組成部分的能耗見表8所列。

表8 3種系統各組成部分的能耗 104 kW·h

由表8可知,系統1溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統制冷季總能耗為13.89×104kW·h,其中輸送系統所占比例最大,達到31.97%,空調末端所占比例為24.05%;系統2常規地源熱泵系統制冷季總能耗為19.46×104kW·h,輸送系統所占比例最大,達到47.43%,末端能耗所占比例為7.19%;系統3空氣源熱泵系統制冷季總能耗為25.42×104kW·h,其中制冷機組能耗所占比例最大,達到75.17%,末端能耗所占比例為5.51%。

溫濕度獨立控制的土壤源熱泵系統相比于其他2種系統的節能率分別為28.6%和45.4%。具體到各部分,主機能耗節能率分別為56.3%和80.1%,對整個系統節能貢獻率最大;輸送系統的節能率分別為51.9%和7.5%,對整個系統的節能貢獻率次之;新風機組和空調末端能耗都比另外2種系統要高,原因是溫濕度獨立控制系統中的新風機組和空調末端運行要求比較高,耗能部位較多。

3 結 論

本文利用bin參數法對合肥某建筑的3種熱泵系統能耗進行了統計計算和對比分析,考慮了主機能耗、輸送系統能耗、新風機組能耗以及室內末端能耗。3種系統的制冷季能耗計算結果顯示,溫濕度獨立控制的土壤源熱泵系統的節能效果顯著,與地源熱泵+風機盤管+獨立新風系統和空氣源熱泵+風機盤管+獨立新風系統相比,節能率分別達到28.6%和45.4%。其中制冷主機的節能貢獻率最大,原因是溫濕度獨立控制系統中的主機只需承擔顯熱負荷,冷凍水進出水溫度提高,制冷效率有了較大提高;冬季供熱時期,溫濕度獨立控制系統末端溫度比常規系統溫度要低,能效比更高,而且不需擔心結露等空氣品質問題,因而溫濕度獨立控制土壤源熱泵系統在冬季會具有更大的優勢。另外,以往對于空調系統能耗的分析,大都只分析冷熱源機房部分,從本文工程實例來看,輸送系統和空調末端能耗也占有較大比例,最大可達到56%,因此,這2個部分的節能潛力也是很可觀的。

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(責任編輯 張淑艷)

Study of energy efficiency for temperature and humidity independent control with soil source heat pump system based on bin method

ZHU Jian, LIU Rao, YAO Yao, TANG Lingling

(School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

Based on an engineering case， the hourly energy consumption of the temperature and humidity independent control with soil source heat pump system in cooling season is calculated by using temperature frequency method(bin method), and the results are compared with the data of other two kinds of heat pump air conditioning systems. The results indicate that the energy consumption of the conveying system and the air condition terminal also accounts for a higher proportion， which cannot be ignored; the temperature and humidity independent control with soil source heat pump system has an obvious energy effect, its energy efficiency is 28.6% higher than that of the ground-source heat pump system and 45.4% higher than that of the air source heat pump system. The method and results can provide references for the choice of designs of new air conditioning system and its performance evaluation.

bin method; temperature and humidity independent control; soil source heat pump; analysis of energy consumption; energy saving

2015-09-18；

2015-12-03

合肥工業大學科學研究發展基金資助項目(2013HGXJ0410)

祝 健(1967-),女,安徽宿松人,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.016

TU831.31

A

1003-5060(2017)04-0511-05