關(guān)于水環(huán)熱泵空調(diào)的管理論文
摘要水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑余熱的一種具有節(jié)能和環(huán)保意義的空調(diào)系統(tǒng)形式。本文是以水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗動態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù),歸納總結(jié)出描述建筑特點的參數(shù)和空調(diào)系統(tǒng)能耗參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系,以此來評價建筑物采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能問題。
關(guān)鍵詞水環(huán)熱泵節(jié)能評價參數(shù)法
0引言
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)余熱的系統(tǒng),它的節(jié)能效果和環(huán)保效益是與氣象條件、建筑特點及輔助熱源形式(電鍋爐、燃煤鍋爐等)等因素有關(guān)的。而我國地域遼闊,各地區(qū)氣象條件差異很大,各地實際建筑形式與特點也各不相同。那么,在什么樣的場合選用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)才能收到最佳的效果和環(huán)保效益,這個問題始終是我們工程設(shè)計中先要明確的問題。
文獻[1]、[2]曾分析過這個問題,提出系統(tǒng)運行能耗的靜態(tài)分析法和計算機動態(tài)分析法。本文在此基礎(chǔ)上,以系統(tǒng)能耗動態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù),歸納總結(jié)出建筑特點(建筑物特征參數(shù))和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗(能耗評價參數(shù))間的內(nèi)在關(guān)系,從而提出一種能耗評價方法,稱為參數(shù)評價法。
1建筑物特征參數(shù)
所謂的建筑物特征參數(shù)是指用來描述建筑物內(nèi)外區(qū)面積、建筑物內(nèi)部負荷、新風負荷等特征的參數(shù)。本文提出
1.1建筑物負荷特性參數(shù)r
參數(shù)r定義為:
對于新風單獨處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng):
。1)
對于水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng):
。2)
式中r----建筑負荷特性參數(shù),W/m2;
Ai----建筑內(nèi)區(qū)面積,m2;
Ap----建筑外區(qū)面積,m2;
L----建筑新風量,m3/h;
----建筑內(nèi)部負荷,W/m2;
ξ----折算系數(shù),(m2·h)/m3新風負荷以ξ折算為與之相當?shù)闹苓厖^(qū)面積,
經(jīng)試算,其值為0.2~0.27,通常取為0.24。
由此可見,建筑負荷特性參數(shù)r的物理概念為建筑物外區(qū)單位面積所分攤的建筑內(nèi)部熱量。R越大,表明建筑物內(nèi)的余熱越多。
1.2建筑負荷密度y
參數(shù)定義為:
。3)
式中----建筑負荷密度,W/m2;
A----總面積,m2;
----建筑周圍邊地區(qū)當量負荷W/m2,其值見表1。
區(qū)當量負荷W/m2,其值見表1。
地點哈爾濱北京上海廣州
(W/m2)50403010
1.3參數(shù)ra
ra的定義為(4)
式中各符號同式(1)。
參數(shù)ra體現(xiàn)了建筑中新風負荷占總負荷的比例。
2水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價的比例
所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價參數(shù)是指用來描述水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗的主要信息。通過幾個參數(shù)就可對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況作出恰當?shù)脑u價。
2.1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價公式
文獻[2]中給出
E1=N1/ηn+B1/ηh1
E2=N2/ηn+B2/ηh2(5)
式中:E1、E2----分為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)(風機盤管加新風)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)一次能源的能耗,kWh;
N1、N2----分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電耗,kWh;
B1、B2----分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的熱耗,kWh;
ηn----電能總效率,%
ηh1、ηh2----分別為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)用熱的總效率供(kW從熱量/kW一次能源),%
令E1=E2,可得
。6)
記k=B2/B1,b=(N2-N1)/B1,ηnh1=ηn/ηh1,ηnh2=ηn/ηh2。
式中,ηnh為電熱效率比,則式(6)可寫為:
ηnh1=kηnh2+b(6a)
稱式(6a)為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價公式。由此可見,當ηnh1>kηnh2+b時,則E1>E2,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)少;反之,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗多。
由式(6a)可見,ηnh1與ηnh2呈線性關(guān)系,如圖1所示,則線上方區(qū)域的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能區(qū),線下方為非節(jié)能區(qū)。當常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)熱電效率比ηnh1<b時,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論采用何種輔助熱源方式,都是不能的。
圖1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價區(qū)
b是直線的截矩,k是斜率,我們可以把k和b視為二個能耗評價參數(shù)。除此之外,還提出了第三個參數(shù)c。
當兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同的'熱源形式時,ηh1=ηh2,即ηnh1=ηnh2,則由式(6)可得:
。7)
令c=(N2-N1)/(B1-B2)(7a)
(c,c)為能耗評價線上的一個特征點(見圖1),c點表明兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同熱源形式時,電耗差值與熱耗差值之比。
參數(shù)c的意義為:當水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)輔助熱源形式與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相同時(ηh1=ηh1=ηh),若其電熱效率比ηnh>c,則有E2<E1,反之,當ηnh<c,則有E2>E1。
由式(6a)易得:
b=c·(1-k)(8)
但應注意,影響電耗差值大小的因素主要是:一是運行工況不同,引起兩種空調(diào)系統(tǒng)電耗不同,二是水泵的控制方式不
同,使兩種空調(diào)系統(tǒng)電耗差異很大。為此,將c值作如下處理:
式中P1、P2--分別常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)和水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中水泵的電耗,kWh。
。9)
(10)
2.2空調(diào)系統(tǒng)電熱能耗比
為了能對兩種空調(diào)系統(tǒng)得出能耗相差多少,而提出第4個評價參數(shù)eb。由式(5)、(6a)可得出兩系統(tǒng)能耗比為:
。11)
記eb=N1/B,η0=ηnh2+b,則
。11a)
式中:η0----與水環(huán)熱泵系統(tǒng)能耗相同時,常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應有的電熱效率比;
eb----常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)電、熱能耗之比:
其余符號同前。
通過上述分析,欲對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)作出能耗評價,可通過四個評價參數(shù)k,b,c(或c′),eb作出評價。因此,如何求得四個評價參數(shù)是解決問題的關(guān)鍵。
3建筑負荷特征參數(shù)與水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價參數(shù)之間的關(guān)系
研究此問題的目的就是找到如何由建筑負荷特征參數(shù)求得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價參數(shù)。
3.1r~1/c′曲線的繪制
對于某一建筑,由式(1)、(2)可直接得出建筑負荷特性參數(shù)r。而利用空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬程序,分別模擬出建筑物使用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和風機盤管空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況[2],再由公式(9)可得c′值。選取30種不同形式(規(guī)模、內(nèi)部負荷不同)的建筑物進行模擬計算[3],對上海地區(qū)采用新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的模擬結(jié)果繪于圖2上。
由圖2可見,隨著r的增大,建筑中的負荷成分不斷變化,由余熱不足到余熱過剩,c′值也先減小后增加,而其中處于峰值點的建筑便是最適于使用于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)建筑。
圖2上海地區(qū)采用新風獨立處理的水環(huán)熱泵的空調(diào)系統(tǒng)r~1/c′的相應關(guān)系
在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與水環(huán)熱泵空調(diào)熱源形式相同的前提下,若忽略泵耗能的差異,僅通過r~1/c′圖就可以評價不同建筑采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況。
例如在熱源為燃煤鍋爐,條件下,在圖2中作r/c′=1/0.386=2.6的基準線,則滿足r=15~45W/m2的建筑,其1/c′值位于其基準線上方,這就是說在上海,新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在這類建筑中使用才是節(jié)能
的。
按上述方法,同樣繪制出新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在哈爾濱、北京、上海、廣州等地的r~1/c′圖,如圖3(a)、(b)。
圖3四個城市中r~1/c′曲線
(a)新風單獨處理的水源熱泵系統(tǒng)(HPFC);(b)水-水熱泵處理新風的水源熱泵系統(tǒng)(WSHP)
1-哈爾濱;2-北京;3-上海;4-廣州
3.2~pr曲線
圖4(a)~4(b)分別給出新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國四個城市的~pr曲線圖。
圖4~pr曲線
(a)新風單獨處理的水源熱砂系統(tǒng)(HPFC);(b)水-水熱泵處理新風的水源熱泵系統(tǒng)(WSHP)
3.3能耗評價參數(shù)k與建筑負荷特性參數(shù)r的關(guān)系
通過同上的模擬計算方式,將k的模擬結(jié)果與r的關(guān)系歸結(jié)為k~r曲線。對于水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),k~r的對應規(guī)律較好。由圖5可見,隨著r的增大,建筑物內(nèi)余熱的增多,參數(shù)k趨近于0,即系統(tǒng)的鍋爐能耗趨于0。不難看出,如在上海,當其建筑負荷特性參數(shù)達到30W/m2時,其系統(tǒng)可不設(shè)輔助加熱系統(tǒng)。
圖5水-水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)k~r曲線
1-哈爾濱;2-北京;3-上海;4-廣州
對于新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),由于其新風獨立處理,因而其總供熱能耗中包括兩種性質(zhì)的能耗。承擔房間負荷的水環(huán)熱泵系統(tǒng)部分的供熱能耗特性與反映建筑余熱量的建筑負荷參數(shù)r有一定的關(guān)系,而新風部分的供熱能耗與反映新風負荷占總熱負荷比例的參數(shù)kL有關(guān)。為此處理如下:
。12)
式中:B2r----用于房間供熱的熱源能耗;
BL----用于新風的熱源能耗;
kr----kr=B2r/B1;
kL----kL=BL/B1。
新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在四個城市中的kr~r,kL~ra的關(guān)系示于圖6和圖7上。當求得c、k后,可由式(8)計算出b參數(shù)。
圖6新風獨立處理時水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kr~r關(guān)系圖圖7新風獨立處理時水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kL~ra關(guān)系圖
1-哈爾濱;2-北京;3-上海;4-廣州
3.4eb與r的關(guān)系
參數(shù)eb是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的電熱能耗比,eb與r的關(guān)系示于圖8(a)、(b)上。計算中應注意,這里的參數(shù)r值應由公式
。2)計算得出。
圖8四城市中的關(guān)系圖
1-哈爾濱;2-北京;3-上海;4-廣州
4參數(shù)評價法的評價步驟
4.1取得建筑物的基本參數(shù):建筑地區(qū)、周邊區(qū)面積Ap、內(nèi)區(qū)面積Ai、新風量L及建筑內(nèi)部負荷。
4.2計算建筑負荷特性參數(shù):根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)計算出r、、ra三個負荷特性參數(shù)。
4.3根據(jù)由模擬結(jié)果繪制出的圖,查得有關(guān)參數(shù)。
(1)參數(shù)c
由參數(shù)r查圖3得c′,由參數(shù)查圖4得pr,則可求得c=c′·pr。
。2)參數(shù)k
對于水--水熱泵處理新風的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),由參數(shù)r查圖5得k值;對于新風獨立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),由參數(shù)r查圖6得kr,由參數(shù)ra查圖7得kL,則可求k=kr+kL。
。3)參數(shù)b
b-c·(1-k)
(4)參數(shù)eb
由參數(shù)r(由公式(2)求出)查圖8可得eb能耗評價曲線;由式(11)亦可算出水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運行能耗比。
5算例
北京某建筑,標準層面積2800m2,長×寬=40m×70m內(nèi)部負荷40W/m2,新風負荷30m3/(人·h),人員密度0.1人/m2。
取周邊區(qū)寬5.4m,則外區(qū)面積為Ap=(40+70)×2×5.4-5.4m2×4=1071.36m2;
內(nèi)區(qū)面積為Ai=40×70-1071.36=1728.64m2;
新風量L=0.1×30×2800=8400m3/h。
于是,將計算結(jié)果列入表2和表3中。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可作出兩個系統(tǒng)的能耗評價曲線,見圖9。
圖9水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價圖
新風單獨處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)(HPFC)能耗評價計算表2初始條件地點
北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072SI(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(/Wm2)
40
建筑負荷特性參數(shù)
64.53400.653
中間參數(shù)(查圖得出)c′krPrkL
1/2.50.021.250.6
能耗評價參數(shù)c=c′×PrK=kr+kLb=c×(1-k)eb
0.50.620.19見下表
水-水熱泵處理新風的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)(WSHP)能耗評價計算表表3
初始條件地點北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072Si(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(W/m2)
40
建筑負荷特性參數(shù)
22.3940
中間參數(shù)(查圖得出)c′kebPr
1/3.10.210.41.16
能耗評價參數(shù)c=c′×Prkb=c×(1-k)eb
0.3740.210.2920.4
表4中給出六種空調(diào)方案,對于每種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案,總有一個ηnh1值使常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與之相等。利用能耗評價曲線,可以將每種水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案折成與之能耗相當?shù)某R?guī)系統(tǒng)方案(ηh1軸上)。則易得出:六個空調(diào)方案能耗由少到多,依次為6、2、4、5、3、1。
六種空調(diào)方案表4
方案編號空調(diào)系統(tǒng)形式熱源形式
1風機盤管系統(tǒng)電鍋爐ηnh=1
2風機盤管系統(tǒng)燃煤鍋爐ηnh=0.386
3新風單獨處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)(HPFC)電鍋爐ηnh=1
4新風單獨處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)(HPFC)燃煤鍋爐ηnh=0.386
5水源熱泵,水-水熱泵處理新風(WSHP)電鍋爐ηnh=1
6水源熱泵,水-水熱泵處理新風(WSHP)燃煤鍋爐ηnh=0.386
利用公式(11a),可以進一步得出幾種空調(diào)方案的能耗比。計算結(jié)果列入表5中。
六個空調(diào)方案運行能耗比較表5
方案基準方案:1
ηnh=1eb=0.4運行能耗:1.0
ηnh=1kbη0=kηnh2+b相對能耗
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結(jié)束語
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)余熱的系統(tǒng)。設(shè)計時,應先判斷該方案是否節(jié)能。為此,提出一種運行能耗的參數(shù)評價法,在工程設(shè)計中,是有實際應用價值的。
參考文獻
1馬最良,曹源,閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗的靜態(tài)分析,哈爾濱建筑大學學報,1997(6):68
2馬最良,曹源,閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗的計算機模擬分析,哈爾濱建筑大學學報,1998(3):57
3曹源,閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗分析及其在我國應用的評價:[碩士學位論文]。哈爾濱建筑大學圖書館,1996年。
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