基于北京地区的空气源热泵能耗分析及节能改造优秀毕业论文.pdf

基于北京地区的空气源热泵能耗分析基于北京地区的空气源热泵能耗分析 及节能改造及节能改造 energy consumption and energy saving based on the beijing area for air source heat pump 学科专业 机械制造及其自动化 研 究 生 王建民 指导教师 李惟毅 教授 天津大学机械工程学院 2012 年 5 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 摘摘 要要 本文以北京某商业建筑为研究对象 通过选择典型性房屋作为测试对象 实 测空调运行的各项数据 对空气源热泵空调系统在该建筑运行的相关运行参数进 行汇总 通过对北京地区气候条件 空气源热泵系统对环境条件的要求 实际运 行时的实测数据的分析和在此基础上进行的对普通水源热泵空调模拟分析研究 比较 讨论了该系统在北京地区应用的可行性和经济性 为北京地区以及周边类 似气候的地区应用空气源热泵空调系统的设计提供了参考 也为进一步的研究打 下基础 研究表明 空气源热泵系统在北京地区应用是可行的 但在冬季有空调房间 舒适性差 机组系统工作不稳定 结霜等情况 针对以上情况 本文对系统的改 造提出了两种方案 即水源 空气源热泵改造 太阳能辅助空气源热泵改造 针 对研究对象 通过对系统模拟 利用相关的数据 通过能耗分析模拟计算 得出 结论 在方案一中 采用储水蓄能和除霜的技术 使空气源热泵冬季运行可靠性 能效比 热舒适性都有所提高 由于系统简单 投入低 比较适合于改造工程 但还不能从根本上解决低温工况下空气源热泵热效率低的问题 在方案二中 利 用太阳能作为蒸发器的热源或者辅助热源 使室外的蒸发环境得到改善 机组的 能效比有所提高 运行费用降低 能够有效解决冬季空气源热泵效率低的问题 但其改造投资也相对较高 成本回收时间比较长 本文对于空气源热泵技术在北京全年运行的特点进行了分析 对于传统空气 源热泵空调提出了合理的改进意见 达到了节能的目的 为提高与北京气候类似 的寒冷地区的建筑空调节能水平提供参考性解决方案 关键词 关键词 北京地区 空气源热泵 能耗分析 节能改造 abstract start by selecting a building in beijing to study the data through the typical housing as a study site the measured air conditioning running aggregate air source heat pump system operating parameters in the running of the building by the climatic conditions of the beijing area air source heat pump system to environmental conditions the actual run time analysis of the measured data and on this basis than to explore the ordinary water air conditioning simulation analysis of the system in the beijing area the feasibility and economy provides practical guidance for the beijing area and the surrounding areas of similar climatic application of air source heat pump system also made preparations for further study studies have shown that air source heat pump system in the beijing area is quite feasible but in winter the air conditioned room is uncomfortable the unit system is instability and frosting there are two options to system energy saving for the above one is water air source heat pump transformation the other is transformation of solar assisted air source heat pump the article closely linked to the study came to conclusion through the construction of system simulation and scientific analysis of energy consumption simulation calculation construction by using the related dada transformation scheme storage energy to water and then release the energy to defrost so that the operation reliability energy efficiency ratio thermal comfort of the air source heat pump system is improved in winter because of the simpler system and the lower investment the program is more suited to the renovation project but it cannot fundamentally solve the problem that the heat efficiency of air source heat pump is not enough under the low temperature environment reconstruction scheme of two using solar energy as the evaporator heat or auxiliary heat source so that the situation of evaporation of outdoor is improved greatly unit energy efficiency ratio is greatly improved and operation cost is greatly reduced the second program can completely make the efficiency of the air source heat pump grow in winter but its initial investment of transformation is relatively high the cost recovery needs very long time in this paper the application feasibility of the air source heat pump technology in beijing throughout the year to run is analyzed the reasonable and scientific improvements are put forward to the traditional air source heat pump air conditioning technology it achieves the purpose of saving the energy and gives some reference to deal with the building energy saving questions of cold region similar beijing key words beijing area air source heat pump energy consumption energy saving 目 录 第一章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 研究意义 目的 2 1 3 国内外研究现状 4 1 4 本课题的主要研究内容 5 第二章 空气源热泵 6 2 1 热泵技术的发展历史 6 2 2 空气源热泵的工作原理 6 2 3 空气源热泵在我国推广面临的问题 7 2 4 空气源热泵的优势 8 2 5 空气源热泵性能的评价方式 10 2 6 空气源热泵的改进途径 11 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 12 3 1 实际项目概况 12 3 2 实测数据分析 13 3 3 数据分析结论 17 3 4 改造方案 19 第四章 水源 空气源热泵复合系统方案 21 4 1 水源热泵原理及适用性分析 21 4 2 水源 空气源热泵原理 22 4 3 水源 空气源热泵方案设计 23 4 4 水源 空气源热泵能耗计算及分析 24 4 5 水源 空气源热泵经济性分析 27 4 6 改造方案一结论 28 第五章 太阳能辅助空气源热泵系统方案 30 5 1 太阳能利用方式 30 5 2 太阳能辅助空气源热泵系统原理 31 5 3 太阳能辅助空气源热泵系统设计 32 5 4 太阳能辅助空气源热泵系统能耗计算及分析 33 5 5 太阳能辅助空气源热泵经济性分析 34 5 6 改造方案二结论 37 第六章 结论对比分析与展望 39 参考文献 41 致谢 44 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题背景 能源是关乎社会发展和人类生存最重要的资源 是当今可持续发展中的重要 课题 自欧洲工业革命以来 随着全球工业化的进程不断加大 尤其是近几十年 发展中国家的快速崛起带动全球经济的迅猛增长 使得人们对于能源的依赖度越 来越大 而这些能源大多是不可再生的能源 这也引发了全球关注的问题 能 源枯竭 能源消耗之后随之而来的全球变暖问题已经成了人们另一个无法忽视的 问题 在各种能源中 煤燃烧产的生 co2排放量十分巨大并是全球变暖的罪魁 祸首 而现在煤炭仍然是工业最重要的能源之一 在经济得到了一定发展的现今 全世界各国人民已经重新审视发展的代价 节约能源和保护环境成为了世界各国 人民包括发达国家和发展中国家共同面临的难题 我国自从上世纪八十年代改革开放以来 经济发展进入到上升通道 全国 gdp 每年以两位数的速度递增 能源需求量增长旺盛 而我国的能源生产能力 落后于需求的增长 加之我国能源矿藏的特点和能源利用率偏低 使目前出现了 能源短缺和环境污染问题 已经严重影响到我国国民经济发展 我们国家的能源 前景不容乐观 有数据表明我国煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平 的 50 石油 天然气人均资源量仅为世界平均水平的 1 15 左右 耕地资源不 足世界人均水平的 30 而北京作为我国政治经济中心 能源的使用量大大高于 其他地区 大气污染问题也不容乐观 城市空气质量排名在全国城市中居于下游 如能够节约北京地区的能源消耗则能在很大程度上降低了能源的使用量 同时能 够在一定程度上改善北京现有城市空气污染状况 为全国节约能源 保护环境做 出表率 北京是一个拥有 2000 万人口的大都市 工商业发达 建筑物密集 建筑能 耗在城市能耗中占有相当高的比例 而在所有建筑能耗中 暖通空调能耗占到一 半以上 随着社会发展和人民生活水平的不断提高 空调的普及率进一步提高 这将会使空调能耗总量继续增长 北京住宅建筑中第二大能耗来源于生活热水 据有关文献统计 在我们国家住宅中用于制取生活热水的能耗约为家庭全年总能 耗的 20 1 目前 北京大部分商业楼宇和家庭建筑中生活用水采用的主要加热 方式仍以电 煤气或柴油作为燃料的直接加热方式 一般能量转化效率仅为 85 95 3 存在一定的转换损失 因此 节约建筑能耗对于北京市的节能具 第一章 绪论 2 有占大意义 可以通过开发更加合理的空调系统和供暖方式 并加以科学管运用 以满足应用为前提 提高能源的利用效率达到节能减排的目的 北京面临的另一大威胁就是水资源短缺 随着北京城市规模的不断扩张 人 口的急剧增长 城市用水已经不堪重负 事实上北方城市都面临着这样的严峻的 考验 多年来 北京超采地下水严重 有些地区已经发生地质沉降 甚至到了危 害城市公共安全的临界点 因此 节约水资源也是空调科技工作者必须要考虑得 一个重要问题 1 2 研究意义 目的 如前所述 能源问题和大气污染问题是全球都在积极关注 努力着手解决的 两大问题 北京也不例外 在经济发展的高速路上 这两个问题如同红绿灯 如 果解决不好将会严重制约北京市的经济发展 在当今社会节约能源 减少环境污 染为主题的要求下 北京的建筑行业在能源应用方面也进入了一场新的革命 利 用一项新型能源技术 热泵技术来代替传统的能源耗费达到节约能源 保护环 境同时促进经济发展的终极目标 本文将重点研究热泵空调技术 尤其是空气源 热泵空调技术在北京地区的适用性和经济性 近年来 热泵技术由于其具有多重优点 引起了全球范围的广泛关注 其基 本工作原理和制冷技术是一样的 即以电能为驱动 利用工质不断从低温热源中 吸取热量 并将其传输给高温热源 利用这个过程可分别实现制冷和供热 在这 个能量传递过程中 系统的功耗与从低温热源吸收的热量的和等于系统向高温热 源的放热 即系统消耗 1 个单位的能量 能从低温热源中吸取 2 3 个单位的热 量 并向高温热源输出 3 4 个单位的热量 这个机组系统的制冷系数为 2 3 供热效率达到 3 4 通过热泵技术可以大量地利用自然资源和余热资源中的热 量 从而有效节省了采暖 空调 供热水和工业加热所需的一次能源 因此 热 泵技术受到了建筑能源行业的广泛关注和研究 如果热泵技术能在北京广泛应 用 可以很大程度上缓解北京的能源危机及环境污染 是一项极具开发和应用潜 力的节能 环保的新技术 空气源热泵 air source heat pump 是众多热泵技术中的一种 它以电能为驱 动 夏季以室外空气作为冷源 将冷量由系统输送至室内 冬季以室外空气为热 源 将热量由系统输送至室内 空气源热泵系统的主要优点如下 6 7 1 高效节能 绿色环保 空气源热泵继承了热泵技术的优点 拥有较高 的供热效率和制冷系数 比单纯地把系统耗功或电能直接转变为热能大了数倍 第一章 绪论 3 因而有效地提高了能源利用率 同时系统采用电能 避免了燃料燃烧排放 具有 环保的功效 2 设备利用率高 空气源热泵冬夏可以共用一套设备 实现夏季供冷和 冬季供热 特别适合于类似北京夏热冬冷气候的既需供冷又需采暖的北方地区 3 节约空间资源 节约水资源 空气源热泵空调系统无需专门的机房 机组一般安装在室外楼顶 平台等处 节省了楼宇空间资源 增大了楼宇空间的 利用率 另外系统也无需冷却水系统 系统充满水运行后基本不需要补水 而普 通冷水机组的补水量还是挺大的 因此空气源热泵机组属于节水空调设备 4 操作简单 安全可靠 系统不需要矿物燃料 因此避免了火灾 爆炸 等危险 设备一般采用自动运行 操作维护简单 运行人力成本低 除了这些优点 空气源热泵也同时存在一定的局限性需要进一步的研究和改 进 8 1 空气源热泵受室外环境影响大 天气寒冷时效率下降 2 空气源热泵机组工作在低温高湿工况下 室外换热器翅片容易结霜 会影响传热器的换热 进而影响机组的工作效率 使功耗增大 那么必需进行除 霜 事实上除霜过程不但会影响空调参数而且会带来能量的损耗 除霜时间越长 能量损耗越大 可见 空气源热泵的应用会受地理环境和气象条件的限制 现在空气源热泵 在我国南方地区 即长江流域以南地区应用比较普遍 在我国黄河流域应用还存 在一定问题 但随着对空气源热泵不断研究 技术不断创新 其应用范围已经逐 渐向华北和西北地区扩展 北京在我国属于典型的冬冷夏热型天气 空气源热泵在北京应用时夏天是比 较可行的 但是由于其受天气的影响冬天在北京使用时节能效果不明显 能耗不 是很低 加热效果不是很好 同时机组在温度过低的情况下十分易坏 易结霜 虽然空气源热泵存在以上缺陷 但是其性能优点也是相当明显的 比如其节能环 保 尤其是其节水性能特别适合北京 其结构系统简单 易安装维护 无需机房 除投资少的特点 比较适合小型工程或者改造工程 正是鉴于此 应该对空气源 热泵开展研究 进一步研究完善空气源热泵系统 使之在适应北京的气候条件下 使机组的效率不断提高 更好地满足北京地区冬夏季空调运行的需求 给北京的 节能环保真正的带来实惠 因此 可以运用实际检测 模型构建 模拟计算等方法等对空气源热泵机组 在北京地区应用的实际效果 经济性等进行研究分析 探讨空气源热泵在北京地 区的应用的适用性 同时通过水源 空气源热泵和太阳能 空气源热泵两种方案 来改进传统的空气源热泵 使其更加适用于北京地区 对与北京有着相似气候条 第一章 绪论 4 件的的寒冷地区提供参考 1 3 国内外研究现状 在能源紧张 环境污染日渐严重的今天 具有高效 节能 无污染等多重优 点的空气源热泵技术为暖通空调技术的发展提供了方向 基于空气源热泵的优异 性能与热泵及其控制技术的不断完善 获得了大量业内专家的好评 迅速地被越 来越多的用户所接受 各国纷纷制定了各种计划 大力鼓励和支持空气源热泵技 术的发展 据 iea international energy agency 调查 12 20 世纪 70 80 年代是热泵空调 技术飞速发展阶段 以美国为例 1978 年拥有热泵空调 90 万台 1988 年拥有 790 万台 1999 年拥有 1040 万台 直到 20 世纪末 美国 日本和西欧等国把发 展热泵技术作为空调研发的主要方向 几乎占据了全球的热泵市场 但每个国家 重点研究和发展的方向又有所不同 美国早在 1945 1950 年就开始了对于热泵 技术方面的大力研究 13 14 其研究方向主要集中在开发制造空气源热泵机组方 面 并在在空气 空气单元式热泵空调机组的基础上又开发了适用于商业建筑的 空气 水热泵和水源热泵系统 加拿大及北欧国家致力于高纬度地区热泵机组的 适用性研究 西欧各国主要致力于大型热泵的开发与研究 用于集中供热或区域 供热 15 特别提到的应该是日本 由于日本是个能源十分贫乏的国家 因此特别 重视热泵的发展 并主要致力于小型空气源热泵的研究 有资料显示日本是应用 热泵最成功的国家 其全国热泵供热量占总供热容量比达到 28 比美国高 22 个百分点 比西欧各国平均高 26 个百分点 16 我国研究和利用热泵技术起步较晚 但是发展是迅速的 19 世纪 50 年代才 开始热泵技术的研究 1965 年 上海冷气机上生产出我国第一台热泵型空调器 由于我国的能源政策问题 即我国长期以低廉的煤炭作为主要能源 因而影响到 热本技术的发展 90 年代后 随着能源和环保问题的日益突出 热泵空调研究 才得到飞速发展 首先是在我国华南地区 西南地区与长江流域得到广泛应用 目前 使用地正向着黄河流域和华北 西北地区扩展 17 18 19 20 我国很大一部分地区的非常适宜使用空气源热泵 但受我国地理纬度的限 制 加之 我国很多的热泵技术来自于海外 并不是针对我国气候特点设计的 因此北方地区应用空气源热泵效果不理想 会出现热效率低 制热效果不好 蒸 发器表面结霜 压缩机低温下不启动或者烧毁等等 因此空气源热泵在低温环境 下运行技术的研究成为研究空气源热泵的重要课题 第一章 绪论 5 由于我国科技工作者们对空气源热泵技术孜孜不倦的深入研究 取得了非常 丰硕的成果 在不断改进和创新空气源热泵机组的同时 还针对其在我国北方不 同地域及寒冷气候条件下的应用进行了大量的研究 取得了很多可喜的成果 如 文献 22 23 通过传统的空气源热泵系统改造 分别创设了双级压缩变频空气源 热泵和双级耦合热泵空调系统能够解决在压缩比增大的情况下增大压缩机排气 量 解决低效率问题等 文献 24 探讨了双级耦合空气源热泵在北方地区的适用 性问题 通过新系统构筑 进行能效模拟计算 文献 25 通过对具体空调建筑的 分析 论证了空气源热泵在我国西北地区应用的可行性 为西北地区的应用提供 了参考依据 文献 26 分析了北方地区应用空气源热泵的经济性 有些学者还针 对特定地区 对空气源热泵的应用作了细致研究 如文献 27 28 29 分别介绍 了空气源热泵冷热水机组在南京地区 京津地区 山东地区等地的应用 进行了 可行性分析 表明在此地区使用空气源热泵能满足业主所需的制热和制冷的基本 需求 这些使我国空气源热泵技术得到发展 为加快空气源热泵的生产步伐和拓 展空气源热泵的市场做出贡献 通过上述文献可以看出 有学者已经就空气源热泵在特定地区的应用做了大 量研究 但我国幅员辽阔 地域与地域之间 工程和工程之间的实际情况肯能有 着巨大的差异 因此 上述研究只能供参考 并不具备对全部项目的普遍的指导 意义 因此 本文将从实际工程出发 对空气源热泵在北京地区的应用性和能耗 性进行全面测试 并对空气源热泵的节能改造做出更加系统全面的探讨 1 4 本课题的主要研究内容 在节约能源 保护环境 走可持续发展的大坏境中 热泵的使用有着非常广 大的发展空间 因此对空气源热泵技术进行更加深入细致的研究是非常必要的 也是非常紧迫的 本文以北京某商业建筑为研究对象 通过选择典型性房屋作为测试对象 对 空气源热泵空调系统在该建筑运行参数进行测试分析研究 并对机组外部环境实 际观察监测 在此基础上进行能耗分析和其他空调系统的模拟对比分析 探讨该 系统在北京地区应用的适用性和经济节能性 为北京地区以及周边其他类似气候 的地区应用空气源热泵空调系统提供了设计依据 最后 根据该项目中空气源热 泵应用的实际情况 对系统提出节能改造方案 并进行相应的能耗分析 为北京 地区空气源热泵的应用和推广提供参考 第二章 空气源热泵 6 第二章 空气源热泵 2 1 热泵技术的发展历史 热泵的概念早在 19 世纪 50 年就已经被提出 直到 20 世纪 20 30 年代 社 会上出现了对热泵的需求 热泵才正式进入工业生产阶段 11 随着二次世界大战 的爆发 家用热泵技术发展处于短暂的停滞阶段 但随着战时欧美国家经济迅速 发展 出现了第一次能源危机 能源的短缺促使人们将目光转移到热泵技术上来 直到此时 各种形式热泵空调技术纷纷出现 出现了很多研究成果并以应用于商 业开发之中 特别是 20 世纪 70 年代以后 人们的生活水平越来越高 人们对空 调设备的需求量不断增长 同时电力能源生产技术提高 价格越来越低 石油 天然气等矿物能原价格不断上涨 于是国外又积极开展热泵研究工作 热泵技术 才进入快速的发展阶段 进入 21 世纪 随着全球对保护环境 节能减排的高度 重视 热泵以其独特的节能和环保优势 被赋予了新的更多的发展空间 联合国 专门负责能源与环境的国际组织曾设立热泵推广工程 旨在向世界各国推广 协 调热泵技术的研究 应用以及发展 美国 加拿大 瑞典 德国 日本等西方经 济发达国家政府均发出过专门的官方指导 促进了热泵技术的研究 开发和应用 2 2 空气源热泵的工作原理 热泵在冬季主要任务是制取热量 空气源热泵在运行中 低温的制冷剂在室 外换热器 蒸发器 中从室外空气 低温环境 中吸取热量并得以蒸发气化 马 上被压缩机吸入 压缩 变成高温高压制冷剂蒸气 并被输送到室内换热器 冷 凝器 高温的制冷剂蒸气在此将热量传递给热媒循环水 使之温度升高 而制 冷剂自身被冷却凝结成液体 经热力膨涨阀的节流降压后 再次近入蒸发器吸收 室外空气的热量 完成热泵循环 如此循环往复就完成了从低温环境吸收热量并 向室内高温热媒释放热量 这个过程要消耗压缩机的功 因为在实际制冷工作循 环中 空气源热泵中制冷剂的蒸发温度为 20 左右 而周围环境空气的温度为 一般为 5 5 相比较而言 环境是 热 的 所以环境中的热量会传递给制冷 剂 完成从室外低温环境吸热 第二章 空气源热泵 7 热泵在夏季主要是制取冷量 从室外高温空气中吸收冷量 在冷凝器中间转 换热 经压缩机将高温位的热能降低为低温位冷能 并将冷量传递给制冷系统 的冷媒或周围环境 在蒸发器中间转换热 从而使不能直接利用的热能 冷能 再生为可直接利用的热能 冷能 得到了只消耗少量电能 而获得 2 6 倍于 输入功率的节能回报 空气作为一种可再生的能源是取之不尽用之不竭的天然资 源 热泵利用可再生能源 空气能 并辅以清洁能源 电能 运行中没有任 何污染 是国家大力推广开发和利用可再生能源的绿色设备 热泵的工作原理见图 2 1 图2 1 空气源热泵工作原理图 2 3 空气源热泵在我国推广面临的问题 在我国 空气源热泵是应用最早 最广泛的热泵技术 有数据显示 截止到 2008 年 我国东南沿海已经拥有大小 300 余家家用空调器生产厂家 这些厂家 既包括余国有 民营企业 又包含独资 台资企业 他们已经完全具备空气源热 泵技术的研发 生产能力 6 其生产的家用空调器产品主要有整体式 分体式和 户式中央空调三大类多种系列 基本都具有热泵功能 与此同时 适用于中央空 调系统的空气源热泵冷热水机组在我国的发展也十分迅速 市场的需求量越来越 大 仅从 90 年代中期到 90 年代末 我国空气源热泵冷热水机组生产厂家就从十 几家发展到 40 多家 7 但国内生产厂家很多只是直接引进或者模仿国外的生产 技术 原创性差 而这些从国外移植的产品设计完全不是针对中国大陆的气候特 第二章 空气源热泵 8 点和区域特点开发的 尤其缺乏对这些产品进行适应性改进的研究和实践 另一 方面 由于国内生产技术还相对落后 缺乏更加先进的产品设计理论和生产能力 譬如 中国幅员辽阔 纬度跨度非常大 气候差异也很大 同一地的气候也会出 现多变的情况 而现在市面所有产品没有专门有针对性的设计 因此 空气源热 泵冷热水机组的在使用过程中 出现了很多问题 如 在我国长江流域使用 冬 季制热时 会随着气候的突然变化造成制热的实际效果与机组标称制热量不符 制热效果变差 有些时候室外换热器结霜严重 导致机组无法启动 甚至烧毁压 缩机 除霜过程控制过于简单化 可能导致室外机组结冰等严重后果 以上问题 的出现使空气源热泵机组进一步发展受到限制 影响了空气源热泵的声誉 当然 直到现在也没有真正有效解决以上问题的产品问世 这样一方面 空气源热泵冷 热水机组的推广和使用受到很大制约 另一方面 也为科技工作者在这方面的研 究留下了无限的空间 同时 空气源热泵应用的地域性也严重限制了其在我国各地的推广使用 例 如普通空气源热泵在我国北方寒冷地区应用时会遇到如下问题 1 随着室外环境气温的降低 机组的蒸发压力也随之降低 而机组的冷 凝压力变化不大 这就会使得压缩机的压缩比升高 压缩机功耗增大 2 压缩比越大 压缩机的输气量越小 造成机组中循环的制冷剂量减少 因而机组无论从外界吸热量还是向室内的散热量都会减少 制热效果变差 3 室外换热器 蒸发器 表面结霜 霜层的传热热阻使得传热变差 蒸 发压力更小 压缩机压缩比更大 4 当压缩比过大的时候 压缩机电流很大 必需自动停机保护 否则就 会烧毁压缩机 从以上分析可以看出 风冷热泵机组工作在室外环境低温霜重的时候 其能 效系数 cop 值 是下降的 随着室外温度越低 霜层越厚 其热效率就越差 甚至根本不能启动 或者烧毁压缩机 因此 对暖通界来说 如何提高空气源热 泵在低温环境下的适用性 如何提高其热效率将是一个非常有意义而且又非常有 挑战性的研究课题 2 4 空气源热泵的优势 空气源热泵技术属于新型的绿色能源产业 它能兼顾夏季制冷与冬季供暖使 用 尤其是作为冬季的热源设备 以电能为驱动 从室外环境的空气中吸热并向 室内转移 它比传统的燃煤锅炉 燃气锅炉 燃油锅炉 电热锅炉等产品更加安 第二章 空气源热泵 9 全 节能 环保 比太阳能的稳定性更强 可以实现全天候热水供应 空气源热 泵的节能优势是显而易见的 因其吸收室外空气的热量是免费的 而且产生的热 量是以空气热量为主 热泵能量平衡见图 2 2 空气源热泵热平衡式为 供热量 吸收室外空气的热量 消耗的电能 供冷量 吸收室外空气的冷量 消耗的电能 图2 2 空气源热泵能量平衡图 其优势包括 1 高效节能 空气源热泵通过消耗电能来获取热能 它不同于普通电热 设备只把电能转化成热能 而是通过电能将室外环境的热量连同电能转化的热量 一起搬运到室内 因此热效率高达 200 400 而且其运行成本更低 若产生 同样多的热量 其使用成本比电热设备 燃气设备分别节省的 83 和 33 正 是由于其具有高效节能的优势 才成为当今重点研究的课题 2 绿色环保 安全可靠 空气源热泵在使用过程中不会产生任何有害物 质 也没有任何排放 是绝对环保的 机组运行基本上不用补水 节约水资源 并且由于其在使用过程中不需任何燃料 因而无蓄储油罐 燃气连接管道等 自 然不会引起火灾 爆炸等危险 3 运行稳定 适用方便 空气源热泵采用模块化结构 不需要单独的机 房和冷却水系统 结构更加紧凑 安装施工方便 另外 也不受天气阴晴 昼夜 的限制 运行的稳定性高 保证全天候热量供应 并且空气源热泵模块化机组由 吸收室外空气热量 7500 大卡 75 消耗的电能 2 91kw 即 2500 大卡 25 供热量 10 000 大卡 100 热泵机组 性能系数 cop 4 第二章 空气源热泵 10 微电脑控制能够自动运行 减低了人工成本 进一步降低运行费用 2 5 空气源热泵性能的评价方式 参考国际通行的对冷水机组的性能评价参数 对空气源热泵空调冷热水机组 性能采用综合部分负荷性能系数 iplv integrated part load value 来评价其季节 运行性能 24 是比较科学合理的 现在国际上已经有很多建筑学术组织和生产厂 商采用这一性能评价参数 iplv 的概念最早由美国科学家提出来的 美国空调制冷学会 ari 在其 ari550 590 92 标准中对 iplv 给出了科学的定义和通用的计算公式 并于后来 的 ari550 590 98 标准 25 中对公式作出了进一步的修正 其计算公式表示如下 iplv a a b b c c d d 2 1 其中 a 机组在负荷率为 100 时的 cop 值 a 机组在负荷率为 100 时的 cop 值所对应的权重系数 b 机组在负荷率为 75 时的 cop 值 b 机组在负荷率为 75 时的 cop 值所对应的权重系数 c 机组在负荷率为 50 时的 cop 值 c 机组在负荷率为 50 时的 cop 值所对应的权重系数 d 机组在负荷率为 25 时的 cop 值 d 机组在负荷率为 25 时的 cop 值所对应的权重系数 为了区分制冷与制热运行工况 分别加标注 c 和 h 即用 iplv c 和 iplv h 予以区分 查阅参考文献 26 有些研究者推荐以 seer 参数作为性能评价指标 它与 iplv 既有区别又有联系 各有优点 由于机组工作负荷是经常变化的 大多数时间都是工作在部分负荷的情况 下 因此用满负荷的性能评价指标 cop 值来衡量就显得不够准确 而 iplv 就是 基于这样的思想确立的 它是通过测试机组工作在几个典型负荷率下而表现出来 的性能系数并结合在该负荷率下的运行时间而推导出来的 主要用以评价机组在 空调季 供冷季或采暖季 的综合运行性能 目前 世界上很多国家对冷水机组 的 iplv c 进行研究 已经出了有很多 很成熟 很有价值的成果 26 30 34 gb50189 2005 公共建筑节能设计标准 27 对 iplv 给出了明确的定义和针对我 国气候与建筑的 iplv c 计算公式 而 iplv h 指标对于不同的产品类型与适用 范围的差异比较大 故需根据 iplv 的评价思想 参考 iplv c 计算公式 对低 温空气源热泵的 iplv h 评价指标进行相应的修正 第二章 空气源热泵 11 2 6 空气源热泵的改进途径 空气源热泵长期的理论研究和实践均表明其在冷湿气候下不能很好的工作 这大大的限制了空气源热泵的发展和在我国各区域的推广应用 针对传统空气源 热泵在低温工作环境下效率低 效果差的现象 国内外专家学者从多个角度入手 提出了多种解决方案 诸如 增设辅助热源 两级压缩变频风冷热泵系统 双级 耦合热泵系统等 现在国内工程采取比较多的方式就是加装辅助电加热器来解决低温环境下 制热量不足的问题 这个方案比较适宜对现有的设备进行改造 当室外气温比较 低的时候 空气源热泵制热效果不佳 此时启动辅助电加热装置 使空气源热泵 出水温度能够维持在一定值 保证空调房间的温度能够达到空调设计标准 在北 京地区 室外气温很低造成空气源热泵效率极低甚至不能工作的时间非常短 系 统绝大部分时间还是工作在室外温度相对较高 机组效率相对合适的环境中 辅 助电加热器大多数时间处于备用 却须占用大量的投资 另外一方面 由于电采 暖的不经济性 也使得这套系统总的运行成本加大 尽管如此 有关参考资料表 明 带电辅助加热的空气源热泵系统比单纯依靠电取暖的系统 全供暖季的费用 至少节省 50 但整体的经济性仍然不高 如果能开发出一种新的空气源热泵 或者对现有的普通空气源热泵系统进行科学改造 使之能够获得尽量高的热效率 的同时又保证当室外温度较低时仍能安全 经济运行 使机组总的经济性得到很 大提高 就更能体现出空气源热泵系统节能减排的意义 本文主要采用两种解决方案来解决空气源热泵在寒冷地区应用性差的缺点 途径一 水源 空气源热泵复合系统 途径二 太阳能辅助空气源热泵系统 可 以通过系统模拟计算 分别对两种解决方案的经济性进行分析 为原有工程的改 进提供理论依据 为类似的工程设计提供参考和借鉴 同时辅助措施采用水源和 太阳能两种自然界十分充沛无害的资源 从根本上坚持了空气源热泵节能绿色的 宗旨 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 12 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 3 1 实际项目概况 空气源热泵由于具有独特的优势 近年来越来越受到人们的关注 相关的研 究开发工作发展十分迅速 其中人们最主要的研究就是致力于空气源热泵在寒冷 地区的应用 不断将空气源热泵空调技术向 北 推进 本文以北京某具体项目 为研究对象开展空气源热泵的研究工作 通过先进测量仪器对该空调建筑的典型 房间的空调参数进行实际测量 并在冬季对室外气候环境和机组运行状况进行了 两个月的长时间的观察记录 结合北京地区的气候 气象特征 对空气源热泵在 该建筑的正常运行时的情况以及数据进行能效性分析 经过一系列的分析说明空 气源热泵在北京地区应用的可行性 我国国土幅员辽阔 地形复杂 从南到北纬度跨度大 从东到西海拔依次升 高 这种纬度 地势等地理条件的不同造就了气候的千差万别 整体来说我国属 于大陆性季风气候 根据气候因素对室内环境的影响 参考建筑学中的建筑热工 分区 将全国由北向南共划分为严寒地区 寒冷地区等五个分区 35 北京作为 我国的首都 位于我国华北北部地区 在建筑热工分区中属寒冷地区 紧邻严寒 地区 属于温带季风性气候 四季分明 昼夜温差明显 冬天天气寒冷 降水少 夏季天气炎热 集中了全年的大部分降水量 春季气候干旱多风 秋季气温适宜 空气干燥 昼夜温差大 风向也有明显的季节性变化 冬季盛行西北风 夏季盛 行东南风 北京的冬 夏季漫长而春 秋季短暂 冬季供暖季长达 4 个月 其中 有 3 个月 12 月 2 月 平均气温在 0 以下 属于严冬 最寒冷的 1 月份地区 日平均温度在 3 以下 查阅北京市水文资料 北京冬季降水很少 只占全年总 降水量的 2 左右 有时常常出现连续一个月以上无降水 雪 记录 同时 北 京作为一个工业发达 人口稠密的大都市 其城市热岛现象非常明显 加之城市 地面硬化 使得市区和郊区的空气温度相差很大 这是空调设计必须要考虑的问 题 研究空气源热泵的应用 必须还要考虑其冬季运行室外换热器表面结霜的情 况 总体上 我国按冬季结霜情况可以分为四大类地区 36 低温结霜区 轻霜区 一般结霜区和重霜区 北京则属于冬天十分寒冷的低温结霜区 本文研究项目位于北京市朝阳区东三环 建筑面积约为 4000m2 地处商业 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 13 中心地带 是在原有临街五层民用居住建筑的基础上改建而成的办公写字楼 该 工程已于 2008 年 12 月竣工 至今已经运行了三年时间 由于不能提供机房及冷 却塔安装位置 因此采用空气源热泵冷热水机组作为中央空调冷热源 该建筑选 择了 3 台 40rt 的空气源热泵式冷热水机组 露天放置在建筑的屋顶上 并在屋 顶上加盖了一个 20 m2的轻质结构的房间 用于安装循环水泵 冬季热交换器 集分水器 膨胀水箱等设备 本文选取该建筑内有代表性的房间为主要研究对象 此房间长 12 5m 宽 10 5m 高为 2 7m 顶棚为屋顶 建筑的屋顶做了 平改坡 处理 南墙为外墙 墙面上开有三面窗 有遮阳措施 东 北 西三面墙都是内 墙 在东墙上开有门 通往房间外面的过厅 房间主要用于小型会议使用 满座 为 48 人 此典型性房屋的夏季冷负荷量约为 15 5kw 冬季热负荷量约为 9 4kw 3 2 实测数据分析 实验测试所采用主要仪器为 testo425 热敏风速仪 是德国产手持式液晶显示 的高精密型风速仪 它有固定连接的热敏风速探头 准确测量风速的同时也可测 量温度 和相对湿度 仪器还带有统计计算功能 能够计算多时间段 多点的参 数平均值 其温度量程为 20 70 分辨率为 0 1 风速量程为 0 20m s 分辨率为 0 01m s 图 3 1 房间测点分布图 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 14 对测试的房间进行平均网格状划分 得出 9 个点作为测试的定位点如图 3 1 所示 并根据人体的高度分 0 7m 1 2m 两个高度进行点测试 这样房间内共设 了 18 个点作为测试的基准点 为实验结果的可靠性起见 分别对夏季制冷和冬季制暖两个季节空气源热泵 的运行情况进行观察 对室内温度 湿度等参数进行测试 对测试房间内的测点 的温度 气流速度 相对湿度的测量值进行汇总 分别列在表 3 1 和表 3 2 中 表 3 1 夏季实验测试数据 测点编号 温度 速度 m s 相对湿度 1 24 5 0 09 61 2 24 7 0 08 61 2 3 24 4 0 06 61 3 4 24 8 0 06 61 5 5 24 9 0 06 62 0 6 24 1 0 06 61 7 7 24 0 0 07 61 8 8 24 1 0 06 61 9 9 24 3 0 05 61 5 10 24 4 0 07 61 6 11 24 5 0 06 61 5 12 24 3 0 07 61 5 13 24 1 0 06 61 8 14 24 3 0 05 61 5 15 24 5 0 06 61 3 16 24 4 0 07 61 7 17 24 5 0 07 61 8 18 24 3 0 08 61 5 从表 3 1 可以看出测试区域内夏季空调主要的运行指标 室内平均干球温度 为 24 25 左右 平均气流速度在 0 1m s 以下 相对湿度为 60 65 对照 空调设计规范的要求 37 很明显这三项空调的主要调节参数都能满足 从表 3 2 可以看出测试区域内冬季空调主要的运行指标 室内平均干球温度 在 18 19 之间 基本能够达到空调设计规范的要求 但比冬季空调的设计温 度 一般为 22 低很多 平均风速有部分也接近或超出了规范的上限要求 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 15 表 3 2 冬季实验测试数据 测点编号 温度 速度 m s 相对湿度 1 18 0 0 19 28 2 18 1 0 18 28 3 18 3 0 16 28 9 4 18 4 0 16 28 5 5 18 3 0 14 28 8 6 18 5 0 12 28 7 7 18 6 0 09 28 8 8 18 5 0 06 28 9 9 18 6 0 08 28 5 10 18 4 0 11 28 6 11 18 4 0 13 28 5 12 18 3 0 14 28 5 13 18 5 0 15 28 8 14 18 6 0 15 28 5 15 18 3 0 16 28 3 16 18 2 0 17 28 7 17 18 3 0 17 28 8 18 18 1 0 18 28 5 相对湿度为 27 29 低于空调设计规范要求 另外在冬季运行时机组室外 换热器出现轻微结霜的现象 霜层厚度 3mm 根据以上对于建筑典型房间的平均温度 平均风速和相对湿度的测试结果可 以得出以下结论 夏季测试房间人员活动区内 三种空调参数均符合空调设计规 范 并且舒适性好 冬季测试房间人员活动区的空调参数基本能够达到空调设计 规范的最低要求 室内环境温度偏低 空气干燥 舒适性较差 从空气源热泵空 调的运行参数和室外机组的实际运行情况来看 若要冬季在北京应用空气源热泵 来进行采暖 还需要在现有机型的基础上进一步地加以改进 通过实测数据和现场观察 可以研究空气源热泵冬季运行舒适性较差的原 因 当北京冬季的温度过低时 空气源热泵开始结霜 霜层厚度达 3mm 厚度 达到一定程度后机组开始自发进行除霜运作 停止对室内吹送热空气而改为吹冷 第三章 北京某实际空气源热泵项目的能耗分析 16 气 将热量用于机组的除霜 并且除霜时间大约在 10 多分钟 这对室内的温度 有很大的影响 并且由于天气的寒冷 除霜行为较为频繁 这是致使空气源热泵 在北京冬季应用不是十分理想的主要原因 当温度降低到一定程度后机组无法正 常工作需停止工作保护机器 此时就需要附加的加热设备来代替空气源热泵做短