水源热泵空调系统供暖工况的效率分析.doc

水源热泵空调系统供暖工况的效率分析徐友文 刘金祥（南京工业大学 城市建设与安全环境学院，江苏 南京 210009）摘 要：本文通过对水源热泵机组制热循环过程和末端装置散热过程的效率分析，从而推导出水源热泵采暖系统的效率表达式。并结合厂家提供水源热泵机组的样本性能参数，在给定环境条件下，对水源热泵采暖系统变工况运行时的效率分析。关键词：水源热泵 效率 性能系数中图分类号：TU832.1 文献标识码：AExergy Efficiency Analysis on Heating Situation of Water-source Heat Pump Air-condition SystemXu Youwen , Liu Jinxiang (College of Urban Construction and Safety & Environment Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, 210009)Abstract: In this paper, by analysis on the exergy efficiency of manufacturing caloric circulation process of water-source heat pump (WSHP) units and distributing caloric process of terminal equipment, the exergy efficiency formulation of WSHP heating system was deduced. And combining performance coefficient on swatch of WSHP units offered by manufactory, the exergy efficiency of changeable operating situation of WSHP heating system was analyzed under given environmental condition. Key words: water-source heat pump; exergy efficiency; coefficient of performance引言能源危机及环境污染成为当今社会威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以节能和环保为主要特征的热泵技术供暖空调系统应运而生。热泵技术就是能够把能量从温度低(低品位能量)传递到温度高(高品位能量)的设备系统。它是以花费一部分高质能为代价，从环境中获取能量并能同所花费的高质能一起向用户供热，从而有效利用了低品位的热能。水源热泵是利用地球表面浅层水的低温热能资源和生产或生活中排放的余热，通过输入少量电能，实现低品位热能向高品位热能转移，达到向建筑物供热目的的一种节能环保装置。所有实际系统和部件所固有的非理想的性能，都将引起不可逆熵产，从而导致系统各处产生损失。分析方法可以提供有效利用能源的真实尺度，还可以从总体经济观点对能量系统提供更精确的分析，帮助我们找到系统能量利用率低的部位。因此，该方法近年来得到了广泛的重视与应用，但应用于水源热泵采暖系统变工况的效率分析还很少。本文主要是针对冬季室内供暖工况，对水源热泵采暖系统进行效率分析，从而推导出变工况运行时的效率表达式，并结合厂家提供水源热泵机组的样本性能参数，在给定环境条件下，对水源热泵采暖系统变工况运行时的效率分析。1、能分析与分析 为了考察能量系统的用能水平，寻求提高能量利用率的途径，必须对系统进行能量分析。通常，能量分析有以下两种：第一种是能分析，通过分析能量数量的平衡关系，揭示能量在数量上转换，传递，利用和损失的情况，从而确定系统(或者装置)的能利用率或者能效率。第二种是分析法，通过分析能量中的平衡关系，揭示能量中的转换，传递，利用和损失的情况，从而确定系统(或装置)的利用率或者效率。通常对于热泵系统的能量分析，多以性能系数COP作为性能指标，但COP是不同“质”的能量比值，只反映系统外部损失的影响，并不能反映装置的内部各个环节的不可逆损失，因而不能全面的揭示装置的薄弱环节。另外，制热系数COP只能用来比较在相同温度范围内工作的各种供热装置的性能。而比较在不同温度范围内的工作的各种制热装置，采用COP可能会得到错误信息1。由于包含了热力学第一和第二定律的内容，所以不仅能说明能量的数量，而且还能说明能量的品质。对系统进行分析，就能对系统的能量分配从数量和质量两方面进行分析，能够找出真正的能量损失所在，寻找节能的途径，从而为改进系统效率方面提供可靠的分析依据。2、水源热泵系统供暖过程的效率分析水源热泵系统供暖过程可分为两个阶段：（1）热泵机组从外界水源中吸收低位能量转变为高位热能的过程；（2）机组输出的高位热能通过系统末端装置向采暖房间供热的过程。在上述两个过程中存在着转换、传递和损失问题。目前分析广泛使用的是效率(有效的输出/有效输入的)，它指出了整个系统或设备的利用程度。因为是能量品质的衡量，效率越高，也就表明系统方案的能量利用越合理。下面通过对各个阶段进行效率分析，得出整个系统供热过程的效率表达式，进而确定效率的各个影响因素。2.1 热泵机组的效率压缩式热泵机组工作过程中的能量分布如图1所示2。低温热源TL高温热源THQLQH输入功W热泵机组图1 热泵分布原理图其平衡方程为：，根据文献3中对效率的叙述，水源热泵机组制热工况的效率可定义为： （1） 根据文献4，热泵机组制热过程的能平衡为：（2）因水源热泵机组制热过程中，作为低温热源的冷水及高温热源的热水，其水温都是变化的。由文献5可知：（3）（4） 将式（2）、（3）、（4）代入式（1）中，可得：（5）由于制热系数COP=QH /WS，所以水源热泵机组制热的效率为： （6）2.2 末端装置供暖的效率 冬季，室内供暖使室温高于室外环境温度，由于室内外存在温差，故在建筑维护结构（外墙、屋顶）处将产生热流，导致热量损失。为了维持房间的温度恒定，必须向房间供热，在热量由空调末端装置向房间传递的过程中必然伴随着损失。对于同一房间来说，在外界环境温度不变时，要保持一定的温度所需要的热量是一定的。但是对于不同的供暖装置来说，提供相同的热量所消耗的可用能却是不同的，即它们的效率是不一样的。从的观点来看，一个最优的供暖装置向房间供给的热量中含有的值应该与房间所需要的值相同6。所以，用效率来评价不同供热装置更合理。在供暖过程中，房间得到的热量含有的值为：（7） 末端装置供给房间的热量中含有的值等于热泵机组的冷凝器中热水获得的值。在稳态情况下，空调系统末端装置的供热量应近似等于房间散失的热量，即，所以，由式（4）、（7）可知末端装置的效率为： （8）2.3 水源热泵空调系统供暖工况的效率因水源热泵空调系统的效率可以从热泵机组和末端装置两部分进行分析，所以系统的供暖效率为两者效率的乘积： （9） 整个系统的效率从本质上反映了水源热泵空调系统供暖过程中能量的转换效率。从式（9）中可以看出，水源热泵空调系统的效率与下列因素有关：环境温度、房间温度、水源供回水的对数平均温度、采暖热水的供回水的对数平均温度以及电机效率、传动效率和热泵机组的制热系数COP值。3、水源热泵采暖系统变工况效率计算3.1水源热泵机组的技术参数表1是厂家样本所提供的关于水源热泵机组变工况制热量及输入功率修正系数。表1 制热变工况性能修正系数表水源水进水温度（）水源水出水温度（）热水进/出水温度（）40/4543/4845/5047/52制热量输入功率制热量输入功率制热量输入功率制热量输入功率1350.960.990.941.040.931.070.921.121571.001.000.981.060.971.090.971.131791.051.011.031.061.021.091.001.1319111.101.011.081.071.071.101.061.1521131.151.021.121.071.111.101.101.1623151.201.021.181.081.161.111.151.193.2计算结果及分析表2列出了水源热泵采暖系统变工况运行时的效率计算结果。计算中，采暖时的环境温度取为266K，室内温度取为293K，水源热泵机组标准制热工况下的性能系数COP取为4.55(样本中提供)，电机效率取0.98，传动效率为1。表2 水源热泵采暖系统效率计算结果蒸发器进出水温度（）13-515-717-919-1121-1323-15冷凝器进出水温度（）40-450.28700.2814027700.27360.26650.260343-480.27460.26850.26820.26440.25950.255245-500.26810.26400.26350.26070.25680.251847-520.25840.25770.25450.25290.24820.2411 为了更清楚的了解整个采暖系统的效率以及该过程中的水源热泵机组的制热系数(COP)与蒸发器进水温度的变化关系，笔者根据表1、表2所得数据绘制了制热系数与效率变化关系图，如图2所示。（a）表示热泵机组的制热系数与蒸发器进水温度的关系；(b)表示采暖系统的效率与蒸发器进水温度的关系。 图2 制热系数和效率变化图 4、结论从热泵机组的制热系数与系统的效率随蒸发器进水温度的变化规律可知：当冷凝器出水温度一定时，工质的制热系数随蒸发器进水温度升高而增大，效率却随进水温度升高而减小，可见在一定条件下制热系数和效率的变化不一致。因此，在设计过程中不能单纯考虑制热系数的大小，应综合考虑制热系数和效率，合理优化水源热泵空调系统，最终达到节能的目的。符号表热泵机组吸收热量中的值，kW 低温热源放热量，kW热泵机组放出热量中的值，kW 高温热源吸热量，kW房间散失热量中的值，kW 房间热负荷，kW热泵机组的输入功率，kW 空调系统供暖的效率，%压缩机的轴功率，kW 热泵机组制热的效率，%外界环境温度，K 末端装置散热的效率，%热源供回水的对数平均温度，K 室内房间温度，K热水供回水的对数平均温度，K 制热系数，%传动效率，% 电机效率，%参考文献1朱明善.能量系统的分析M.清华大学出版社，1985:9-222张永贵.热泵定义的拓展及其效率表达式的改进.暖通空调J，2002(1):99-1003马一太等.压缩式热泵系统效率定义方法初探.热能动力工程J，2003(6):556-5574朱培根.热泵空调器节能分析及优化.低温工程J，2000(5):54-585朱泽华等.硫铵装置用能分析与优化改