湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析方法研究

1湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析方法研究福建工程学院范亚明许媛媛摘要本文提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比。分析结果表明（1）湖库塘水源热泵系统的季节性能比均高于空气源热泵机组。（2）对于湖库塘开式水源热泵系统，室外循环水泵能耗的存在较大的影响，应该在实际工程应用中采取措施降低循环水泵能耗。关键字水源热泵，湖库塘源，全年能耗ANNUALENERGYCONSUMPTIONCALCULATIONMODELOFOPENLOOPLAKESOURCEHEATPUMPFANYAMINGXUYUANYUANDEPARTMENTOFENVIRONMENTALANDEQUIPMENTENGINEERING,FUJIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYABSTRACTINTHISPAPERTHEANNUALENERGYCONSUMPTIONCALCULATIONMODELOFOPENLOOPLAKESOURCEHEATPUMPISESTABLISHEDANDTHECOMPARISONOFANNUALENERGYUSEOFLAKESOURCEHEATPUMPSYSTEMWITHAIRSOURCEHEATPUMPSYSTEMISPRESENTEDSEEROFLAKESOURCEHEATPUMPSYSTEMINWINTERANDSUMMERAREHIGHERTHANAIRSOURCEHEATPUMPSYSTEMITPROVETHATOPENLOOPLAKESOURCEHEATPUMPISMOREENERGYEFFICIENTTHANAIRSOURCEHEATPUMPHOWEVER,SEEROFOPENLOOPWATERSOURCEHEATPUMPSYSTEMSUSEDWITHLAKEDECREASEINWINTERANDSUMMERINCLUDEDBYWATERPUMPSO,ITISNECESSARYTODECREASETHEENERGYCONSUMPTIONOFWATERPUMPFORHIGHERENERGYEFFICIENCYOFOPENLOOPLAKESOURCEHEATPUMPSYSTEMKEYWORDSLAKESOURCEHEATPUMPANNUALENERGYCONSUMPTIONOPENLOOP0研究背景与意义研究背景与意义研究背景与意义研究背景与意义与传统冷热源技术相比，作为一项有效利用低品质自然冷源的制冷供热技术，湖库塘开式水源热泵系统的缺点是初投资大。因此湖库塘开式水源热泵系统是否具有经济竞争力、是否是技术可行的节能措施，是决定其推广应用的关键问题。目前国内外通常利用简化方法对具体空调冷热源工程进行经济分析首先估算冷热源工程初投资、然后模拟计算空调冷热源系统运行费用、最后进行总的技术经济分析比较。而空调系统冷热源能耗分析与计算13是以上经济分析的关键。并且，空调系统冷热源能耗分析对建筑设计和空调系统设计的节能优化、以及空调系统的运行管理都有着重要指导意义4。由于湖库塘开式水源热泵系统包括热泵机组和湖库塘取排水两个部分，并且两者交互影响。因此本文在研究湖库塘取排水温度模型56和水源热泵机组性能模型6的基础上，提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比，分析有利于湖库塘开式水源热泵系统的有效途径，为其推广应用奠定理论指导基础。21湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析由建筑全年冷热负荷、热泵机组全年能耗和湖库塘全年水温变化三方面的分析计算耦合而成。由于整个空调系统的能耗包括冷热源设备侧能耗和空调用户端能耗两大部分，为了简化研究分析，假定空调用户端能耗在各种冷、热情况下基本相同，主要侧重考虑冷热源设备侧的能耗差异。湖库塘开式水源热泵系统的冷热源设备侧能耗大致由水源热泵机组能耗和湖库塘循环水泵能耗两部分构成。11湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析为了将建筑物的各房间维持在设定温湿度，湖库塘开式水源热泵为建筑的空调末端提供冷、热源。在夏季工况下，热泵机组将建筑冷负荷、机组的输入功率转移到湖库塘中；在冬季工况下，热泵机组从湖库塘中获取的热量应等于建筑热负荷减去压缩机功率。与第湖库塘开式水源热泵满负荷运行工况相比，在全年实际情况中，由于建筑冷热负荷逐时变化，水源热泵机组全年大部分时间在部分负荷下运行。12湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程由上述运行特点分析可知，湖库塘开式水源热泵系统的能耗需联立求解建筑物的冷热负荷、热泵机组的性能和湖库塘传热性能的耦合关系，其各部分的相互关系如图1。图1湖库塘开式水源热泵系统能耗分析示意图121热泵机组能耗计算方法由于热泵机组大部分时间是在部分负荷下运行，机组的实际能耗除了与与冷水、冷却水的供水状态相关外，还取决于机组的部分负荷性能参数。为简化研究，本文采用部分负荷系数的概念，计算热泵机组的满负荷运行时间，从而确定在部分负荷下水源热泵机组的能耗。部分负荷系数F为热泵机组的理论运行时间与实际运行时间的比值，定义如下711DIFCX（1）式中DC为衰变因子，如缺乏机组的测试数据时，025DC；IX为热泵机组的理论运行时间系数，即建筑负荷与机组实际容量之比。当机组容量小于建筑负荷时，即IX1气象参数建筑物逐时负荷计算室内参数建筑围护结构参数水源热泵机组性能湖库塘水温模型气象参数湖库塘开式水源热泵能耗冷热负荷供冷或供热取水温度排热或排冷3时，表示设备连续满负荷运行，因此1F。热泵的实际运行时间系数/RIXXF，因此热泵实际在每小时的满负荷运行时间为RX小时。热泵机组的能耗计算，首先确定水源热泵机组逐时的供冷和供热容量，以及对应的输入压缩机功率，然后将压缩机功率乘以RX，即为逐时的热泵机组压缩机能耗。122湖库塘循环水泵能耗计算方法湖库塘循环水泵的逐时能耗即为水泵功耗与实际运行时间系数RX的乘积。2工程实例的能耗计算分析工程实例的能耗计算分析工程实例的能耗计算分析工程实例的能耗计算分析21建筑概况建筑概况建筑概况建筑概况建筑为位于重庆的3层办公楼，每层8间办公室，示意图见图2。建筑南北朝向，层高3M，建筑面积为294M2。每间办公室3人工作，考虑加班，空调运行时间为8001800。建筑的围护结构如下建筑外墙采用240MM砖墙，内外抹灰；屋面采用120MM钢筋混凝土空心板加防水层，作简单通风空气层隔热；外窗采用单层5MM厚玻璃铝合金窗。室内设计条件夏季室内计算温度26，相对湿度5060；冬季室内计算温度16,相对湿度5060；换气次数10次/H。图2DOE2的建筑示意图22建筑建筑建筑建筑冷热负荷计算结果冷热负荷计算结果冷热负荷计算结果冷热负荷计算结果利用冷负荷系数法计算该建筑的每个房间的8001800逐时冷负荷，然后每个房间逐时累加，得到整个建筑的逐时冷负荷和最大冷负荷。并按稳态传热法计算空调热负荷，建筑冷热负荷计算结果汇总见表1。表1建筑逐时冷、热负荷时刻（）800900100011001200130014001500160017001800冷负荷（W）2611127769290843039030095307143252333403338423407832306热负荷（W）2733723湖库塘水源热泵系统设计湖库塘水源热泵系统设计湖库塘水源热泵系统设计湖库塘水源热泵系统设计湖库塘水源热泵空调系统包括水水热泵机组、湖库塘和室内风机盘管加新风系统。4不论是湖库塘水源热泵空调系统还是空气源热泵空调系统，室内的空调方式都采用风机盘管加新风机组形式。由于两种空调方案的室内侧设备相同，因此以下的设备选型和系统能耗比较侧重介绍两者不同之处，即热泵机组与室外侧设备。由上可知，建筑的总设计冷负荷为34078KW，考虑安全系数105，因此选用某厂家全封闭涡旋式水水热泵机组一台，型号为HSSWR45SE。主要性能参数如表72所示。表2水水热泵机组性能参数型号制冷工况制热工况制冷量KW输入功率KW制热量KW输入功率KWHSSWR45SE35883534109池塘具体参数如下水面长126M，宽35M，最深水深为7M，侧壁为45倾斜。采用重叠式取排水方式（见图3），取水口高度/20HH；取水位置/58ZH6。根据水源热泵机组室外水源侧流量为77M3/H，及室外侧最不利环路的阻力损失，因此选用一台KQDP4088离心泵，流量为610M3/H，扬程为20427M，转速为2900R/MIN，电机功率为15KW。图3重叠式取排水布置图24空气源热泵系统设计空气源热泵系统设计空气源热泵系统设计空气源热泵系统设计根据建筑总冷负荷，选用空气源热泵机组一台，型号为MAC1200R，主要性能参数如表2所示。表7空气水热泵机组性能参数型号制冷工况制热工况制冷量KW输入功率KW制热量KW输入功率KWMAC1200R3591134371113525湖库塘水源热泵系统的能耗分析湖库塘水源热泵系统的能耗分析湖库塘水源热泵系统的能耗分析湖库塘水源热泵系统的能耗分析如前所述，本文只比较湖库塘水源热泵机组的压缩机能耗、室外侧循环水泵能耗与空气源热泵机组的压缩机能耗、风机能耗之间的差异。湖库塘水源热泵系统的能耗计算步骤如下利用DOE2软件计算建筑的逐时冷、热负荷；假定热泵机组的进水温度EWT，调用第六章的热泵机组模型6，计算在该进口温度5EWT下热泵机组的满负荷制冷量EQ或制热量CQ以及压缩机功率N714。然后根据建筑冷热负荷和机组的制冷、制热容量计算热泵的实际运行时间系数RX；由制冷量EQ及压缩机功率N可得到夏季冷凝器的排热量CQ；或得到冬季蒸发器的取热量EQ；在逐时计算中，当RX1时，热泵机组为间歇运行，即假定在前面的RX时间内，排放到湖库塘的夏季热量为CQ；排放的冬季冷量为EQ；在剩余时间内，湖库塘处于自然状态，无冷热量的排放；根据重叠式取排水方式下的水温模型6，利用加载UDF模块的FLUNT软件，求解湖库塘的水温分布，然后可得出湖库塘取水口处的温度REWT，将计算的取水温度REWT与假定的热泵进水温度EWT进行对比，如果满足公式2，则计算结束，否则用REWT替代EWT，回到步骤（2）重复计算，直至满足条件；REWTEWTEWT1E5（2）然后计算对应时刻的热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗61516；最后对热泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗求和，即为湖库塘水源热泵系统的全年能耗，具体结果如表3。表3湖库塘水源热泵系统全年能耗计算结果月份12月1月2月6月7月8月冷/热负荷（KWH）617061714504557480178568供冷/热量（KWH）739535732645544808645791898921955463压缩机能耗（KWH）170261175885130509127098192685213787水泵能耗（KWH）269372815120875284124044943546总能耗（KWH）197198204035151385155509233134257334水泵能耗比率136613801379182717351692EER（无水泵）434417417508467447EER375359360415386372冬/夏供热冷（KWH）20169882500175压缩机能耗（KWH）476655533570冬/夏能耗（KWH）552618645977SEER（无水泵）423469SEER36538726空气源热泵系统的能耗分析空气源热泵系统的能耗分析空气源热泵系统的能耗分析空气源热泵系统的能耗分析由于缺乏空气源热泵机组的性能模拟程序，因此利用样本上的机组全负荷特性以及热泵的实际运行时间系数RX方法进行全年能耗分析。空气源热泵系统的能耗计算步骤如下利用DOE2软件计算建筑的逐时冷、热负荷；根据室外空气温度，由热泵机组的全性能曲线，得到该工况下的热泵机组的满负荷制冷量EQ或制热量CQ以及压缩机功率N。然后根据建筑冷热负荷和机组的制冷、制热容6量计算热泵的实际运行时间系数RX；然后计算对应时刻的热泵机组压缩机功率N和实际运行时间系数RX的乘积，即为热泵压缩机的能耗；计算室外风机功率和实际运行时间系数RX的乘积，即为室外风机的能耗；最后对热泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外风机的能耗求和，即为空气源热泵系统的全年能耗和性能参数，具体结果详见表4表4空气源热泵系统全年能耗计算结果月份12月1月2月6月7月8月冷/热负荷（KWH）617061714504557480178568供冷/热量（KWH）7280847224685405326464429004958552压缩机能耗（KWH）211382214441540531745212614283911风机能耗（KWH）20398207211485186342654428413总能耗（KWH）231780235161168903193155287944312324风机能耗比率（）880881879965922910EER（无水泵）344337351370344338EER314307320334312306冬/夏供热冷（KWH）19910842505394压缩机能耗（KWH）579875719832冬/夏能耗（KWH）635844793423SEER（无水泵）343348SEER31431827湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较根据表3和表4，通过分析可得，在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为13661827；而在空气源热泵系统中，风机能耗占热泵总能耗的比例相对较小，大约为88965。若只考虑压缩机能耗时，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季增加2332，在夏季增加3477。但考虑水泵能耗后，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季只增加1624，在夏季增加217。3结论结论结论结论本文提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比。分析结果表明（1）湖库塘水源热泵系统的季节性能比均高于空气源热泵机组。与空气源热泵相比，考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统冬季供热季节能效比SEER提高1624，夏季供冷季节性能比SEER提高217；（2）在冬季时，在每个月时湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；在夏季时，在每个月时湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；与空气源热泵相比，湖库塘水源热泵性能更稳定、更有利；（3）在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为713661827，当考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统能效比在夏季降低2119，在冬季降低1589。因此说明对于湖库塘开式水源热泵系统，室外循环水泵能耗的存在较大的影响，应该在实际工程应用中采取措施降低循环水泵能耗。参考文献1申世超,黄高飞水源热泵空调系统能耗的分析与比较J医药工程设计200829（3）57592肖杰,范波,刘圣先某海水源热泵空调工程能耗分J析青岛理工大学学报200829（2）1411443由世俊,李秋生,李瑞新水源热泵空调系统能耗的温频法模拟与分析J200424（2）69734周亚素土壤热源热泵动态特性与能耗分析研究D上海同济大学200145范亚明，付祥钊湖泊、池塘的水温模型与最大供冷能力的分析研究J暖通空调,2009,727326范亚明湖库塘开式水源热泵的水体传热与系统性能研究D重庆重庆大学2009107刘莹，郑贤德，许新明冷水机组部分负荷性能分析J制冷，2000，463678ALLENJJ,HAM