海水源热泵与传统空调系统制冷工况下能耗比较分析

1、海水源热泵与传统空调系统制冷工况下能耗比较分析关键词:海水源热泵;制冷工况;能耗对比 0引言 海水源热泵是一种新式空调系统,人们对它的节能性还不是十分了解。本文通过使用系统各部分已有能耗数学模型,在设计制冷工况下对海水源热泵系统进行理论能耗分析,并与传统式空气源空调系统能耗相比较,得到海水源空调系统的节能率。 1海水源热泵空调系统能耗计算 由于海水的腐蚀性,目前国内投入使用的海水源热泵空调系统采用板式换热器将海水循环系统与水环系统分隔开1。海水源热泵空调系统运行过程中,在板式换热器内冷却水流速一定的基础上,海水流速的变化将会影响到板式换热器换热系数、板式换热器出水温度(冷凝器进水温度),最后影

2、响到制冷机的能耗。制冷工况下,板式换热器出水温度愈高,海水流速则低海水泵能耗愈小,但同时热泵机组能耗则会升高,反之亦然2。因此我们需要确定最优板式换热器出水温度。本文采用微分自适应优化控制策略确定最优板式换热器出水温度3。 1.1 热泵机组的能耗模型 本文制冷工况下采用Gordon-Ng制冷机数学模型4,模型包含蒸发器出水温度、冷凝器进水温度、机组制冷量三个已定参数和 、 、 三个与机组性能有关的待定系数,下式为制冷机组能耗模型公式。 (1) 式中: 冷凝器进水温度,K;蒸发器出水温度,K; 制冷机组制冷量,kW; 热泵机组能耗,kW。 把工程使用的热泵参数代入式(1)经拟合可求得 、 、 三

3、个系数。 制热工况下需建立热泵计算机模型,模型包括热泵参数数据库以及通过该数据库对制热量和输入功进行插值。 1.2 水泵能耗模型 水泵的扬程H指单位质量流体通过泵所获的的有效能量,在单位时间内通过泵的流体所获得的总能量即为泵的有效功率,以符号 表示5。 (2) 式中: 水泵的实际功率,kW; 水泵的有效功率,kW; 水的容重,N/m3; 水泵的流量,m3/s; 水泵的扬程,m; 泵的全效率。 根据微分自适应优化控制策略可确定最优板式换热器出水温度,同时确定与之相对应的板换内海水流速,进而确定海水流量和板换内海水压降、海水扬程。 (3) 式中: 海水流量,m3/s; 板式换热器内海水流速,m/s

4、; 单片板式换热器流道横截面积,m2; 板式换热器片数,片。 冷冻水泵流量根据制冷量和冷冻水供回水温差确定,扬程根据工程需要确定。 (4) 式中: 冷冻水流量,m3/s; 水的比热,可kJ/(kg #8226;); 冷冻水供回水温差,。 2风冷热泵空调系统能耗计算 2.1 风冷热泵能耗模型 风冷热泵在运行时,其运行参数受环境温度的影响很大,制冷量、耗功率随环境温度变化的关系如下6。 (5);(6) 式中: 制冷(热)量,kW; 制冷(热)时消耗的功率,kW; 室外温度,; 、 、 、 四个机组性能参数由风冷热泵的样本资料确定。 2.2 冷冻水泵流量、扬程的确定 冷冻水泵流量根据制冷量和冷冻水供

5、回水温差确定,计算公式同式(4),扬程根据工程需要确定。 3实际算例 3.1 海水源热泵空调系统能耗计算 针对沿海某一建筑夏季设计冷负荷为700kW,制冷工况下海水温度1925,蒸发器出水温度6。冬季设计热负荷为560kW,制热工况下海水温度310,热水出水温度60。热泵选用某厂家QYHP-880GD型水源热泵,其制冷量为574726kW,制冷输入功率185256 kW,制热量为500880kW,制热输入功率198287 kW。将热泵样本参数带入式(1)拟合可得到系数: =0.2162; =162.6892; =0.0186 将其带入式(1)可得热泵能耗公式: (7) 板式换热器选用BR0.5

6、型换热器201片,换热面积100m2,流道截面积0.00169 m2。 根据微分自适应优化控制策略可确定制冷工况下对应于1925各海水温度点的最优板换出水温度(冷凝器进水温度),见表1。代入式(1)可求得各海水温度点的热泵能耗。 表1 制冷工况下对应于各海水温度点的冷却水温度 海水温度() 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 25.00 冷却水温度() 21.96 22.97 23.98 24.99 26.00 27.02 28.03 根据微分自适应优化控制策略确定制热工况下对应于511各海水温度点的最优板换出水温度(蒸发器进水温度),见表2。将其与制热量、

7、热水出水温度代入已建热泵模型数据库进行插值计算可得热泵制热能耗。 表2 制热工况下对应于各海水温度点的热泵源侧水温度 海水温度() 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 源侧水温度() 1.76 2.87 3.93 5.04 6.08 7.12 8.15 将最优板换出水温度点对应的板换内海水流速 带入式(3)可确定海水流量 和扬程 ,将其带入式(2)求得海水泵能耗。 根据式(4)可确定冷冻水泵流量 ,扬程设为25米,带入式(2)可确定冷冻水泵能耗。3.2 风冷热泵空调系统能耗计算 风冷热泵选用一台某厂家AWHC-L200型热泵,额定制冷量723kW,制冷压缩

8、机额定功率230.9 kW,额定制热量645 kW,制热额定功率240 kW。冷凝器风扇功率18.2kW。将样本参数代入式(5)、(6)可分别求得制冷和制热工况下系数 、 、 、 ,将其带入式 (7)可得风冷热泵制冷和制热能耗公式: (8) (9) 将各室外空气温度点代入式(5)可得风冷热泵机组能耗。 冷冻水泵能耗计算同海水源热泵空调系统。 4结果分析 4.1 热泵机组性能系数COP值的比较 在制冷工况下,风冷热泵在2335运行,其热泵机组COP值在2.813.67,室外空气温度每降低一度,热泵机组COP值提高1.8%-2.3%;海水源热泵在海水温度1528之间运行,其热泵机组COP值达到3.

9、795.04,蒸发器进水温度每降低一度,热泵机组COP值可提高2%-2.5%。由此可见海水源热泵机组COP值远远高于风冷热泵。在负荷相同状况下海水源热泵机组能耗比风冷热泵机组低35%左右。 4.2 系统总能耗的比较 由于海水源热泵比风冷热泵系统多了冷却水泵和海水泵,因此其辅助设备的能耗在系统总能耗中所占的比例要远远高于风冷热泵系统。 图1风冷热泵能耗占系统总能耗的百分比图2海水源热泵能耗占系统总能耗的百分比 从图1、图2可以看出,风冷热泵机组能耗占系统总能耗的比例在84.5%86.5%之间,海水源热泵机组能耗占系统能耗的74%左右,并且随着冷却剂温度的升高机组能耗所占比例也会增加,这是因为冷却

10、剂温度上升导致机组效率降低,能耗增大,但辅助设备能耗基本不变。 由于一天当中海水温度变化范围很小,因此海水源热泵系统能耗主要与建筑负荷有关,系统运行较为稳定。在同样负荷情况下,风冷热泵能耗受室外温度变化影响很大。在早晚室外温度较低时,风冷热泵系统COP较高,可达3.0左右,但仍低于海水源热泵空调系统在海水温度最高时的COP值3.05。在室外温度最高点时风冷热泵COP值约为2.65,海水源热泵系统在海水温度最低时COP值可达3.35。综合比较在负荷相同情况下海水源热泵空调系统比风冷热泵空调系统节能约20%左右,节能效果显著。 5结论 本文通过建立海水源热泵空调系统和传统空调系统能耗数学模型并结合工程实例对两种空调系统能耗进行对比分析。从技术角度上来讲,海水源热泵COP值比