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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(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù)，歸納總結(jié)出描述建筑特點(diǎn)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(jià)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(jià)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(diǎn)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(shí)際建筑形式與特點(diǎn)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(gè)問題始終是我們工程設(shè)計(jì)中先要明確的問題。
文獻(xiàn)[1]、[2]曾分析過這個(gè)問題，提出系統(tǒng)運(yùn)行能耗的靜態(tài)分析法和計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)分析法。本文在此基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)能耗動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果為依據(jù)，歸納總結(jié)出建筑特點(diǎn)（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(jià)參數(shù)）間的內(nèi)在關(guān)系，從而提出一種能耗評價(jià)方法，稱為參數(shù)評價(jià)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(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷等特征的參數(shù)。本文提出
1．1建筑物負(fù)荷特性參數(shù)r
參數(shù)r定義為：
對于新風(fēng)單獨(dú)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(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)：
（2）
式中r----建筑負(fù)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(fēng)量，m3/h；
----建筑內(nèi)部負(fù)荷，W/m2；
ξ----折算系數(shù)，（m2·h）/m3新風(fēng)負(fù)荷以ξ折算為與之相當(dāng)?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(fù)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?jǐn)偟慕ㄖ䞍?nèi)部熱量。R越大，表明建筑物內(nèi)的余熱越多。
1．2建筑負(fù)荷密度y
參數(shù)定義為：
�。�3）
式中----建筑負(fù)荷密度，W/m2；
A----總面積，m2；
----建筑周圍邊地區(qū)當(dāng)量負(fù)荷W/m2，其值見表1。
區(qū)當(dāng)量負(fù)荷W/m2，其值見表1。
地點(diǎn)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(fēng)負(fù)荷占總負(fù)荷的比例。
2水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價(jià)的比例
所謂的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價(jià)參數(shù)是指用來描述水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的主要信息。通過幾個(gè)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(dāng)?shù)脑u價(jià)。
2.1水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能耗評價(jià)公式
文獻(xiàn)[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(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)）、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(jià)公式。由此可見，當(dāng)ηnh1>kηnh2+b時(shí)，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(dāng)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)熱電效率比ηnh1＜b時(shí)，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(jià)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(gè)能耗評價(jià)參數(shù)。除此之外，還提出了第三個(gè)參數(shù)c。
當(dāng)兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同的熱源形式時(shí)，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(jià)線上的一個(gè)特征點(diǎn)（見圖1），c點(diǎn)表明兩種空調(diào)系統(tǒng)采用相同熱源形式時(shí)，電耗差值與熱耗差值之比。
參數(shù)c的意義為：當(dāng)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(shí)（ηh1=ηh1=ηh），若其電熱效率比ηnh>c，則有Ｅ2＜Ｅ1，反之，當(dāng)ηnh＜c，則有E2＞E1。
由式(6a)易得：
b=c·(1-k)（8）
但應(yīng)注意，影響電耗差值大小的因素主要是：一是運(yùn)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(gè)評價(jià)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(shí)，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)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(jià)，可通過四個(gè)評價(jià)參數(shù)k,b,c(或c′)，eb作出評價(jià)。因此，如何求得四個(gè)評價(jià)參數(shù)是解決問題的關(guān)鍵。
3建筑負(fù)荷特征參數(shù)與水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價(jià)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(fù)荷特征參數(shù)求得水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價(jià)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(fù)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(fēng)機(jī)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(fù)荷不同）的建筑物進(jìn)行模擬計(jì)算[3]，對上海地區(qū)采用新風(fēng)獨(dú)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(fù)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(diǎn)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(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵的空調(diào)系統(tǒng)r～1/c′的相應(yīng)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(jià)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(zhǔn)線，則滿足r=15～45W/m2的建筑，其1/c′值位于其基準(zhǔn)線上方，這就是說在上海，新風(fēng)獨(dú)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(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風(fēng)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(gè)城市中r～1/c′曲線
(a)新風(fēng)單獨(dú)處理的水源熱泵系統(tǒng)(HPFC)；（b）水－水熱泵處理新風(fēng)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(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)和水/水熱泵處理新風(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國四個(gè)城市的～pr曲線圖。
圖4～pr曲線
(a)新風(fēng)單獨(dú)處理的水源熱砂系統(tǒng)(HPFC);(b)水-水熱泵處理新風(fēng)的水源熱泵系統(tǒng)(WSHP)
3．3能耗評價(jià)參數(shù)k與建筑負(fù)荷特性參數(shù)r的關(guān)系
通過同上的模擬計(jì)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(fēng)的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，k～r的對應(yīng)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(dāng)其建筑負(fù)荷特性參數(shù)達(dá)到30W/m2時(shí)，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(fēng)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(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，由于其新風(fēng)獨(dú)立處理，因而其總供熱能耗中包括兩種性質(zhì)的能耗。承擔(dān)房間負(fù)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(fù)荷參數(shù)r有一定的關(guān)系，而新風(fēng)部分的供熱能耗與反映新風(fēng)負(fù)荷占總熱負(fù)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(fēng)的熱源能耗；
kr----kr=B2r/B1；
kL----kL=BL/B1。
新風(fēng)獨(dú)立處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在四個(gè)城市中的kr～r，kL～ra的關(guān)系示于圖6和圖7上。當(dāng)求得c、k后，可由式（8）計(jì)算出b參數(shù)。
圖6新風(fēng)獨(dú)立處理時(shí)水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)kr～r關(guān)系圖圖7新風(fēng)獨(dú)立處理時(shí)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(jì)算中應(yīng)注意，這里的參數(shù)r值應(yīng)由公式
�。�2）計(jì)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(jià)法的評價(jià)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(fēng)量L及建筑內(nèi)部負(fù)荷。
4．2計(jì)算建筑負(fù)荷特性參數(shù)：根據(jù)式（1）、（2）、（3）、（4）計(jì)算出r、、ra三個(gè)負(fù)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(fēng)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(fēng)獨(dú)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(jià)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(yùn)行能耗比。
5算例
北京某建筑，標(biāo)準(zhǔn)層面積2800m2，長×寬=40m×70m內(nèi)部負(fù)荷40W/m2，新風(fēng)負(fù)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(fēng)量L=0.1×30×2800=8400m3/h。
于是，將計(jì)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(gè)系統(tǒng)的能耗評價(jià)曲線，見圖9。
圖9水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗評價(jià)圖
新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)（HPFC）能耗評價(jià)計(jì)算表2初始條件地點(diǎn)
北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072SI(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(/Wm2)
40
建筑負(fù)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(jià)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(fēng)的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)（WSHP）能耗評價(jià)計(jì)算表表3
初始條件地點(diǎn)北京S(m2)
2800Sp(m2)
1072Si(m2)
1728a(m3/h)
8400Ldi(W/m2)
40
建筑負(fù)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(jià)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(gè)ηnh1值使常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與之相等。利用能耗評價(jià)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(dāng)?shù)某Ｒ?guī)系統(tǒng)方案（ηh1軸上）。則易得出：六個(gè)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(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)電鍋爐ηnh=1
2風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)燃煤鍋爐ηnh=0.386
3新風(fēng)單獨(dú)處理的水環(huán)熱泵系統(tǒng)（HPFC）電鍋爐ηnh=1
4新風(fēng)單獨(dú)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(fēng)（WSHP）電鍋爐ηnh=1
6水源熱泵，水-水熱泵處理新風(fēng)（WSHP）燃煤鍋爐ηnh=0.386
利用公式（11a），可以進(jìn)一步得出幾種空調(diào)方案的能耗比。計(jì)算結(jié)果列入表5中。
六個(gè)空調(diào)方案運(yùn)行能耗比較表5
方案基準(zhǔn)方案：1
ηnh=1eb=0.4運(yùn)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(jì)時(shí)，應(yīng)先判斷該方案是否節(jié)能。為此，提出一種運(yùn)行能耗的參數(shù)評價(jià)法，在工程設(shè)計(jì)中，是有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。
參考文獻(xiàn)
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(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)算機(jī)模擬分析，哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（3）：57
3曹源，閉式環(huán)路水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗分析及其在我國應(yīng)用的評價(jià)：[碩士學(xué)位論文]。哈爾濱建筑大學(xué)圖書館，1996年。
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