地源热泵+多联机温湿度独立调节系统能效分析

谭超毅，胡海华，张 超，刘少杰

（1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工业大学 协同创新中心，湖南 株洲 412007；3. 湖南株洲市住房与城乡建设局，湖南 株洲 412007）

地源热泵+多联机温湿度独立调节系统能效分析

谭超毅1,2，胡海华1,2，张 超3，刘少杰1,2

（1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工业大学 协同创新中心，湖南 株洲 412007；3. 湖南株洲市住房与城乡建设局，湖南 株洲 412007）

对地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统和地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统2种方案的间歇运行方式和连续运行方式的综合能效比进行分析与计算，结果表明：潜热和新风负荷越小，系统的综合能效比越高，随着潜热和新风负荷的增大，系统的综合能效比下降；地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统间歇运行方式比连续运行方式的综合能效比更高；在实际工程中，常见的地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统比地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统的综合能效比高近1.4倍；地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统中，当潜热和新风负荷超过40%后，不管是间歇运行方式还是连续运行方式，其综合能效比都较接近，说明该系统对运行方式要求不高。

地源热泵；水冷多联机；风冷多联机；温湿度独立调节系统；综合能效比

0 引言

由于传统空调方式存在能耗较高、难以满足室内空气热湿比的变化要求以及影响室内空气品质等问题，越来越多的学者和工程技术人员开始对温湿度独立调节系统进行研究与应用[1-3]。温湿度独立调节系统可以将处理显热负荷的冷冻水温度从7 ℃提高到17 ℃，使冷水机组的性能系数提高40%以上，从而降低空调能耗30%以上[4-7]。张海强等人利用DeST软件，分别计算了广州和北京2栋办公楼相同空调系统的能效比（energy efficiency ratio，EER）及能耗，结果表明，温湿度独立调节系统比常规空调系统节能20%～30%[8-10]。由此可见，温湿度独立调节系统能有效减少能耗、节约能源，因此，具有较好的市场应用前景。

水冷多联机系统是新一代变冷媒流量多联系统（variable refrigerant volume，VRF），在我国的应用才刚刚起步，它既不同于传统的水源热泵、水环热泵空调系统，也不同于传统的风冷VRF系统[11-12]。该系统集合了变制冷剂流量空调系统和水源（环）热泵空调系统二者的优点，通过高效换热器和中间介质循环水，可以利用低品位的地热能进行制冷供暖，具有能效高、机组性能稳定、设计与安装自由、能同时制冷制热等优势。地源热泵与水冷多联机系统的联合应用，在保持水冷多联机系统各种优势的同时，能够充分发挥土壤源水温比地表水温更低、更稳定的特点，这使得该联合系统能效更高。因此，地源热泵+水冷多联机系统将更广泛地被用户所采用。

本文将对地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统（方案1）和地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统（方案2）2种方案的综合能效比进行计算分析，分析2种空调系统的能效特点并比较2种方案的综合能效比，以期为相关研究与技术应用提供理论参考。

1 方案1的综合能效比

为使问题简化，作如下假定：忽略不同方案因负荷变化对地埋管系统的影响，即认为进出地埋管系统的水温相同，并且不考虑热不平衡情况下系统辅助装置能效比及空调末端设备耗电量对2种方案综合能效比的影响。同时，设空调房间总负荷为Q，则有

式中：Q1为空调房间的新风和潜热负荷，kW；

Q2为空调房间的显热负荷，kW。

方案1中，地源热泵的冷冻水全部用于消除空调房间的显热负荷，新风负荷和潜热负荷由地源水水冷多联机组承担；地源侧设循环水泵并在分水器支管上设水冷多联机循环水泵。

方案1的综合能效比为

式中：EER1为方案1的综合能效比；

N11为方案1水冷多联机的耗电功率，kW，且N11=Q1/COP11，COP11=T11/(Tn11-T11)，其中，COP11为方案1水冷多联机的能效比，T11，Tn11分别为方案1水冷多联机的冷媒温度和冷凝温度，K；

N12为方案1地源热泵机组的耗电功率，kW，且N12=Q2/COP12，COP12=T12/(Tn11-T12)，其中，COP12为方案1地源热泵机组的能效比，T12为方案1地源热泵机的冷冻水温度，K；

N13为方案1水冷多联机冷却水循环水泵耗电功率，kW，且其中，H1为负荷侧资用压力，m H2O，c为水的比热容，kJ/(kg· K)，Δt1为进出制冷机的循环水温降，为水泵的效率；

N14为方案1地源侧循环泵耗电功率，kW，且其中，H2为地源侧资用压力，m H2O；

N15为方案1地源热泵冷冻水循环泵耗电功率，kW，且其中，Δt2为进出末端设备的冷冻水温降，K。

2 方案2的综合能效比

方案2中，地源热泵承担空调房间的显热负荷，风冷多联机承担潜热和新风负荷。

方案2的综合能效比为

式中：EER2为方案2的综合能效比；

N21为方案2风冷多联机的耗电功率，kW，且N21=Q1/COP21，COP21=21/(Tn21-T21)，其中，COP21为方案2风冷多联机的能效比，T21, Tn21分别为方案2风冷多联机的冷媒温度和冷凝温度，K；

N22为方案2地源热泵机组的耗电功率，kW，且N22=Q2/COP22，COP22=T22/(Tn21-T22)，其中，COP22为方案2地源热泵机组的能效比，T22为方案2地源热泵机的冷冻水温度，K；

N23为方案2风冷多联机风机耗电功率，kW，且其中，P为风机风压，Pa，为空气密度，kg/m3，cp为空气定压比热容，kJ/(kg·K)，Δt3为风冷多联机空气温升，为风机的效率；

N24为方案2地源侧循环泵耗电功率，kW，且N24=；

N25为方案2地源热泵冷冻水循环泵耗电功率，kW，且。

3 2种方案的综合能效比对比分析

根据式（1）～（3），分别计算EER1, EER2。计算时，取Q=1 000 kW，T11=-3 ℃；Tn11为地源侧循环水温度+2 ℃，参照文献[13]中的相关数据，系统间歇运行时为25 ℃，系统连续运行时为29 ℃；取T12=T22=17℃；Tn21为地源热泵冷冻水温度+2 ℃，Tn21=19 ℃；H1, H2均为20 m H2O；参照文献[5]中的相关数据，系统间歇运行时Δt1=10 ℃，系统连续运行时Δt1=6 ℃，Δt2=6℃；=0.65，=0.60；P=300 Pa。

系统间歇运行及连续运行时的综合能效比曲线如图1～2所示。

图1 系统间歇运行时综合能效比曲线Fig. 1 The comprehensive energy efficiency ratio curve in intermittent operating

图2 系统连续运行时综合能效比曲线Fig. 2 The comprehensive energy efficiency ratio curve in continuous operating

由图1～2分析可知：

1）地源热泵+多联机温湿度独立调节系统，其潜热和新风负荷越小，综合能效比越高；随着潜热和新风负荷增大，系统综合能效比下降。工程中常见的潜热和新风负荷占50%。方案1的综合能效比为12.25，方案2的综合能效比为5.07，方案1比方案2高141.62%。由此可见，方案1节能优势明显，在工程实践中应优先考虑。

2）方案1中，间歇运行时的配置由系统变频装置根据设计温度与室内温度状况实时决定，且此时系统综合能效比为12.25，系统连续运行的综合能效比为9.695，二者相差26.35%；方案2中，间歇运行时的配置同方案1，且此时系统的综合能效比为5.07，系统连续运行的综合能效比为4.84，两者相差4.75%。由此可见，地源热泵+多联机温湿度独立调节系统间歇运行方式比连续运行方式更节能，尤其是方案1的间歇运行方式比连续运行方式节能优势更加明显。

3）对于地源热泵+风冷多联机系统，当潜热和新风负荷达40%时，系统间歇运行比连续运行的综合能效比高6.7%；当潜热和新风负荷达50%时，系统间歇运行比连续运行的综合能效比高4.7%；当潜热和新风负荷达60%时，系统间歇运行比连续运行的综合能效比高3.2%；当潜热和新风负荷达90%时，系统间歇运行比连续运行的综合能效比仅高0.6%。由此可以得知，地源热泵+风冷多联机系统对运行方式的要求不高。

4 结论

通过对地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统和地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统2种方案的能效分析与计算，可以得出以下结论：

1）潜热和新风负荷越小，系统的综合能效比越高，随着潜热和新风负荷的增大，系统的综合能效比下降；同时，地源热泵+水冷多联机温湿度独立调节系统间歇运行方式比连续运行方式的节能优势更加明显。

2）工程实践中宜采用将地源热泵机组的冷冻水全部用于消除空调房间的显热负荷，且新风负荷和潜热负荷由地源水水冷多联机组来承担的方案。

3）地源热泵+风冷多联机温湿度独立调节系统，其综合能效比较低，不管是间歇运行方式还是连续运行方式，综合能效比都较接近，对运行方式的要求不高。

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（责任编辑：徐海燕）

Analysis on Energy Efficiency of GSHP + VRV Independent Temperature and Humidity Control System

Tan Chaoyi1,2，Hu Haihua1,2，Zhang Chao3，Liu Shaojie1,2
（1. School of Civil Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China；2. Collaborative Innovation Center， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China；3. Housing and Urban Construction Bureau of Zhuzhou City of Hunan， Zhuzhou Hunan 412007， China）

Analyzes and calculates the comprehensive energy ratios of intermittent operating mode and continuous operating mode for independent temperature and humidity control systems of GSHP - water cooling VRV and GSHP - wind cooling VRV. The results show that: The smaller the latent heat and fresh air load, the higher the integrated energy efficiency ratio will be, with the latent heat and fresh air load increasing, the system integrated energy efficiency ratio decreased. The integrated energy efficiency ratio of intermittent operating mode is higher than that of continuous operating mode for GSHP-water cooling VRV system. In practical engineering, the integrated energy efficiency ratio of common GSHP - water cooling VRV independent control system is 1.4 times higher than that of GSHP- wind cooling VRV system. When the latent heat and fresh air load is over 40% in GSHP-wind cooling RVR system, the integrated energy efficiency ratios of intermittent operating mode and continuous operating mode are similar, indicating that the system has little demand in operating modes.

ground-sourced heat pump；water cooling VRV；wind cooling VRV；independent temperature and humidity control system；integrated energy efficiency ratio

TU831.3+7

A

1673-9833(2015)05-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.001

2015-08-12

“十二五”国家科技支撑计划基金资助项目（2011BAJ03B07），湖南省科技厅基金资助项目（S2014Z2063）

谭超毅（1956-），男，湖南株洲人，湖南工业大学教授，主要从事建筑设备节能技术方面的教学与研究，E-mail：tanchaoyi123@126.com

胡海华（1991-），男，江西分宜人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为建筑设备节能技术，E-mail：huhaihua2014@163.com