基于bin法的温湿度独立控制土壤源热泵系统节能性研究

祝 健, 刘 饶, 姚 曜, 汤玲玲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

基于bin法的温湿度独立控制土壤源热泵系统节能性研究

祝 健, 刘 饶, 姚 曜, 汤玲玲

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

文章结合工程案例,用温度频率法(bin法)计算温湿度独立控制土壤源热泵系统在制冷季的逐时能耗,并与其他2种热泵空调系统逐项对比分析。研究结果表明:输送系统和空调末端能耗在整个空调系统中也占有较大的比例,不容忽视;温湿度独立控制土壤源热泵系统比地源热泵系统节能28.6%,比空气源热泵系统节能45.4%,节能效益明显。研究结果和方法可为新型空调系统的设计选择及性能评估提供参考。

bin法;温湿度独立控制;土壤源热泵;能耗分析;节能

0 引 言

传统空调系统能耗占到建筑总能耗40%以上[1]，因此暖通空调行业的节能潜力异常可观。近年来,由于在节能以及改善空气品质等方面的优点,温湿度独立控制系统受到越来越多的关注[2],并且逐步被推广应用[3-4];土壤源热泵系统也因其在节能和环保方面的宽广前景而受到广泛重视和支持。文献[5]对比分析了博物馆采用温湿度独立控制空调系统和常规空调系统的能耗,结果表明温湿度独立控制空调系统的节能率为21.9%,并能够保持室内的温湿度在一个高的精度范围内;文献[6]以bin法为基础,计算分析了地源热泵系统与空气源热泵系统的夏季能耗,地源热泵系统节能23.3%;文献[7]以TRNSYS软件为平台,建立了温湿度独立控制系统基础上的土壤源显热处理系统,通过与参考系统的全生命周期的比较,发现土壤源显热处理系统具有很好的节能和环保效益。这意味着,在暖通空调行业上合理地进行节能设计,对于社会总能耗的减少是很可观的。温湿度独立控制土壤源热泵系统综合了地源热泵和温湿度独立控制系统的优点,在改善室内空气品质的同时,也具有节能的特点。

目前对于温湿度独立控制的土壤源热泵系统的研究还较少,并且缺少逐时能耗的分析;空调系统各个部位包括冷源、输配系统、新风机组、末端等都占有一定的能耗比例。目前的能耗分析软件(如DOE-2、eQUEST、HASP等)较为复杂,不适用于一般设计和运行管理人员。建筑物能耗简算法中的温度频率法(bin法)按频数计算能耗,简便、直观,易于被工程技术人员接受,且对于工程项目应用具有极好的精度[8],因此本文采用温度频率法对温湿度独立控制的土壤源热泵系统的性能进行研究,以期为新型空调系统的选择和应用效果的准确评估提供参考。

1 温度频率法

温度频率法是由美国采暖、制冷与空调工程师协会(American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers，ASHRAE)提出的一种简化的能耗计算方法,其特征是根据地区的气象参数,将室外干球温度按一定间隔分段,统计各个温度段中的温度在全年或某一期间所出现的小时数,即时间频数。假设室外干球温度与建筑负荷(日射负荷、传导负荷、内部负荷、渗透风和新风负荷)有着线性关系,根据相应的计算方法,可得到不同建筑空调负荷与室外温度的关系式，依此计算建筑在不同温度段的负荷,再乘以各温度段的时间频数,相加便得到建筑全年能耗量。由此分析系统的全年能耗趋势,合理地进行空调系统的设计对比和运行管理[9]。

假设某个时刻的建筑负荷Q与室外空气温度t的关系为:

Q=Kt+C

(1)

其中,Q为某时刻的建筑冷负荷;K、C为冷负荷与室外干球温度相关的常数;t为室外干球温度。

假设当室外干球温度为t1时,建筑的冷负荷为Q1;当室外干球温度为t2时,建筑的冷负荷为Q2。由此可得方程组:

(2)

求解该方程组可得K和C值,然后带入(1)式中,可得建筑冷负荷与室外干球温度的线性函数。假定室外温度为t1时不需要开启空调,此时的建筑冷负荷Q1=0,则当外界温度为t时建筑的冷负荷为:

(3)

根据从文献[10]中获得的合肥地区典型年气象参数,对其中的逐时干球温度以2 ℃为间隔,统计各温度段小时数,整理得到合肥地区bin参数,见表1所列。

表1 合肥地区bin参数

2 工程实例

2.1 工程概况

项目地点位于安徽省合肥市滨湖新区,为某银行系统内部培训中心,空调系统24 h运行。建筑面积为11 757.77 m2,空调面积为8 020 m2,夏季总冷负荷为1 009 kW,夏季室内显热冷负荷为428 kW,夏季所需新风量为41 331 m3/h,从理论上计算分析3种系统在整个制冷期间的能耗:系统1,地源热泵+干式风机盘管+独立新风系统;系统2,地源热泵+风机盘管+独立新风系统;系统3,空气源热泵+风机盘管+独立新风系统。

2.2 主机能耗

根据设计方案,当室外温度为35.1 ℃时,系统1、系统2中地源热泵机组承担的冷负荷分别为386、1 009 kW,系统3中空气源热泵机组承担1 009 kW冷负荷。

3种系统的冷热源机组配置见表2所列，表2中COP为机组性能系数(coefficient of performance，COP)。

表2 3种系统的冷热源机组配置

在合肥地区室外温度达到26 ℃以上时,空调房间开始向室内提供冷量,则3种空调方案各热泵机组承担的冷负荷分别为Qf1、Qf2、Qf3,计算公式为:

(4)

(5)

(6)

其中,t为室外干球温度。

根据(4)～(6)式可以得到3种空调系统在室外温度大于26 ℃时任意温度段内机组承担的夏季冷负荷,28～38 ℃温度段内机组承担的冷负荷见表3所列。

表3 3种系统各温度段对应的冷负荷 kW

系统1选用的机组COP为6.08,在冷负荷发生变化时假设机组的COP值不变,则机组的冷负荷为84.84 kW(室外温度28 ℃)时,机组的输入功率为P28=84.84/6.08=13.95 kW,根据合肥地区bin参数可知夏季室外温度为28 ℃时的全年小时数为546,故温湿度独立控制的土壤源热泵系统在夏季室外干球温度为28 ℃温度段内的全年能耗为152.2 kW·h。

3种系统中各温度段对应的热泵机组能耗见表4所列。对各温度段内的能耗进行统计可知:3种系统中的热泵机组在夏季的总能耗分别为3.809×104、 8.711×104、19.100×104kW·h,就系统的主机而言,在整个夏季制冷期间,系统1比系统2节能56.3%,系统1比系统3节能80.1%,而系统2比系统3节能54.4%。

表4 3种系统的热泵机组能耗 kW·h

2.3 输送系统能耗(水泵和风机)

2种地源热泵系统水泵配置见表5所列,3种热泵系统中各温度段对应的冷冻水泵能耗见表6所列。

表5 2种地源热泵系统水泵配置

表6 3种系统的冷冻水泵能耗 kW·h

当泵处在理想的变频状态(无级变频)时,由表6可知,系统1冷冻水泵能耗为2.22×104kW·h,系统2和系统3冷冻水泵能耗为2.64×104kW·h。

根据系统热泵机组承担的冷负荷大小,可知各系统冷凝器散热量,其中系统1地源侧不仅要承担主机的冷凝热,还要承担新风机组中直膨式冷却系统中冷凝器的散热量,基于能量守恒原则计算冷凝侧热量为:制冷量+压缩机耗功=冷凝热。与冷冻水泵能耗计算方法相同,可得系统1、系统2冷却水泵能耗分别为2.22×104、6.59×104kW·h。

系统3的主机采用风冷形式,故冷凝侧没有水泵,取而代之的是风机,风机的功率为36 kW,当风机在变频状态时,采用与水泵能耗相同的计算方法可得出风机在制冷季节的能耗为2.16×104kW·h。

综合上述分析,当输送系统处在变频状态时,3种系统的能耗分别为4.44×104、9.23×104、4.80×104kW·h。

2.4 室内末端能耗

系统1中末端采用干式风机盘管,选择了116台风机盘管,总功率为24.940 kW;而系统2和系统3中末端采用风机盘管,选择了116台风机盘管,总功率为10.455 kW。3种系统风机盘管夏季运行总耗电量分别为∑PFP1、∑PFP2、∑PFP3，即

∑PFP1=24.940×1 340=

3.34×104kW·h

(7)

∑PFP2=∑PFP3=

10.455×1 340=1.40×104kW·h

(8)

2.5 新风机组能耗

通过除湿量校核,负荷计算所需新风量可以满足温湿度独立控制系统中所需新风的要求,系统1选择了14台送风量为3 000m3/h的热泵式溶液调湿新风机组,每台功率为0.86kW,压缩机输入功率为10.9kW。系统2和系统3选择了14台送风量为3 000m3/h的新风机组,每台功率为0.86kW。

系统2和系统3的新风机组夏季运行总耗电量分别为∑PXF2、∑PXF3,即

∑PXF2=∑PXF3=

0.86×1 340=0.12×104kW·h

(9)

系统1新风机组(直膨段)各温度段对应的冷负荷和能耗见表7所列。

表7 系统1中新风机组(直膨段)各温度段对应的冷负荷和能耗

而系统1新风机组的能耗由2个部分组成,即风机能耗和内置的直膨式冷却的压缩机能耗,压缩机的能耗和主机的能耗采用一样的算法,将表7各温度段内对应的压缩机能耗叠加,得到压缩机在整个制冷期的能耗为2.18×104kW·h,则系统1新风机组夏季运行总耗电量为∑PXF1,即

∑PXF1=0.12×104+2.18×104=

2.30×104kW·h

(10)

综合上述分析可知,系统1在夏季的总能耗为2.30×104kW·h，系统2和系统3在夏季的总能耗为0.12×104kW·h。

2.6 系统能耗分析

综上所述,在整个制冷季期间,3种空调系统各组成部分的能耗见表8所列。

表8 3种系统各组成部分的能耗 104 kW·h

由表8可知,系统1温湿度独立控制土壤源热泵系统制冷季总能耗为13.89×104kW·h,其中输送系统所占比例最大,达到31.97%,空调末端所占比例为24.05%;系统2常规地源热泵系统制冷季总能耗为19.46×104kW·h,输送系统所占比例最大,达到47.43%,末端能耗所占比例为7.19%;系统3空气源热泵系统制冷季总能耗为25.42×104kW·h,其中制冷机组能耗所占比例最大,达到75.17%,末端能耗所占比例为5.51%。

温湿度独立控制的土壤源热泵系统相比于其他2种系统的节能率分别为28.6%和45.4%。具体到各部分,主机能耗节能率分别为56.3%和80.1%,对整个系统节能贡献率最大;输送系统的节能率分别为51.9%和7.5%,对整个系统的节能贡献率次之;新风机组和空调末端能耗都比另外2种系统要高,原因是温湿度独立控制系统中的新风机组和空调末端运行要求比较高,耗能部位较多。

3 结 论

本文利用bin参数法对合肥某建筑的3种热泵系统能耗进行了统计计算和对比分析,考虑了主机能耗、输送系统能耗、新风机组能耗以及室内末端能耗。3种系统的制冷季能耗计算结果显示,温湿度独立控制的土壤源热泵系统的节能效果显著,与地源热泵+风机盘管+独立新风系统和空气源热泵+风机盘管+独立新风系统相比,节能率分别达到28.6%和45.4%。其中制冷主机的节能贡献率最大,原因是温湿度独立控制系统中的主机只需承担显热负荷,冷冻水进出水温度提高,制冷效率有了较大提高;冬季供热时期,温湿度独立控制系统末端温度比常规系统温度要低,能效比更高,而且不需担心结露等空气品质问题,因而温湿度独立控制土壤源热泵系统在冬季会具有更大的优势。另外,以往对于空调系统能耗的分析,大都只分析冷热源机房部分,从本文工程实例来看,输送系统和空调末端能耗也占有较大比例,最大可达到56%,因此,这2个部分的节能潜力也是很可观的。

[1] 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调，2005,35(5)：30-40.

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[3] 范园园,吕守洋,李翔.某艺展中心温湿度独立控制系统设计[J].暖通空调，2011,41(5)：39-43.

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[9] 毛会敏.土壤源热泵空调系统的设计与经济性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

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(责任编辑 张淑艳)

Study of energy efficiency for temperature and humidity independent control with soil source heat pump system based on bin method

ZHU Jian, LIU Rao, YAO Yao, TANG Lingling

(School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

Based on an engineering case， the hourly energy consumption of the temperature and humidity independent control with soil source heat pump system in cooling season is calculated by using temperature frequency method(bin method), and the results are compared with the data of other two kinds of heat pump air conditioning systems. The results indicate that the energy consumption of the conveying system and the air condition terminal also accounts for a higher proportion， which cannot be ignored; the temperature and humidity independent control with soil source heat pump system has an obvious energy effect, its energy efficiency is 28.6% higher than that of the ground-source heat pump system and 45.4% higher than that of the air source heat pump system. The method and results can provide references for the choice of designs of new air conditioning system and its performance evaluation.

bin method; temperature and humidity independent control; soil source heat pump; analysis of energy consumption; energy saving

2015-09-18；

2015-12-03

合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(2013HGXJ0410)

祝 健(1967-),女,安徽宿松人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.016

TU831.31

A

1003-5060(2017)04-0511-05