风冷式螺杆热泵冷热源在办公建筑中的能耗分析

夏志++顾平道

摘要：指出了冷热源是空调系统中最重要的组成部分，冷热源的设计与选型是否合理，直接影响到空调系统的运行经济性和使用效果，风冷式冷热水机组是以空气作为冷（热）源，以水作为传热介质的中央空调机组。选用风冷式螺杆热泵作为冷热源对建筑大楼的空调系统设计，进行能耗模拟，与原VRV空调系统进行了对比，发现能耗上升，对其能耗进行了分析，提出了冷热源选型的策略。

关键词：能耗模拟；VRV系统；冷热源选型

中图分类号：TU111.4

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16013404

1引言

建筑能耗指在建造和使用建筑物过程中所消耗的能量总和。建筑能耗在社会总能耗中占有很大的比例，随着建筑业的快速发展、建筑功能要求的不提高，以及近年来我国城镇化进程的快速推进，建筑能耗的占比例越来越大[1] 。而在建筑能耗中，空调能耗又占主要比例。因此，对空调系统进行节能研究，具有重要的社会意义。

研究对象是上海市某办公建筑的空调系统，通过eQUEST软件对该建筑的原VRV 空调系统的能耗水平进行分析和研究，以螺杆式风冷热泵为冷热源研究对象，在其他参数不改变的条件下，进行空调系统设计，建立以螺杆式风冷热泵为冷热源的对比模型，与原空调模型进行对比，分析两种模型的能耗水平，并提出空调系统冷热源选择的建议。

2工程概况及模型建立

上海市某综合办公楼为甲类建筑，高49.9 m，建筑面积约13567.21 m2。计算得出，该大楼冬季、夏季的冷热负荷需求分别为1249 kW、920 kW。采用的空调形式为VRV智能化中央空调系统，主楼4～12层室外机设于主楼屋顶，通过管道接至室内机，空调气液管均设于管井。除大会议室采用四面出风型卡式风盘，其余均采用天花板嵌入导管内藏式，室内机标配冷凝水提升泵。

2.1物性参数的设定

外墙围护结构综合传热系数0.72 W/（m2·k），屋顶围护结构综合传热系数0.46 W/（m2·k）。

窗户为断桥铝合金低辐射中空玻璃窗（6+12A+6遮阳型），传热系数为2.20 W/（m2·k），综合遮阳系数Sw为0.35，气密性为6级，可见光透射比为0.61。该大楼东、南、西、北各方的窗墙比分别为31.5%、10.4%、31.5%、10.4%。

2.2室内温度、新风量及热扰

办公大楼的热扰主要是人员、照明和设备三大类，人员密度、照明密度和设备功率密度以及新风量和室内温度设定见表1，人员逐时在室率见图1。

2.3空调系统模型模拟

该大楼选用的是多联机智能化中央空调系统，23台室外机，该空调系统的制冷、制热量分别为1299 kW、1462 kW（标况）。

夏季，空调冷负荷从7：00开始迅速上升，8：00时刻达到最大，峰值为1201.16 kW，见图2。冬季，空调系统的最大热负荷也在8：00时刻出现，为870.43 kW，主要是围护结构有蓄热功能，而模拟计算的结果是不计代价的，见图3（注：该办公楼有卧室功能区，故夜间也有冷/热负荷）。

2.4建筑物能耗构成

办公建筑的能耗一般包括空调能耗、照明能耗、办公设备能耗以及电梯设备能耗。大楼各能耗占比情况见图4。

3风冷热泵系统能耗模拟及差异分析

3.1螺杆式风冷热泵空调系统的设计

针对前述的建筑物以及冷热负荷情况，新建模空调型，以螺杆式风冷热泵为冷热源，末端为风机盘管FCU。风冷式冷水机组采用空气冷却方式，省去了冷却水系统所必不可少的冷却塔、冷却水泵和管道系统，避免水质过差地区造成冷凝器结垢、水管堵塞，还节约了水资源，是冷水空调设备产品中，维修保养最经济、简单的机种。因此在商场、医院、宾馆、工厂、办公大楼等不同类型的建筑中得到了广泛应用。

夏志，等：风冷式螺杆热泵冷热源在办公建筑中的能耗分析

能源与节能

螺杆式风冷热泵机组的具体参数见表2。

为了简化模拟计算，只选用一种型号为FP-136的风机盘管，共171台，具体参数见表3。 在新风机方面，根据大楼41000 m3/h的总新风量设计要求，选择某厂家CLCP-014型号的组合式空气处理机组，共3台，单台风量为14000 m3/h，功率为12 kW。此外，选用某厂家生产的BYQDL150-30-2型号变频水泵2台，功率为30 kW，流量为140 m3/h，扬程为49 m，转速为2950 r/min，夏季用作冷冻水泵，冬季用作热水泵。

3.2与VRV空调系统能耗的比较

热泵+FCU模型的建筑物总能耗模拟结果如图5、表4所示。

通过计算可知，热泵+FCU空调系统总能耗884.1 MW·h，单位面积空调能耗为65.16 kW/m2。VRV空调系统总能耗550.6 MW·h，单位面积能耗为40.58 kW/m2。热泵+FCU模式下，空调能耗上升37.73%。

4模拟结果分析

针对所建立的建筑模型，根据空调系统运行时间，对全年供冷季节冷负荷率（小于30 kW的忽略）、分布时间进行了统计，结果如圖6所示。

由图6可以看出，全年满负荷供冷的时间特别少，约23 h。为便于比较分析，按冷负荷率的大小，把空调系统的运行分布分为低、中、高负荷三个档次：低负荷运行（冷负荷率10%～20%）；中负荷运行（冷负荷率30%～70%）；高负荷运行（冷负荷率80%～100%）；三个档次运行所占总供冷时间的比例如图7所示。

在供冷季节，设备有43.63%的时间处于低负荷运行状态，40.13%的时间在中负荷下运行，仅有16.24%的时间在高负荷下运行。而冷水机组只有在高负荷运行的情况下才能高效运行[2]。endprint

除VRV系统之外的中央空调系统，从制冷机出来的冷量，必须经过二次冷媒-水，才能传递到空调区域的空气中，实现制冷降温。具体地讲，VRV系统首先需要用水泵把冷源蒸发器中的冷水送至空调机组的冷水盘管中，然后由中央风机把空调机组换热产生的冷空气，经过大型的风管网络，送至各末端热区域，从而得以与区域的回风掺混，实现空调制冷的目的[3]；对于 FCU 系统，则需要用水泵把冷源蒸发器中的冷水经过水管网络带到末端风机盘管，两种系统都存在着二次换热过程及冷冻水的传输能耗。由于总的换热效率降低，不可避免地产生冷损失，致使能耗增加。对于水冷式制冷机，还需要冷却塔和冷却水泵，增加了换热环节，使冷凝换热效率降低，虽然其主机 COP 较采用风冷方式的制冷机为高，却带来了冷却水的传输能耗。VRV作为一种直接膨胀式空调系统，省却了上述的换热环节，避免了二次冷媒的动力传递损失，提高了能源利用效率[4]。

以螺杆式风冷热泵为冷热源对研究对象进行空调系统设计，在不改变其他参数的情况下，建立以螺杆式风冷热泵为冷热源的对比模型，与参照建筑进行对比，发现对比模型空调能耗较之原始模型上升37.73%，说明VRV空调系统在节能方面具有很大的潜力，并且对VRV系统的节能原因进行分析，主要是因为空调系统全年运行时，有绝大部分的时间是处在低负荷运行

状态，而冷水机组在低负荷运行时性能表現差，与之相反，VRV机组在部分负荷时表现突出，在40%负荷时，机组的COP值达到最高（图8）。

5冷热源选型策略

综合分析比较，对建筑物空调系统冷热源的选型建议如下。

（1）在空调系统冷热源选型时，要考虑空调的同时使用系数。

（2）对于综合性建筑物内空调用户比较分散，且各用户空调开关使用时间不尽相同，并且要兼顾节假日和晚上个别功能区加班等特殊情况下的空调使用时，选用VRV空调系统。

参考文献：

[1]

戎卫国. 建筑节能原理与技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[2]王洪利，马一太，姜云涛，等. 多联机VRV系统研究[C]∥中国制冷学会.中国制冷学会2007学术年会论文集.杭州：中国制冷学会，2007：5.

[3]周宴平. 变频多联空调系统的能耗分析和实验研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[4]周宴平. EnergyPlus中变频多联空调的模块开发和能耗仿真分析[J]. 系统仿真学报， 2007， 19（20）：4811.endprint