特0806023低環(huán)境溫度空氣源熱泵冷水機組產品標準的名義工況研究

1、低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組產品標準的名義工況研究韓林俊 1, 王嘉 1, 石文星 1, 謝嶠 2, 張樂平 2（1 清華大學建筑學院 , 2 同方人工環(huán)境有限公司）摘 要： 作為寒冷地區(qū)空調系統(tǒng)冷、熱源設備的低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組近年來得到快速 發(fā)展，迫切需要建立其產品標準，其中名義工況的確定是其首要問題。本文認為，為保持標準的延續(xù)性， 其名義制冷工況應與 GB/T18430 保持一致； 在此基礎上本文提出其制熱運行時空氣側和用戶側的名義工況 確定方法，并通過對氣象參數的統(tǒng)計分析與傳熱計算分析給出了具體的建議方案，為商用和戶用低環(huán)境溫 度空氣源熱泵（冷水）機組的標準制定提供參考

2、。關鍵詞： 低環(huán)境溫度空氣源熱泵；標準；名義制熱工況；采暖Research on Nominal Conditions for Standard of Low EnvironmentTemperature Air Source Heat Pump (Water Chilling) Packages1 1 1 2 2HAN Linjun 1, WANG Jia1, SHI Wenxing 1, XIE Qiao 2, ZHANG Leping 21 2( School of Architecture, Tsinghua University, Tongfang Artificial Enviro

3、nment CO. LTD)Abstract: Low environment temperature air source heat pump (water chilling) packages have been rapidly developed as cooling and heating sources of air-conditioning system for cold region recent years. The product standard is needed urgently, in which the defining problem of nominal con

4、ditions lies first. To maintain the continuity of standards, this paper suggests nominal cooling conditions of new standard be kept as GB/T18430, based on which, defining method of nominal heating conditions for both air-side and user-side is raised. Concrete proposal projects are given after the st

5、atistic of meteorological parameters and the calculation of heat transfer, which provide reference idea for the standards of industrial and commercial low temperature heat pumps.Keywords: Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (LET-ASHP); Standard; Nominal Heating Condition; Heating1. 前言 利

6、用空氣源熱泵供熱是一類高效清潔的采暖方式， 其突出優(yōu)點在于獲取熱源的便利性與 清潔性， 并具有較大的節(jié)能潛力。 近年來， 適合我國北方寒冷地區(qū)的低環(huán)境溫度空氣源熱泵 技術得到迅速發(fā)展，其產品即低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組（簡稱：低溫熱泵）逐漸 成為這些地區(qū)重要的空調冷熱源設備。由于低溫熱泵冬季采暖時的室外空氣溫度最低可達 -20 ，但現(xiàn)有相關標準僅適用于環(huán)境溫度不低于-7的情況，故需填補標準空白，從而為企業(yè)的產品開發(fā)、 性能檢測提供統(tǒng)一的測試條件與能效目標， 促進行業(yè)健康規(guī)范發(fā)展， 縮小 與國際先進水平的差距， 由此可見， 商用、 戶用及類似用途低溫熱泵國家標準的起草和制定 刻不容緩。本文

7、將圍繞低溫熱泵名義工況的確定問題展開討論， 重點探討其名義制熱工況的確定方 法，并給出其名義制冷與名義制熱工況建議方案。2. 名義制冷工況的確定 低溫熱泵不僅需要實現(xiàn)冬季采暖， 還需同時承擔夏季的制冷功能。 為保持相關標準的一 致性和延續(xù)性， 低溫熱泵名義制冷工況應與現(xiàn)行標準GB/T18430蒸氣壓縮循環(huán)冷水 （熱泵）機組(報批稿)一致，即用戶側的水流量為0.172 m3/(h kW) ，機組出水溫度為 7；空氣側的干球溫度為 35 1 。3. 名義制熱工況的確定 低溫熱泵標準的名義制熱工況既需體現(xiàn)低溫熱泵在低環(huán)境溫度下制熱運行的顯著特點， 也需體現(xiàn)采暖設計的環(huán)境條件， 這正是該標準區(qū)別于普通

8、空氣源熱泵標準的主要內容， 也是 其制定過程中的難點之一。由于定水量空調系統(tǒng)是目前的主要形式，參照文獻 1 ，制熱運 行時，用戶側水流量應與制冷工況相同，即 0.172 m3/(h kW) ，但尚需在此基礎上研究其名 義制熱工況的空氣側溫、濕度條件和熱水溫度。為保證室內供暖的安全性，該“熱水溫度” 以低溫熱泵的回水溫度為宜(當忽略熱水管路的熱量損失時即為室內末端的出水溫度) 。確定名義制熱工況的基本思路是： 通過對我國寒冷地區(qū)典型城市供暖季節(jié)的室外干球溫 度分布以及對應的濕球溫度分布的統(tǒng)計分析，在供暖時間不保證率為 3% 的條件下，確定低 溫熱泵名義制熱工況的空氣側干、 濕球溫度； 通過對典型

9、房間分別采用風機盤管供暖和地板 輻射供暖時保證室內供暖安全性和舒適性的空調末端最低出水溫度的研究， 以確定低溫熱泵 名義制熱工況的回水溫度。3.1 空氣側的名義工況空氣側的名義工況包括干球溫度和濕球溫度。 根據我國建筑熱工分區(qū) 2 ，選取位于我國 寒冷地區(qū)的北京、天津、 、西安、鄭州、濟南、蘭州、石家莊和太原 8 個主要城市為對象， 研究其在不同供暖時間不保證率條件下的室外設計干球溫度分布， 從中選取相對合理的溫度 值作為低溫熱泵名義制熱工況的空氣側干球溫度， 并根據其對應的濕球溫度分布規(guī)律， 確定 空氣側的濕球溫度。1) 干球溫度為確保統(tǒng)計結果的可靠性，選用不同氣象數據庫(建筑環(huán)境及空調系統(tǒng)

10、模擬軟件 DeSTa)基于 DeST 的氣象數據庫的典型年 氣象數據3,4和能耗分析軟件 EnergyPlus 網站公布的典型年氣象數據 5 ) 分別進行分析。其中， EnergyPlus 軟件中的 數據庫 CSWD ( Chinese Standard Weather Data)來源為建筑熱環(huán)境分析專用氣象數 據庫 6，數據庫 CTYW ( Chinese Typical Year Weather)來源為中國建筑用標準氣 象數據庫 7。圖 1 是所選城市不同供暖時 間不保證率條件下的室外設計干球溫度統(tǒng) 計圖。-21%2% 3%4% 5% 6% 供暖時間不保證率7% 8% 9% 10%b )基

11、于 EnergyPlus 的 CSWD 氣象數據)(度溫計設外室80%-6 -8 0 2 4 6)(度溫計設外室北京 天津 西安 鄭州 濟南 蘭州 石家莊 太原0 2 4 6 8北京 天津 西安 鄭州 濟南 蘭州0%1% 2%3% 4% 5% 6% 7% 供暖時間不保證率8% 9% 10%c)基于 EnergyPlus 的 CTYW 氣象數據庫圖 1 各城市基于不同氣象數據庫的室外干球溫度與供暖時間不保證率的關系圖由圖 1 可知，所選三個數據庫的統(tǒng)計結果具有良好的一致性，綜合考慮低溫熱泵在大部分寒冷地區(qū)使用的經濟性以及采暖的安全性，最終以供暖時間不保證率為 3% 條件下的室外 溫度為基準確定低

12、溫熱泵的名義制熱工況，即室外干球溫度為 -12，該溫度可滿足寒冷地 區(qū)各主要城市的安全采暖要求。 值得注意的是， 在不保證率的范圍內不是低溫熱泵不能運行， 而是此時的室內溫度不能滿足設計室溫要求。（2）濕球溫度濕球溫度與干球溫度具有強相關性， 但并不遵循特定的分布規(guī)律， 故擬采用統(tǒng)計平均的 方法確定熱泵名義工況的濕球溫度，即提取寒冷地區(qū)主要城市干球溫度在-12附近（ -11-13）的數據點所對應的濕球溫度進行統(tǒng)計平均， 其統(tǒng)計結果如圖 2 所示（其中 EnergyPlus 的 CTYW 數據庫的數據不全， 未參與統(tǒng)計） 。從圖中可以看出， 室外空氣平均溫度約為 -12 時，各城市的平均濕球溫度

13、約為 -13.1 -13.6。圖 2 各城市基于不同數據庫氣象數據的室外干、濕球溫度統(tǒng)計結果確定名義工況濕球溫度不僅需要依照寒冷地區(qū)的客觀氣象數據， 還需考慮產品測試條件 的可實現(xiàn)性問題。研究發(fā)現(xiàn)，在標準大氣壓，干球溫度為-12時，濕球溫度變化 1.5，其相對濕度的變化率達到 50%以上，露點溫度變化達 10以上。低溫熱泵的試驗結果表明， 如果測試工況的濕球溫度取值過高， 則換熱器上將迅速結霜， 系統(tǒng)將難以穩(wěn)定運行。 經過大 量的試驗證實：取名義工況的濕球溫度為 -13.5 既可以保證機組在標定過程中較長時間處 于穩(wěn)定運行，同時也符合氣象數據的統(tǒng)計結果。根據上述分析，確定低溫熱泵空氣側的名義工

14、況為干球溫度/濕球溫度： -12 /-13.5。3.2 水側的名義工況對于民用或公共建筑， 利用低溫熱泵作熱源進行采暖的主要方式為地板輻射采暖和空調 送風采暖。 采暖水溫的選取必須考慮供暖的安全性與舒適性， 取值不能過低， 同時還需考慮 低溫熱泵運行的節(jié)能性， 取值也不宜過高。 與名義制冷工況不同， 為更有效地保證用戶在冬 季采暖的安全、 可靠，筆者認為以熱泵機組的回水溫度（當忽略沿程熱量損失時， 即用戶側 換熱設備的出水溫度） 作為低溫熱泵名義制熱工況條件更為合理。 以下將分別研究北京地區(qū) 典型房間采用風機盤管供暖和地板輻射供暖時滿足用戶供熱舒適性的室內換熱末端的出水 溫度，在此基礎上確定低

15、溫熱泵名義制熱工況的回水溫度。（1）典型建筑介紹一般而言， 一棟建筑內的北向房間的夏季設計負荷比南向房間小， 但二者的冬季設計負 荷卻基本相近。 由于夏季冷負荷較冬季熱負荷大， 而空調末端的選型一般依據夏季冷負荷選 取，故北向房間的空調末端面積相對較小， 因此以北向房間來分析冬季采暖性能， 能夠更好 地保證其供暖的安全性。 下面以一棟位于北京的多層公共建筑的中間層北向辦公室作為典型 房間來分析采暖舒適性對熱水溫度的要求。設房間的南北長為 5m ，東西寬 4 m，層高 3.3m；北側為外墻，其余各面均為內墻或內 樓板。根據文獻 8,9確定相關熱工指標，取北墻傳熱系數0.8W/(m 2K) ，窗體

16、傳熱系數2.5W/(m 2K) ，窗墻比 50；室內人員 2人，計算機 2 臺，照明功率密度 11W/m 2，新風量 30m3/(人 h)。表面層找平層填充層圖3 輻射采暖地板的一般結構 12一般而言，采用風機盤管供冷、供熱的建筑 較多，但目前以地板輻射采暖的系統(tǒng)呈逐漸增多 之勢，故冬季采暖末端需分別考慮風機盤管和輻 射地板兩類形式， 其后者的常規(guī)結構如圖 3 所示。本文計算分析所采用的輻射地板的結構和熱 工數據如下：表面層厚度=10mm ，導熱系數=0.14 W/(m K) ；找平層采用 20mm 水泥砂漿， =0.9 3W/(m K) ；填充層采用 30mm 豆石混 凝土， =1.28W(

17、/mK) ；鋪設水管的管間距 100 300mm(取平均值 200mm 進行計算)；埋 管選用 PP-R 管， =0.21W/(mK) ，管徑 20mm，壁厚 2.3mm?？紤]到供暖的獨立性，假設樓 板下部絕熱，即地板不向下層房間傳熱。表 1 典型房間冬夏季典型日參數室外氣象參數 9室內設計參數 9房間負荷 W新風負荷 注 1W總負荷 W夏季t w 33.2, w 60%tn 26, n 60%9404201360冬 季送風采暖t w12, w 45%tn 20, n 45%320640960地板采暖tw 12注 2 注 3 tn 18注 3250600850注 1：房間不設專門的新風管，新風

18、由門窗滲透入室內，換氣次數1次/h 與有組織新風的新風量相近。注 2 ：為了與送風采暖進行對比，此處的地板采暖室外設計溫度設定與空調采暖相同。注 3 ：地板輻射供暖的輻射溫度較高，且下熱上冷，減少了房間上部的熱損耗，故在相同舒適性條件下，計算房間熱負荷時，室內設計溫度應按降低2計算 10表 1 給出了上述典型房間在冬、 夏兩季典型設計日的室內、 外設計條件和設計負荷， 為 后續(xù)分析提供依據， 由于在滿足相同舒適性條件下的地板輻射所需室溫較低， 故比風機盤管 送風采暖的熱負荷小。(2)送風采暖方式的回水溫度取值分析對于冬、 夏共用風機盤管的空調系統(tǒng)， 設計時一般先按照夏季室內負荷確定風機盤管型

19、號，而后校驗冬季供熱工況的舒適性和安全性，具體計算過程如下：1) 依據夏季設計工況確定風機盤管在表 1 給定的典型房間夏季典型日設計參數條件下， 根據空調設計規(guī)范， 可計算出冷水 流速、送風量、 析濕系數和所需風機盤管換熱器的傳熱系數和傳熱面積等參數。 計算選定采 用 SLX-B 型換熱器，其傳熱系數為 40.0W/(m 2K) 、換熱面積為 3.0m2。2) 校核冬季供暖的舒適性 冬季制熱工況的水流量和盤管換熱 面積保持不變， 迎面風速和水側流速也與 夏季相同，根據制熱工況 SLX-B 型換熱 器的換熱系數公式計算其傳熱系數為228.7 W/(m 2K)。研究表明， 為滿足人體舒適性， 冬季

20、 供熱送風溫度需高于 33 ，同時不宜超 過 4211 。在室外參數、房間特性、風機盤管參數和風機盤管空氣側參數已知的條件下， 可根據風機盤管的換熱方程和室熱平衡方 程聯(lián)立求解熱水的進、出口溫度和室溫，如圖 4 所示。由圖可知，在 33 42的送風范圍 內，室溫均高于 20，說明在設計工況下該風機盤管供暖的安全性和舒適性均有較好的保 證。在實際采暖過程中， 室內發(fā)熱量對采暖熱負荷的消減有所貢獻； 另外采用較低 （但需高 于外露皮膚溫度 33）的送風溫度不僅能使房間溫度均勻，提高舒適性，還能降低空調熱 水溫度，提高熱源效率， 非常適合低溫熱泵的送風策略。 圖 5 與圖 6 分別為典型房間在 33

21、、 34和 35這三種送風溫度下，風機盤管的出水溫度和室溫隨室內發(fā)熱量的變化曲線。40圖 5 盤管出水溫度隨室內發(fā)熱量的變化曲線510 15 20室內發(fā)熱量 /W/m 22583/ 度溫水出管盤37 36圖 6 室溫隨室內發(fā)熱量的變化曲線由圖 4圖 6 可以看出， 34的送風溫度在室內發(fā)熱量變化的情況下表現(xiàn)出較好的室溫 特性，能夠適應室內的高、低發(fā)熱量。所以選定空調送風溫度34，相應的盤管出水溫度（或熱泵進口溫度）為 38，足以保證室內環(huán)境的舒適性。（3）地板輻射采暖方式的回水溫度取值分析目前， 地板輻射采暖熱水溫度的工程計算方法主要有兩種，一種可稱為等效傳熱系數法10,13 ，該方法計算簡便

22、，但由于傳熱模型相對簡化，計算出的水溫偏低；另一種可稱為傳熱 單元分析法 14 ，該方法的傳熱模型相對復雜，可靠性更高，但該算法中地板向上的傳熱系 數值較難確定。 在分析上述兩種方法的特點后， 本文對此進行了適當改進， 提出綜合計算法， 具體過程如下：1）確定室溫 tn 和單位面積設計采暖負荷 q，并由 q=q計算單位面積地板散熱量 q， 為家具遮擋修正系數，這里可取 1.115 ；2）由公式 tb=tn+9（q/100）0.909 計算地板表面溫度 tb；3）由公式 Rd =（/）計算地板的總熱阻，根據管道參數（埋管管徑d、壁厚 、導熱系數 、管間距 L），計算管道與地板之間的傳熱熱阻Rc

23、（/）埋管 L/填充 /4；4）根據公式 tp=t b+qRd+qLRc/d/計 算輻射盤管的供回水平均溫度， 并根據供回 水溫差確定出水溫度 （即低溫熱泵的回水溫 度）。分別用上述三種方法計算得到熱水平 均溫度隨采暖負荷的變化曲線如圖 7 所示， 由圖可以看出， 綜合計算法算得的供回水平30等效傳熱系數法傳熱單元分析法綜合計算法34238/度溫均平水回供20 25 30 35 40 45 50 55 60 單位面積采暖負荷 /W/m 2圖7 三種計算方法下的供回水平均溫度均溫度位于其他兩種方法之間， 兼?zhèn)湟欢ǖ?安全性和節(jié)能性。 由表 5 可知，典型房間的 單位面積采暖負荷為 42.5W/m

24、 2，根據圖 7 可知供回水平均溫度達到 36以上即可滿16在其“施工指導”中38作為低溫熱泵水側足供暖舒適性要求。從一些設計手冊也可得到同樣的結論，如文獻 指出 35以上的供回水平均溫度就可滿足地板采暖要求。綜合上文對風機盤管采暖和地板輻射采暖的分析結果，確定以 名義制熱工況的回水溫度，可以滿足室內安全、舒適的供暖要求。4 結論低溫熱泵不僅需要實現(xiàn)冬季供暖， 還需同時承擔夏季的制冷功能， 為保持標準的一致性 和延續(xù)性，建議其名義制冷工況與 GB/T18430 相同；通過對主要應用低溫熱泵的我國寒冷 地區(qū)八個主要城市 (在不同供暖時間不保證率條件下的) 室外設計干球溫度分布以及對應的 濕球溫度

25、分布的統(tǒng)計分析， 確定低溫熱泵名義制熱工況的空氣側干、 濕球溫度； 通過對典型 房間分別采用風機盤管供暖和地板輻射供暖時， 保證室內舒適性要求的空調末端出水溫度的 研究，確定低溫熱泵的名義制熱工況回水溫度。綜合得到低溫熱泵標準的名義工況如表 2 所示，表中溫度值未考慮工況控制精度，尚需結合產品的測試條件和相關標準進行規(guī)定。表 2 低溫熱泵的名義工況條件(未考慮溫度控制精度)項目使用側熱源側(或放熱側)水流量 m3/(h kW)進口水溫 ()出口水溫 ()干球溫度 ( )濕球溫度 ( )制冷0.172/735/制熱38/-12-13.5本文提出的低溫熱泵名義制熱工況，可為商用和戶用低溫熱泵機組的標準制定提供參 考，其研究方法也可為后續(xù)相關產品標準的制定所借鑒。參考文獻1 GB/T18430.1, 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 工商業(yè)用和類似用途的冷水熱泵機組(報批稿)S.2 GB 50176-1993, 民用建筑熱工設計規(guī)范 S.3 DeST 網站 .4 宋芳婷 , 諸群飛 , 江億 . 建筑環(huán)境設計模擬分析軟件 DeST: 第 5 講 影響建筑熱