Aheatpumpsystemwithalatentheatstorageutilizingseawaterinstalledinanaquarium

1、安裝于水族館利用海水的潛熱蓄熱的熱泵系統(tǒng)Satoru Okamoto *Tel.: +81 852 32 6478; fax: +81 852 32 6489. E-mail address: okamotocis.shimane-u.ac.jp.Department of Mathematics and Computer Science, Shimane University, 1060 Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Japan摘要：此文介紹了一種安裝于水族館利用海水的潛熱蓄熱的熱泵系統(tǒng)。該熱泵系統(tǒng)以海水作為熱源并從中吸取熱量，以使室內(nèi)維持恒

2、定的溫度和相應(yīng)的濕度。對于此使用未被利用的低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)，需引進(jìn)開發(fā)一種反饋熱源負(fù)荷變化的熱泵系統(tǒng)并結(jié)合負(fù)載波動反饋于熱泵，以使海水潛熱（冰水混合物）蓄熱系統(tǒng)利用夜間電力蓄冷，使系統(tǒng)負(fù)載均衡。期望的結(jié)果是產(chǎn)生相同的熱量海水源熱泵系統(tǒng)將比空氣源熱泵和燃油系統(tǒng)消耗更少的能量。此外，由于海水源熱泵系統(tǒng)CO2釋放較少，因此與已有的假定的傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比海水源熱泵系統(tǒng)對減少二氧化碳排放更有利。關(guān)鍵詞：熱泵、潛熱蓄存、閑置能源、成本、CO2釋放1 前言為了減少二氧化碳的排放量預(yù)防全球變暖應(yīng)有效的利用能量，例如大力促進(jìn)各類廢熱和可再生能源的有效利用。因而要求熱泵系統(tǒng)消耗較少的能量而提供更多的熱量1-4。因

3、此，熱泵系統(tǒng)被稱作是一種能有效利用能量并且能利用空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷均衡化使閑置的能量轉(zhuǎn)化為高品位能的機(jī)械系統(tǒng)5-9。此文介紹了一種安裝于水族館利用海水的潛熱蓄熱的熱泵系統(tǒng)。該熱泵系統(tǒng)以海水作為熱源并從中吸取熱量，以使室內(nèi)維持恒定的溫度和相應(yīng)的濕度。對于此使用未被利用的低溫?zé)嵩吹臒岜孟到y(tǒng)，需引進(jìn)開發(fā)一種反饋熱源負(fù)荷變化的熱泵系統(tǒng)并結(jié)合負(fù)載波動反饋于熱泵，以使海水潛熱（冰水混合物）蓄熱系統(tǒng)利用夜間電力蓄冷，使系統(tǒng)負(fù)載均衡。下面將對上述熱泵潛熱蓄冷系統(tǒng)的實驗性能系數(shù)（COP）做詳細(xì)地分析。本研究的目的在于通過預(yù)測評估比較冰蓄冷海水源熱泵系統(tǒng)和兩個假定的傳統(tǒng)系統(tǒng)，即，一個無冰蓄冷的空氣源熱泵和一個燃油的吸

4、收式制冷系統(tǒng)，的實際運行特征和效率。期望的結(jié)果是產(chǎn)生相同的熱量海水源熱泵系統(tǒng)將比空氣源熱泵和燃油系統(tǒng)消耗更少的能量。此外，由于海水源熱泵系統(tǒng)CO2釋放較少，因此與已有的假定的傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比海水源熱泵系統(tǒng)對減少二氧化碳排放更有利。2 系統(tǒng)描述圖 21島根水族館視圖（AQUAS）島根水族館（AQUAS）瀕臨日本海（日本的島根縣），如圖2-1所示為水族館圖 22水族館熱泵系統(tǒng)圖：（a）夏季模式：制冰儲能；（b）夏季模式：釋放儲存的冷量；（c）冬季模式視圖。建筑共兩層（包括地下室）總占地面積達(dá)10 293m2，其大多數(shù)魚缸容積為3000m3。水族館主要的冷負(fù)荷包括建筑空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，冷卻魚缸的通風(fēng)氣流的

5、負(fù)荷以及冷卻和加熱魚缸中水的負(fù)荷。本系統(tǒng)由一個結(jié)合了兩個海水源熱泵WSHP001 和 002（CW：650千瓦，HW：732千瓦）的系統(tǒng)和一個熱回收型空氣源熱泵AWSHP003（CW：510千瓦，HW：697千瓦）的系統(tǒng)組成。海水源熱泵通過循環(huán)水和熱交換器將熱量傳遞給海水以及從海水中取出熱量?？諝庠礋岜脛t利用室外空氣實現(xiàn)熱量的吸收和釋放。由于空氣源熱泵除投資較低且安裝方便因此較為常見，但實際上海水源熱泵能量利用率更高。在這個測試系統(tǒng)中熱泵同時與室外空氣和大海換熱。它兼具了空氣源熱泵的初投資優(yōu)勢和海水源熱泵的性能優(yōu)勢。該系統(tǒng)利用非高峰期電力提供冷卻水，從海水中收集的并儲存于蓄冰槽的熱量（ts：4

6、500KWh×2）是其主要的熱量來源。熱泵在夜間將制得的熱量儲存在蓄冰槽中。如圖2-2（a-c）所示為該系統(tǒng)的系統(tǒng)圖?？偟膩碚f，海水源熱泵效率的提高主要包括以下兩方面：第一，由于水是比空氣更好的傳熱流體，因此有更高效的傳熱；第二，海水源熱泵在冬季運行時海水溫度高于空氣溫度而在夏季運行時海水溫度低于空氣溫度，這使得熱泵的運轉(zhuǎn)更高效。為了提高熱舒適水平海水源熱泵系統(tǒng)通常在冬季提供溫度較高的熱空氣，而在夏季提供溫度較低的空氣。在夏季蓄冰技術(shù)有效地減少了制冷設(shè)備的運行成本。制冷設(shè)備在非高峰期運行制冰儲能，當(dāng)高峰期時將儲存的能量釋放出來，它的重要意義在于將高峰期對電力和能量的需求轉(zhuǎn)移到非高峰期

7、。由于其在均衡能源消費機(jī)構(gòu)上有較好的實用性因此可節(jié)約運營成本。通過浮動利率反映出在相對較短的高峰期內(nèi)供能成本較高，因此，這啟發(fā)我們盡量較少或避免制冷設(shè)備在高峰時段蓄冷。高峰期和非高峰期能耗與消費高峰率的最大差異在于都能使蓄冷系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上可行。在水族館進(jìn)行了兩年的測試運行。通過對系統(tǒng)瞬時功率、瞬時制冷劑流量和瞬時溫度的比較，將表現(xiàn)單個系統(tǒng)的整體性能特征的參數(shù)整合于COP。此熱泵系統(tǒng)有兩種運行模式：第一是夏季典型的冰水混合液冷卻模式（圖2-2（a和b）。在這種模式下，利用熱泵潛熱儲存系統(tǒng)制冰。第二種是冬季模式（圖2-2（c）。在此模式下，利用熱泵熱交換系統(tǒng)從海水和周圍空氣中收集熱量以加熱循環(huán)水。熱

8、泵系統(tǒng)評估測試的影響參數(shù)為節(jié)能成本和二氧化碳的減少量。3 結(jié)果與討論3.1 建筑全年負(fù)荷圖 32建筑每日負(fù)荷圖3-1顯示了全年外界空氣溫度、濕度和海水溫度的變化情況。由圖可知，在八月空氣達(dá)到最高溫度35.9，其平均溫度為28.3。八月份晝夜相對濕度約圖 31海水溫度，空氣溫度和濕度在95%-70%波動。圖3-2展示了2001年3月26日到2002年3月9日期間魚缸上部空間空調(diào)系統(tǒng)制冷、魚缸冷卻和加熱水以及建筑空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷變化情況。由圖：在夏季建筑空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷超過了預(yù)期負(fù)荷而冬季則約為預(yù)期的70%；自01年5月以來魚缸冷卻水和空調(diào)制冷負(fù)荷較為穩(wěn)定；魚缸冷卻水負(fù)荷只在夏季才有且其熱水負(fù)荷也僅在冬

9、季出現(xiàn)。圖 34冬季建筑時負(fù)荷在水族館最主要的冷負(fù)荷包括：冷卻魚缸冷水的負(fù)荷和冷卻建筑通風(fēng)空氣的負(fù)荷。圖3-3所示為水族館在2001年8月13日到8月19日間的典型的夏季時期的典型的建筑冷負(fù)荷。由圖：每天的空調(diào)冷負(fù)荷幾乎保持不變；由于中午室外較熱，此時冷卻建筑通風(fēng)空氣的負(fù)荷和魚缸中冷卻水的負(fù)荷最大；隨著室外空氣溫圖 33夏季建筑時負(fù)荷度升高再結(jié)合太陽輻射、照明和大量人體散熱使得白天冷負(fù)荷增加?？照{(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷和冷卻水負(fù)荷之間的關(guān)系對于水族館安裝何種類型的熱泵系統(tǒng)是很重要的，因為水族館熱泵系統(tǒng)的冷卻水的熱量來源于海水和空氣。島根縣冬季較傾向于暖和。比如：圖3-4所示為操作員在2002年2月4日至2

10、月10日間記錄的水族館的典型的冬季時期的典型的供熱和空調(diào)負(fù)荷數(shù)據(jù)。在這一時期熱泵系統(tǒng)供熱量最大達(dá)到最大供熱通風(fēng)面積。由于增加了室內(nèi)熱量（熱回收），因此減少使用室外空氣可降低能耗。當(dāng)系統(tǒng)使用最小新風(fēng)量時，其主要負(fù)荷為空調(diào)負(fù)荷（除啟動運行時建筑溫升段外）。而由圖可知冬季日平均負(fù)荷中魚缸熱水負(fù)荷最大（熱回收）。3.2 能源使用圖3-5所示為2001年3月26日至2001年2月25日期間三個熱泵日耗電量的比較。通過電表可看出在最初的兩個月AWSHP003的耗電量約占建筑用電的22%；在這幾個月里AWSHP003平均用電為4000KWh/d；這既包括了供熱模式有包括了在4月轉(zhuǎn)換后的供冷模式；由圖可知AW

11、SHP003全年電耗仍然相對穩(wěn)定；AWSHP003為全天候運行，在夏季冷卻和空調(diào)負(fù)荷占總負(fù)荷的50%，而在冬季供熱負(fù)荷約占60%。WSHP001和002在夏季的能耗相對冬季較多?？偟膩碚f，在2001年4月15日至11月21日期間WSHP001和002圖 35 三熱泵日電耗的耗能約為AWSH003的80%。在8月13日至8月19日期間由于空調(diào)負(fù)荷較大WSHP001和002的電耗均達(dá)到峰值。在夏季W(wǎng)SHP001和002均只提供建筑空調(diào)冷量和魚缸的冷水負(fù)荷。由于在冬季供熱期間除AWSHP003維護(hù)期外皆停用WSHP001和002，且根據(jù)大量冬季資料，可預(yù)測在冬季W(wǎng)SHP001和002的能耗接近于零。

12、圖 37夏季W(wǎng)SHP001和002小時輸能圖圖 36 夏季建筑小時能耗圖3-6所示為WSHP001和002典型的夏季功能情況。其顯示了自2001年8月13日至8月19日期間每周定期讀書的結(jié)果。WSHP001和002在早上開啟對建筑供冷后即全負(fù)荷運行，而在下午1：004：00期間停機(jī)，改用儲冰供冷，并根據(jù)下午4：00的負(fù)荷重新開啟運行WSHP001和002。由于儲冰槽晚上制冰儲能，因此夏季機(jī)組產(chǎn)生的冷量高于所需的冷量。機(jī)組運行時儲冰系統(tǒng)獲得冷卻熱而加熱回路中的冷凍水，被加熱后的冷凍水又回到儲冰槽中冷卻蓄存。冰水混合物的溫升可視為建筑的熱源也即為冰水混合物蓄存的熱量（潛熱）（圖3-7所示）。熱泵在

13、晚上利用海水制備冷卻水并儲存在儲冰槽中直到第二天下午出現(xiàn)最大負(fù)荷時使用冰水混合液供冷。由此儲冰系統(tǒng)可利用的冷量須與所需的能量相匹配。制冷設(shè)備在非高峰期運行制冰儲能，當(dāng)高峰期時將儲存的能量釋放出來，它的重要意義在于將高峰期對電力和能量的需求轉(zhuǎn)移到非高峰期（圖3-8）。同時它也提供了一種可能的使補(bǔ)償和制備冷量的成本達(dá)到最低的方式，即利用非高峰期電力。圖 38 轉(zhuǎn)換高峰負(fù)荷3.3 能量效率圖 39 WSHP001的COP夏季模式最高效，原因如以下兩點：由于建筑空調(diào)系統(tǒng)和魚缸冷卻水系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)在相同的時間，使得館主充分受益；同時儲冰槽中的冷水始終保持著冷凝溫度，進(jìn)而減少了熱泵負(fù)荷。當(dāng)在冬季運行時，AW

14、SHP003從室外空氣吸收熱量并向空調(diào)系統(tǒng)供熱，然而，此階段仍需補(bǔ)充冷水。從監(jiān)測器可知夏季COP相對較高，平均為3.4。當(dāng)按全年60%的時間在夏季模式下儲冰運行時，WSHP001的單位耗能（電力）的輸出COP為2.6（圖3-9），WSHP002則為3.0，這不僅充分利用了資源且其效果較為顯著。圖 31 WSHP001和002CO2排放減少量圖 310 WSHP001和002減少的能耗在冬季，機(jī)組主要按冬季模式運行時，其COP較低。即使按全年運行來算AWSHP003的COP也遠(yuǎn)低于WSHP001和002。通過日常檢測的結(jié)果可知，機(jī)組在大多數(shù)時間處于部分負(fù)荷運行狀態(tài)且其允許保持較低的COP；AWS

15、HP003的COP降低的另一個原因在于即使熱負(fù)荷接近于零，機(jī)組仍處于熱回收模式下運行。帶儲冰系統(tǒng)的熱泵與安裝于水族館的其他兩個能提供冷熱負(fù)荷的系統(tǒng)（假定系統(tǒng)）無儲冰系統(tǒng)的空氣源熱泵和燃油吸收式制冷系統(tǒng)的性能比較：根據(jù)系統(tǒng)特征假定數(shù)值計算此兩替代系統(tǒng)的能耗；對于吸收式制冷系統(tǒng)按假定值計算其供冷時的COP為1.0，而供熱時為0.9；WSHP001和002能耗比燃油吸收式制冷系統(tǒng)低19%（圖3-10）。石油CO2排放量約為84g-C/Mcal，電驅(qū)動系統(tǒng)白天排放量為103g-C/KWh，而在晚上為83g-C/KWh，此系統(tǒng)CO2年排放量為86噸。由假定數(shù)值算出無儲冰的空氣源熱泵CO2年排放量為102

16、噸，燃油吸收式制冷系統(tǒng)為176噸。因此，從CO2排放量來看與此兩能提供冷熱負(fù)荷的替代系統(tǒng)相比儲冰熱泵系統(tǒng)更有利，且電能驅(qū)動的儲冰熱泵系統(tǒng)CO2排放量僅為燃油供熱和制冷系統(tǒng)的一半（圖3-11）。3.4 節(jié)省費用日本電費較高，特別是在白天用電高峰期。因此，電費構(gòu)成包括高峰期電費、部分高峰期電費和非高峰期電費。在夏季中午12：00到下午6：00為用電高峰期，在此期間水族館用電需求和電費均最高。在此工作日早上8：30到晚上9：30（早上8：30中午12：00，下午6：00晚上9：30）為部分峰值期。在此期間系統(tǒng)用電需求和電費均居中。在其剩下的11小時即晚上9：30至早上8：30和節(jié)假日均為非高峰期。測

17、試前，水族館在非高峰期的電力需求預(yù)估得較少。由于在非高峰期電費最小，因此為轉(zhuǎn)移耗電時間節(jié)約成本提供了可能。日本電力成本較高，因此大多數(shù)熱泵和熱回收熱泵項目均安裝在電力成本較低的地區(qū)。此例綜合考慮了相關(guān)因素為熱泵安裝提供了較為經(jīng)濟(jì)的解決方案。首先，熱泵所需的熱量相對較少，主要包括預(yù)熱建筑、加熱通風(fēng)空氣和室內(nèi)熱水加熱。其次，水族館幾乎全年均有冷負(fù)荷。中央處理系統(tǒng)的工作人員可通過調(diào)節(jié)空氣處理器的空氣混合設(shè)置參數(shù)來控制水族館的供冷和供熱負(fù)荷，此過程可通過中央機(jī)組的能源控制系統(tǒng)實現(xiàn)。較高溫度的混合空氣使得建筑的供熱需求減少，而冷負(fù)荷增加（熱回收）。只要滿足最低通風(fēng)要求，工作人員即可在引入室外新風(fēng)量與室內(nèi)

18、排風(fēng)量間任意調(diào)節(jié)。當(dāng)有足夠的回?zé)嵋詽M足水族館對熱量的需求時，此時室外空氣用于供冷。當(dāng)一天中既需供冷又需供熱時，熱泵能耗呈遞增趨勢且高于冷卻器（考慮到無熱泵所需的冷凝泵或者冷卻塔時）。第三，最重要的因素是系統(tǒng)負(fù)荷均有夜間和早晨的非高峰期負(fù)荷承擔(dān)。而冬季非高峰期電力相比夏季高峰期電力是非常便宜的。如上所述，根據(jù)2001年非高峰期電耗可算出水族館總電費為16317000日元。在高峰期，用電量與需求皆較大。圖 32 WSHP001和002實際的成本減少量如圖3-12所示，展示了各系統(tǒng)測量及模擬的能源利用和成本花費的分析。由圖可知，無儲冰的空氣源熱泵系統(tǒng)電費約為27999000日元；燃油吸收式制冷系統(tǒng)總

19、成本為17038000日元，其中電力成本為4258000日元，石油成本為6147000日元以及6634000日元的水成本；由于轉(zhuǎn)移了白天的電耗，儲冰的熱泵系統(tǒng)的電力成本減少。此圖可能低估了其節(jié)能效果，因為它只是大體上分析了各因素的影響，但它卻清晰地描述了其節(jié)能的本質(zhì)即制冷設(shè)備在非高峰期制冰儲能而在高峰期將蓄存的能量釋放出來。因為大量的成本轉(zhuǎn)移到非高峰期，所以每千瓦時的電耗成本比傳統(tǒng)無儲冰的空氣源熱泵系統(tǒng)的成本低42%。由此，有經(jīng)驗的工作人員皆致力于改善設(shè)備，以期提高設(shè)備將能耗轉(zhuǎn)移至非高峰期的能力。4 結(jié)論安裝于日本島根縣的新建的水族館的海水源熱泵系統(tǒng)能同時供熱和供冷。WSHP001在制冷工況下

20、的COP為3.4而在儲冰工況下COP為2.8。通過制冷設(shè)備在非高峰期制冰儲能并在高峰期釋放蓄存的能量，使得高峰期的大量的電力需求和能耗轉(zhuǎn)移到了非高峰期。以下為對此案例中的海水源熱泵和其他兩個假定的能提供冷熱量的系統(tǒng)即傳統(tǒng)的空氣源熱泵和傳統(tǒng)的燃油制冷系統(tǒng)的比較：海水源熱泵供冷和供熱的能耗比燃油吸收式制冷系統(tǒng)低19%，并且其CO2排放量僅為燃油系統(tǒng)的一半；海水源熱泵系統(tǒng)的實際運行費用比傳統(tǒng)空氣源熱泵低42%。5 鳴謝儲冰海水源熱泵系統(tǒng)是以前由Chugoku電力有限公司提出的特別的設(shè)計理念。在這里，感謝Nikken Sekkei有限公司的M.Koyama和T.Kuriyama先生對我當(dāng)前工作的指導(dǎo)；

21、同時感謝島根水族館（AQUAS）工作人員對此項目的大力支持。此工作得到了Chugoku電力有限公的贊助支持特此感謝。參考文獻(xiàn)1 J.R. Brodrick, D. Westphalen, Uncovering auxiliary energy use, ASHRAEJournal 43 (2) (2001) 5861.2 S.P. Kavanaugh, L. Xie, Energy use of ventilation air conditioning options for ground-source heat pump system, ASHRAE Transactions:Symposi

22、a (2000) 543550, MN-00-5-2.3 O. Ozgener, A. Hepbasli, Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system, Energy and Buildings 37 (2005) 101110.4 P.E. Phetteplace,W. Sullivan, Performance of a hybrid ground-coupled heat pump system, ASHRAE Transactions: Symposia 104 (1) (1998) 763770.5 J.O