風(fēng)冷熱泵機(jī)組運(yùn)行測(cè)試及分析

1、風(fēng)冷熱泵機(jī)組運(yùn)行測(cè)試及分析l2 制冷技術(shù) 2002 年第 2 期風(fēng)冷熱泵機(jī)組運(yùn)行測(cè)試及分析王長(zhǎng)慶龍惟定吳清前鐘婷(同濟(jì)大學(xué)上海 200092) 【摘要】風(fēng)冷熱泵機(jī)組在我國(guó)被廣泛用作空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源,尤其是在長(zhǎng)江中下游地區(qū) .本文對(duì)在運(yùn)行中風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行測(cè)試 ,并對(duì)其性能進(jìn)行了分析.要充分提高風(fēng)冷熱泵運(yùn)行的效率,應(yīng)注意空調(diào)系統(tǒng)與機(jī)組的匹配,注意機(jī)組自控設(shè)置等 . 【關(guān)鍵詞】風(fēng)冷熱泵測(cè)試性能空調(diào)TESTANDANALYSISONPERFORMANCEOFAIR COOLEDHEATPUMP 1 前言風(fēng)冷熱泵機(jī)組在我國(guó)被廣泛用作空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源,尤其是在長(zhǎng)江中下游地區(qū).風(fēng)冷熱泵在夏季能制冷,在冬季

2、能制熱 ,建筑空調(diào)系統(tǒng)使用風(fēng)冷熱泵機(jī)組非常方便 .風(fēng)冷熱泵機(jī)組使用空氣作為它的冷卻介質(zhì),相對(duì)于水冷機(jī)組來說 ,風(fēng)冷熱泵機(jī)組省去了冷卻塔及冷卻水系統(tǒng) ,這樣空調(diào)水系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化.同時(shí),風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)可放置在屋頂或戶外,從而省去了制冷機(jī)房所需的占地 ,節(jié)約了建筑面積 ,提高建筑的有效利用率 .因此,在我國(guó)的長(zhǎng)江中下游地區(qū)風(fēng)冷熱泵機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用. 風(fēng)量熱泵機(jī)組使用時(shí)的能效比是我們非常關(guān)心的.本文對(duì)在使用的風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試,并對(duì)其性能進(jìn)行了分析 .要充分提高風(fēng)冷熱泵使用的效率,應(yīng)注意空調(diào)系統(tǒng)與機(jī)組的匹配,注意機(jī)組自控的設(shè)置等 . 2 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能耗測(cè)試分兩個(gè)方面.一是測(cè)

3、試熱泵機(jī)組的制冷量或制熱量.二是測(cè)試制取這些熱量或冷量時(shí)所消耗的電能.通過測(cè)試 ,我們計(jì)算熱泵的能效比 EER,分析熱泵的性能 ,結(jié)合運(yùn)行看熱泵運(yùn)行是否合理 ,效率如何 . 為測(cè)試風(fēng)冷熱泵機(jī)組的制冷量或制熱量,我們測(cè)試熱泵機(jī)組的進(jìn)出水溫差,測(cè)試?yán)渌驘崴牧髁?. 冷水或熱水的流量采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量.超聲波流量計(jì)的精度為 1.5%,可貼在管壁外測(cè)試管內(nèi)流量而不需接觸流體 .風(fēng)冷熱泵機(jī)組的制冷量或制熱量由下式計(jì)算 : Q.=C?M.(一) 式中, Q.一冷量或熱量 ,kW; c 一冷水或熱水比熱 ,kJ/kgC; M 一冷水或熱水流量 ,kg/s; T.一冷水進(jìn)口溫度或熱水出口溫度,; T

4、 一冷水出口溫度或熱水進(jìn)口溫度,. 采用精度為 l 級(jí)的電表分別測(cè)量熱泵機(jī)組的電流和電壓 ,由下式計(jì)算風(fēng)冷熱泵機(jī)組的耗電. P=?U?l?COSO 式中, P-一熱泵機(jī)組的耗電 ,kW; U 一電壓,V; I 一電流 ,A; c0sD一功率因素 . 風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能效比ERR 由下式計(jì)算 : n EER= j 3 風(fēng)冷熱泵機(jī)組在夏季制冷時(shí)運(yùn)行性能分析(1)A 大樓A 大樓占地 25000m,建筑面積為 19000m.它的空調(diào)系統(tǒng)配有四臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組,壓縮機(jī)采用的是活塞式制冷壓縮機(jī) ,每臺(tái)熱泵機(jī)組的制冷量為581. 4kW,耗電量為 192.4kw.本大樓除二樓為餐廳外 , 其余均為出租辦公室

5、,辦公樓的出租率為100%.本大樓設(shè)有樓宇智能化控制(BA)系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)回水溫度控制熱泵機(jī)組投人運(yùn)行的臺(tái)數(shù).測(cè)試日有三臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行 . 圖 1 示出了風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能效比EER 隨時(shí)間變化的情況 . 2002 年第 2 期制冷技術(shù) 13 時(shí)間圖 1A 大樓 ASHP 的 EER 隨時(shí)間的變化從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果看 ,整個(gè)建筑的風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能效比較低 ,熱泵的運(yùn)行不合理 .盡管測(cè)試日的最高氣溫只有 32,比空調(diào)設(shè)計(jì)的 34低 2C,但熱泵機(jī)組的能效比遠(yuǎn)低于樣本給出的能效比數(shù)值,熱泵機(jī)組的輸出冷量小而且耗電沒有降下來.根據(jù)分析可能由以下幾方面的問題造成機(jī)組運(yùn)行能效比較低的原因. 機(jī)組本身可能

6、有問題 .機(jī)組本身的故障會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組比較低 ,比如制冷劑的量不足 ,壓縮機(jī)的效率較低 ,冷凝器或蒸發(fā)器的換熱效果不佳等原因均會(huì)造成這樣的結(jié)果 . 機(jī)組運(yùn)行不合理 .由于投人的機(jī)組多 ,使幾臺(tái)機(jī)組均處于部分負(fù)荷下運(yùn)行,即使機(jī)組本身能根據(jù)負(fù)荷卸載或調(diào)節(jié)機(jī)組壓縮投人運(yùn)行的臺(tái)數(shù),但每臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率太低而導(dǎo)致整個(gè)制冷機(jī)的能效較低. 機(jī)組的自控不合理 .機(jī)組是根據(jù)冷水的回水溫度來控制制冷機(jī)投人運(yùn)行的臺(tái)數(shù)的,當(dāng)回水溫度超過 14C,多投人一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行 .但系統(tǒng)的冷水量大于機(jī)組的所需的水量 ,回水溫度的變化幅度較小,可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的誤投人 ,從而使機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行降低了機(jī)組運(yùn)行的能效比.如果適當(dāng)提高機(jī)組

7、運(yùn)行的回水溫度 ,可適當(dāng)增加機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷率,從而提高機(jī)組運(yùn)行的能效比 . 該大樓配有 BAS 系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)組的投人運(yùn)行進(jìn)行控制 .如果 BAS 系統(tǒng)的傳感器的精度不夠或出錯(cuò),同樣會(huì)造成機(jī)組誤投人運(yùn)行,使得機(jī)組的負(fù)荷率較低,能效較低 .因此,對(duì) BAS 控制系統(tǒng)的傳感器應(yīng)定期進(jìn)行校正和標(biāo)定 ,從而保證控制系統(tǒng)讀取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤 . 運(yùn)行管理人員專業(yè)知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)不足也會(huì)造成運(yùn)行的不合理 ,須對(duì)運(yùn)行管理人員進(jìn)行培訓(xùn). (2)B 大樓B 大樓的總建筑面積為23800m,一樓是大堂和咖啡廳 ,二樓為餐廳 ,四樓為酒家 ,511樓為酒店客房 1224 樓為辦公區(qū) ,辦公區(qū)的出租率為85%.該大樓配了 6

8、臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組 (5 臺(tái) 698kW,1臺(tái)349kW).大樓沒有配置 BAS 系統(tǒng),制冷機(jī)的運(yùn)行全憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制 .測(cè)試日投人運(yùn)行的機(jī)組為3 臺(tái). 測(cè)試日的最高氣溫為32C. 圖 2 示出了測(cè)試日機(jī)組能效比隨時(shí)間變化的情況. 圖 2B 大樓熱雜機(jī)組的能效比隨時(shí)問的變化在測(cè)試日 ,由于有 3 臺(tái)機(jī)組故障無法進(jìn)行 ,故只能是其余 3 臺(tái)機(jī)組全部投人運(yùn)行 .最高的回水溫度曾達(dá)到 15.6C.但從圖 2 可以看出 ,該大樓的風(fēng)冷熱泵機(jī)組在測(cè)試日運(yùn)行的能效比相對(duì)比較合理,最高能效比為 3.61,最低能效比也有 3.34.從能效比看 , B 大樓的運(yùn)行比 A 大樓要合理 .可見適當(dāng)提高回水溫度,有利于機(jī)組

9、在滿負(fù)荷下運(yùn)行,機(jī)組的能效比也較高.盡管與樣本比 (相同空氣溫度及相同水溫下, 樣本中的能效比為3.74),實(shí)際運(yùn)行能效比還有所差距(小 3.510.6%),但已非常接近 ,機(jī)組運(yùn)行合理 . (3)C 大樓C 大樓占地 17000m,大樓的建筑面積 12400m. 整幢大樓為辦公樓 ,一樓為大堂及一個(gè)機(jī)票銷售點(diǎn), 其余均為辦公區(qū) ,辦公樓的出租率為100%.該大樓配有 4 臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組 ,每臺(tái)熱泵機(jī)組的冷量為326kW.測(cè)試日的最高氣溫為32C,測(cè)試日所有的 4 臺(tái)機(jī)組均投人運(yùn)行 . 圖 3 為測(cè)試日風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能效比隨時(shí)間變化的情況 . 該大樓沒有配備 BAS 控制系統(tǒng) ,風(fēng)冷熱泵的運(yùn)行

10、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制的 .如果回水溫度超過14C, 管理人員多投人一臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行.從圖 3 看,整個(gè)四臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行的能效比均不高,測(cè)試日最高的能效比為 2.33,最低能效比為 2.01,與樣本中給出的機(jī)同室外空氣溫度相同水溫的能效比3.31相差了 29. 639.2%.分析原因主要是機(jī)組的供回水溫差偏小造成的 .測(cè)試日 ,最大的供回水溫差為3.1,最小供回水溫差為 2.3C,均沒有達(dá)到 5C 的溫差 (水流量基本為設(shè)計(jì)流量 ,沒有偏大 ).由于溫差偏小 ,幾臺(tái)機(jī)組均在部分負(fù)荷下工作,機(jī)組的能效比偏小也就不14 制冷技術(shù) 2002年第 2 期足為奇了 . 八/ 一/ r/ 圖 3C 大樓風(fēng)冷熱泵

11、機(jī)組的能效比隨時(shí)I 司的變化4 風(fēng)冷熱泵在冬季運(yùn)行的能效比(1)D 大樓D 大樓是一幢七層的辦公樓.在屋頂安裝了 3 臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源.每臺(tái)熱泵機(jī)組的額定制熱量為285kW,耗電量為 83.2kW. 圖 4 示出了 D 大樓的風(fēng)冷熱泵機(jī)組制熱時(shí)的能效比 ERR 隨時(shí)間變化的情況 . 測(cè)試日 ,三臺(tái)機(jī)組均投入運(yùn)行 ,測(cè)試日的室外溫度最高溫度為 5C.從圖 4 可知,1 號(hào)熱泵機(jī)組的最高 EER 為 3.44,所供熱水溫度為41,供回水溫差為 3.圖 5 示出了 1 號(hào)機(jī)組的能效比 EER 隨室外空氣溫度的變化情況 .隨著室外空氣溫度的升高,熱泵機(jī)組的能效比是升高的,但與樣本上相

12、應(yīng)工況所對(duì)應(yīng)的值則要小得多 .也就是說機(jī)組的運(yùn)行性能遠(yuǎn)沒有達(dá)到樣本上所給出的能效比.熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行時(shí)還存在一定的問題 .這包括機(jī)組運(yùn)行的供回水溫差偏低 ,在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)機(jī)組的效率較低等. 4 3.5 3 2.5 2 I.5 l O.5 O / / .-一: l 一 z 亨 U 丑 I I圖 4 熱泵機(jī)組的 EER 隨時(shí)間的變化從圖 4 中可知 ,1 號(hào)熱泵機(jī)組的最高EER 為 3. 44,所供熱水溫度為 41,供回水溫差為 3;2 號(hào)熱泵機(jī)組運(yùn)行的最高能效比僅為2.29,機(jī)組的供水溫度為 42;3 號(hào)機(jī)組的最大能效比為3.29,其供水溫度為 41.從對(duì)這三臺(tái)熱泵機(jī)組的測(cè)試可知,在測(cè)試日

13、,三臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的能效比均較低,主要是三臺(tái)機(jī)組的供回水溫差均較低 ,三臺(tái)機(jī)組均在部分負(fù)荷下運(yùn)行,其能效比較低 .其次空調(diào)系統(tǒng)可能不合理,也有可能造成系統(tǒng)的能效比偏低.再者可能是運(yùn)行控制不合理 ,造成機(jī)組運(yùn)行的能效比偏低.還有可能是機(jī)組樣本中的能效比數(shù)據(jù)偏高,而實(shí)際上沒有那么高024醢()101214 圖 51 號(hào)熱泵機(jī)組的 EER 隨室外空氣溫度的變化情況(2)E 大樓E 大樓是 16層的辦公樓 ,總建筑面積為7000m,其中空調(diào)面積為5000m.大樓選擇了 3 臺(tái)熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源,每臺(tái)熱泵機(jī)組的額定制熱量為 349kW,耗電 103kW,機(jī)組安裝在屋頂上. 圖 6 示出了 3 臺(tái)熱

14、泵機(jī)組在測(cè)試日制熱量隨室外空氣溫度變化的情況 .圖 7 示出了 3 臺(tái)機(jī)組的能效比 ERR 隨室外溫度變化的情況 . 800 , 600 蕾v400 200 纂 O L.,l , lJ ,1r,1I,1. 一5432-10l2345 室外空氣溫度 () 圖 6 制熱量隨室外空氣溫度的變化從圖 6 中可知 ,隨著室外空氣溫度的升高,熱泵機(jī)組的制熱量反而減少 .這是因?yàn)槭彝鉁囟壬吡? 建筑所需的熱量減少了 ,因此空調(diào)系統(tǒng)所需的熱量也就減少 ,機(jī)組的制熱量減少 .這對(duì)采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組作空調(diào)系統(tǒng)熱源來說是一個(gè)比較矛盾的地方,一方面室外氣溫降低 ,建筑需要更多的熱量 ,而此時(shí)熱泵機(jī)組的制熱效果卻變差

15、,制熱量減少 ;另一方面 ,當(dāng)室外氣溫升高時(shí) ,建筑所需的熱量減少 ,但熱泵卻能制取更多的熱量 ,機(jī)組處于部分負(fù)荷下工作,如果運(yùn)行控制不當(dāng) ,熱泵機(jī)組的能產(chǎn)比可能會(huì)處于較低的水平; 再者,當(dāng)室外氣溫降低時(shí) ,蒸發(fā)溫度降低 ,風(fēng)冷熱泵機(jī)組的能效比降低 ,而當(dāng)室外氣溫升高時(shí) ,蒸發(fā)溫度升2002 年第 2 期制冷技術(shù) 15 高,熱泵的能效比增大 .在本測(cè)試中 ,當(dāng)室外氣溫為4C,熱泵機(jī)組的出水溫度為40C 時(shí),熱泵機(jī)組的能效比為 2.86,與樣本中給出在相同工況下的能效比為 3.5差 18.3%.另外,熱泵機(jī)組的制熱量還受室外空氣相對(duì)濕度的影響 ,當(dāng)空氣相對(duì)濕度高時(shí) ,熱泵制熱時(shí) ,空氣換熱器 (

16、蒸發(fā)器 )非常容易結(jié)霜 ,結(jié)霜不僅增大空氣換熱器的霜層熱阻而且會(huì)降低蒸發(fā)溫度,再者,機(jī)組在融霜時(shí)會(huì)消耗一定的能量,同時(shí)循環(huán)熱水的溫度會(huì)降低 .本測(cè)試的室外溫度為0C 時(shí),空氣的相對(duì)濕度已超過75%,機(jī)器運(yùn)行時(shí)非常容易結(jié)霜一J一一|,.tL 卜一-|_.1 0JZUIz室外空氣溫度 () 7EER隨室外空氣溫度的變化(3)F 大樓F大樓是一家醫(yī)院 ,它使用了 6 臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組作該大樓空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源.每臺(tái)熱泵機(jī)組的制熱量為 680kkW,制熱所消耗的電能為200kW.測(cè)試日,開啟了 4 臺(tái)熱泵機(jī)組制熱 . F大樓熱泵的能效比隨熱水進(jìn)出口溫差變化的情況見圖 8. 8 熱泵 EER 隨熱水進(jìn)出口溫

17、差變化情況從圖 8 中可知 ,四臺(tái)熱泵機(jī)組的能效比EER 均隨熱水進(jìn)出口溫差的增大而升高,這說明當(dāng)熱泵機(jī)組的負(fù)荷越大并接近滿負(fù)荷時(shí),熱泵的能效比較高 ,而當(dāng)熱泵機(jī)組處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),機(jī)組的能效比不理想,甚至較差 .由于該熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中沒有給出部分負(fù)荷下的性能 ,故無法判斷熱泵機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行是否合理 .測(cè)試日 ,1 號(hào)熱泵機(jī)組熱水進(jìn)出口溫差最大 ,一般在 3C 以上,最大達(dá)到或接近 5,1 號(hào)機(jī)組相對(duì)其它 3 臺(tái)機(jī)組能效比高 .2 號(hào)機(jī)組的進(jìn)出水溫差最小 ,最高進(jìn)出水溫差為2.5,最低進(jìn)出水溫差只有 0.5.造成這樣的結(jié)果可能是由于: 一,投人運(yùn)行的機(jī)組太多 ,使得部分機(jī)組一直處于部分負(fù)荷下運(yùn)行 ,這樣可以關(guān)掉一臺(tái)或兩臺(tái)機(jī)組,提高饑組的和能效比 ;二,機(jī)組本身可能有故障 ,應(yīng)進(jìn)行檢查并維修 ;三,控制設(shè)置不合理 ,造成機(jī)組運(yùn)行不合理;四,運(yùn)行管理人員應(yīng)根據(jù)熱泵運(yùn)行的實(shí)際情況對(duì)熱泵機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以免出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行不合理,從而造成能源的浪費(fèi) .因此,控制風(fēng)冷熱泵的進(jìn)出水溫差 ,保證機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷率可有效提高機(jī)組的能效比 ,節(jié)約能源 . 5 結(jié)論從以上的敘述中 ,我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論: (1)風(fēng)冷熱泵機(jī)組使用非常方便.它不僅可以作