改進(jìn)BIN參數(shù)水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)

1、改進(jìn)BIN參數(shù)水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)要： 本文對(duì)美國(guó)ASHRAE改進(jìn)的Bin能耗計(jì)算方法(Modified Bin Method)作了一些適合于我國(guó)華北地區(qū)民用住宅使用的修改后，根據(jù)天津市最近十二年的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算了天津地區(qū)全天24小時(shí)和18:008:00之間兩種情況下的全年Bin數(shù)據(jù)。并在考慮了水源熱泵的部分負(fù)荷特性對(duì)機(jī)組效率的影響之后，對(duì)水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的兩種常見工作模式進(jìn)行了全年能耗計(jì)算與分析。 關(guān)鍵詞： 水源熱泵 住宅中央空調(diào) Bin 能耗分析 部分負(fù)荷特性 Application of the Modified BIN Method to WSHP Residential

2、Central Air-conditioning SystemAbstract: Both heating and cooling loads can be estimated using the Bin (temperature frequency) method, so the Modified Bin Method from ASHRAE was applied to this article. Modified to fit the condition of the residence in North China, two kinds of Bins concluding both

3、the whole day and the night throughout one year were given out referring to the latest twelve years weather data of Tianjin. Then the energy calculation and analysis for two normal run modes of the Water Source Heat Pump (WSHP) residential central air-conditioning were done at the concept of partial

4、 load characteristic.Keyword: Water Source Heat Pump, Residential Central Air-conditioning, Modified Bin Method, energy calculation and analysis, partial load characteristic 1.概述 住宅中央空調(diào)(Residential Central Air-conditioning)的概念最先來源于美國(guó),它是一種通過風(fēng)道或冷熱水管道將中央空調(diào)處理機(jī)集中處理過的空氣或冷熱水送進(jìn)位于不同房間的空調(diào)未端,補(bǔ)償各房間的冷熱損失,以達(dá)到各房間空

5、氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)形式。隨著我國(guó)目前城市環(huán)境問題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,在黃河流域,采用經(jīng)濟(jì)、清潔的熱泵中央空調(diào)系統(tǒng),已經(jīng)變得日益重要。正是在此背景下,深井回灌的水源熱泵(Water Source Heat Pump)方式有可能成為滿足這種需求的住宅供熱空調(diào)方式。較為簡(jiǎn)便可行的水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗分析將對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)形式在住宅空調(diào)方面的發(fā)展、系統(tǒng)的的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理以及用戶對(duì)水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的認(rèn)同與選購都有著很重要的意義。本文將美國(guó)ASHRAE改進(jìn)的Bin能耗計(jì)算方法(Modified Bin Method)引入水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析與計(jì)算,使得該系統(tǒng)的能耗分析

6、與計(jì)算變得更為簡(jiǎn)單。 2.建筑物全年負(fù)荷計(jì)算 2.1計(jì)算方法簡(jiǎn)介空調(diào)系統(tǒng)全年能耗分析必須以建筑物全年負(fù)荷計(jì)算為基礎(chǔ)。關(guān)于建筑物全年負(fù)荷計(jì)算有兩種方法：一是建立建筑物熱過程的動(dòng)態(tài)模型,在計(jì)算機(jī)上作全年或某時(shí)間段的逐時(shí)模擬,逐時(shí)計(jì)算法是最復(fù)雜,也是最準(zhǔn)確的一種能耗計(jì)算法,它是根據(jù)室外逐時(shí)的氣象數(shù)據(jù),室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),逐時(shí)計(jì)算出建筑的能耗。其代表軟件有:美國(guó)政府的DOE2,美國(guó)軍方的BLAST和室內(nèi)環(huán)境溫度和能耗模擬軟件DEROB。二是各種簡(jiǎn)化計(jì)算方法,如度日法、擴(kuò)大度日法、當(dāng)量運(yùn)行小時(shí)法、溫頻法(Bin)等。與動(dòng)態(tài)模擬相比,后者精度稍差,但比較簡(jiǎn)單,當(dāng)建筑物用途及系統(tǒng)恒定時(shí),用這種方法是合理的124。

7、度日法是最簡(jiǎn)單的方法，但通常產(chǎn)生的結(jié)果較差，它不能在運(yùn)行效率取決與室外環(huán)境的系統(tǒng)中運(yùn)行，熱泵就是一個(gè)很好的例子。本文采用的改進(jìn)的溫濕頻參數(shù)(Modified Bin Method)法同屬于簡(jiǎn)化計(jì)算法，但是它將室外工況和部分負(fù)荷工況所產(chǎn)生的效果考慮在內(nèi)，這種方法具有足夠的精度滿足水源熱泵系統(tǒng)的要求4。尤其，改進(jìn)的Bin方法與其他方法比較，更側(cè)重于能耗的分析與計(jì)算。該方法可以在各種負(fù)荷狀態(tài)(而不只是在設(shè)計(jì)負(fù)荷條件)下，將設(shè)備的運(yùn)行效率、啟停狀態(tài)的影響以及再熱量、全熱回收等因素考慮在內(nèi)，進(jìn)行較為準(zhǔn)確的能耗分析。本文結(jié)合我國(guó)氣象數(shù)據(jù)的特點(diǎn),對(duì)ASHRAE改進(jìn)的溫頻參數(shù)(Bin)法做了如下調(diào)整：1)Bi

8、n數(shù)據(jù)的溫度間隔取為兩度,提高了計(jì)算精度；2)用含濕量代替濕球溫度,這樣在計(jì)算潛熱負(fù)荷時(shí)不用再進(jìn)行由濕球溫度到含濕量的換算；3)由于我國(guó)大部分地區(qū)冬夏季空調(diào)參數(shù)相差很大,結(jié)合住宅空調(diào)運(yùn)行特點(diǎn),分別計(jì)算了天津地區(qū)24小時(shí)和18:008:00的兩種Bin數(shù)據(jù)。其中濕球溫度直接來源于天津地區(qū)室外氣象數(shù)據(jù)，它的采用使得計(jì)算潛冷負(fù)荷和潛熱負(fù)荷時(shí)節(jié)省了相對(duì)濕度向濕球溫度轉(zhuǎn)換的步驟。2.2負(fù)荷計(jì)算本文僅就與溫頻參數(shù)相關(guān)的太陽負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)帶來的室內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行詳細(xì)分析,室內(nèi)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷可參閱有關(guān)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)。2.2.1通過窗戶的太陽負(fù)荷(1) 式中：QSOLj通過窗戶的太陽負(fù)荷,(W/m2),j等于7或

9、者1；建筑物所有外窗朝向數(shù)；MSHGFi朝向i月最大太陽數(shù),(W/m2)AGi朝向i的窗戶的總面積,(m2)Cs朝向i的遮陽系數(shù)，Cs=0.93；CLFTOTi朝向i在24小時(shí)內(nèi)太陽冷負(fù)荷系數(shù)之和；KT月平均日照率；T空調(diào)系統(tǒng)在t時(shí)的運(yùn)行小時(shí)數(shù),(hr)；A建筑物的空調(diào)面積,(m2)；其中,QSOL與室外氣溫T之間存在著線性關(guān)系：(2)式中：tc峰值冷負(fù)荷溫度,天津地區(qū)為35；th峰值熱負(fù)荷溫度,天津地區(qū)為-11)。2.2.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷由兩部分構(gòu)成：1)通過屋面、墻體、玻璃窗由室內(nèi)外溫差引起的穩(wěn)定傳熱部分： (3)式中：TL由室內(nèi)外溫差引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)冷熱負(fù)荷(W/m2)；

10、建筑物的傳導(dǎo)表面數(shù)；Ai第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的面積(m2)；Ki第i個(gè)表面的傳熱系數(shù)(W/m2)；t室外空氣溫度()；tn室內(nèi)設(shè)定溫度(),制冷工況26,采暖工況20,防凍工況10。2)通過屋面、墻體和窗戶由投射在外表面上的日射引起的不穩(wěn)定傳熱部分：(4)式中：QTSj太陽日射形成的傳導(dǎo)冷負(fù)荷(W/m2),j等于7或者1；CLTDS太陽日射形成的墻體冷負(fù)荷溫差()；KC墻體外表面顏色修正系數(shù),深色調(diào)取1.0；其中QTS與室外空氣溫度之間存在著線性關(guān)系： (5)2.3天津地區(qū)溫頻(Bin)數(shù)計(jì)算根據(jù)天津地區(qū)最近十二年的氣象資料,以2溫度差作為一個(gè)溫頻段,整理得到天津地區(qū)溫頻參數(shù)。表1為全天24小時(shí)

11、的溫頻值,表2為18:008:00之間的溫頻值。 天津地區(qū)24小時(shí)Bin數(shù)北緯3906東經(jīng)11710 海拔3.3m 表1干球溫度() -11-9-7-5-3-1135791113小時(shí)數(shù)(h) 1446147244446555615424385303301324407平均含濕量(g/kg) 0.450.81.10.681.61.92.22.52.73.344.65.4 續(xù)表1干球溫度() 1517192123252729313335小時(shí)數(shù)(h) 42945651059760862852440122811217平均含濕量(g/kg) 67.58.1101212.414.414.2151411.4

12、天津地區(qū)18:008:00 Bin數(shù)北緯3906東經(jīng)11710海拔3.3m表2干球溫度() -11-9-7-5-3-1135791113小時(shí)數(shù)(h) 937111189304380385225183157183212256平均含濕量(g/kg) 0.430.91.11.21.72.12.42.53.33.84.45.15.9 續(xù)表2干球溫度() 1517192123252729313335小時(shí)數(shù)(h) 2722963023783853482851254174平均含濕量(g/kg) 6.78.29.311.713.114.415.715.916.214.512.2 3.住宅建筑能耗分析與計(jì)算實(shí)例

13、 3.1建筑概況為具有代表性,本文選用了一戶位于天津市某高檔水源熱泵系統(tǒng)住宅小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)戶型住宅,戶型為三室兩廳、雙衛(wèi)雙廁空調(diào)面積200平米?？照{(diào)機(jī)組選用我們自己開發(fā)的水源熱泵中央空調(diào)機(jī)組。該建筑基本情況如下：1) 夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)tn=26, dn=12.7g/kg ；2)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：正常運(yùn)行tn=20, dn=7.4g/kg；防凍運(yùn)行：tn=10，dn=3.8 g/kg；3)外墻：內(nèi)面抹灰200mm加氣混凝土,外墻南、北兩面面積分別是45m2,36m2；4)窗戶：?jiǎn)螌?mm厚玻璃塑鋼窗,南窗10m2,北窗8m2；傳熱系數(shù)K=5.8W/m2K5)窗內(nèi)掛中間色窗簾；6)*門窗等縫隙引入新風(fēng)

14、,新風(fēng)滲透量0.5次/h；7)室內(nèi)負(fù)荷：燈具7.5W/m2,空調(diào)期間同時(shí)使用系數(shù)0.75,非空調(diào)期間同時(shí)使用系數(shù)為0；考慮設(shè)備均在衛(wèi)生間或廚房，設(shè)備負(fù)荷12W/m2；人員：空調(diào)期間全熱負(fù)荷為1115/200=2.8W/m2。 3.2能耗計(jì)算及其分析本文分兩種運(yùn)行模式進(jìn)行計(jì)算(模式二只給出了計(jì)算結(jié)果)，其他住宅形式的計(jì)算過程讀者可仿照本計(jì)算過程自己完成：模式一：冬季空調(diào)全天運(yùn)行,白天無人時(shí)間(8:0018:00)為低負(fù)荷防凍運(yùn)行；夏季運(yùn)行時(shí)間t=10小時(shí);模式二：冬夏季全天24小時(shí)均為正常運(yùn)行。3.2.1通過窗戶的太陽負(fù)荷QSOL將表3數(shù)值代入(1)式得到計(jì)算結(jié)果：QSOL7=3.94W/m2,

15、QSOL1=3.43W/m2,代入式(2)得到關(guān)系式：QSOL=0.011t+3.55(6) 3.2.2通過墻體和窗戶的傳熱負(fù)荷1)穩(wěn)定傳熱部分夏季：TCL=0.828t-21.53；(7) 冬季18:008:00：THL=-0.828t+16.56；(8) 冬季8:0018:00：THL=-0.828t+8.28；(9) 式得如下關(guān)系式：QTS=-0.0274t+2.50；(10)3.2.3室內(nèi)負(fù)荷(計(jì)算方法見文獻(xiàn)7)： 7.5x0.75+12+2.8=20.42W/m2(11)3.2.4滲透風(fēng)負(fù)荷,(計(jì)算方法見文獻(xiàn)7)顯冷負(fù)荷：QVCS=0.442t-11.49；(12) 顯熱負(fù)荷：QVH

16、S=-0.442t+8.84；(13) 潛冷負(fù)荷：QVL=1.08d-13.72；(14)潛熱負(fù)荷(室內(nèi)溫度20)：QVH1=-1.08d+8.0；(15)潛熱負(fù)荷(室內(nèi)溫度10)：QVH1=-1.08d+4.1；(16) 3.3建筑物能耗計(jì)算1)供冷負(fù)荷(18:008:00)：由(6)、(8)、(11)、(12)、(13)疊加得到室內(nèi)顯冷負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式： QCL=1.25t-6.55(17)2)正常運(yùn)行期間(18:008:00)供熱負(fù)荷：由(6)、(9)、(11)、(14) 疊加得到室內(nèi)熱負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式(室內(nèi)負(fù)荷作為安全因素)：QHL1=-1.25t+19.35(18

17、)3)防凍運(yùn)行期間(8:0018:00)供熱負(fù)荷：由(6)、(10)、(11)、(14)疊加,得到室內(nèi)熱負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式：QHL2=-1.25t+11.07(19)將表1和表2中各BIN段相對(duì)應(yīng)的室外空氣溫度和相對(duì)濕度分別代入(14)(19)各式,即可得到各頻段的冷負(fù)荷和供暖熱負(fù)荷,冷熱負(fù)荷乘上各對(duì)應(yīng)頻段的小時(shí)數(shù)即得到制冷總耗冷量和供暖耗熱量。(天津地區(qū)開始制冷時(shí)的室外溫度取23,開始采暖時(shí)的室外溫度取5)?？偤睦淞坑?jì)算表(18 :008 :00)根據(jù)表57可得到運(yùn)行模式一下該標(biāo)準(zhǔn)住宅的年能耗量：耗冷量總計(jì)30.32+2.3232.64kWh/m2；耗熱量總計(jì)47.60+13.14=

18、60.74kWh/m2。以同樣的方法可以得到模式二下全年能耗量：耗冷量總計(jì)70.60kWh/m2；耗熱量總計(jì)75.69kWh/m2。3.4空調(diào)負(fù)荷與室外溫度的線性關(guān)系圖表右圖1反映了以上各空調(diào)負(fù)荷與室外空氣溫度的線性關(guān)系。4.水源熱泵住宅中央空調(diào)全年能耗計(jì)算方法根據(jù)由改進(jìn)的BIN方法計(jì)算出的建筑能耗，初步確定所需設(shè)備的能耗量，再根據(jù)設(shè)備廠家提供的設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際的設(shè)備輸入功率。本文使用的熱泵機(jī)組為我們和天大勝遠(yuǎn)空調(diào)公司合作開發(fā)的住宅式水源熱泵機(jī)組，采用谷輪公司ZR47K3-PFJ壓縮機(jī)。 4.1設(shè)備選擇(見表8) 1)該小區(qū)采取集中供應(yīng)冷卻水的方式,地源水循環(huán)水泵集中設(shè)置,小區(qū)住戶分?jǐn)?/p>

19、地源水循環(huán)水泵的運(yùn)行費(fèi)用。本文為便于進(jìn)行能耗分析,采用分?jǐn)偟卦此h(huán)水泵能耗的方式進(jìn)行計(jì)算。2)用戶系統(tǒng)房間裝設(shè)風(fēng)機(jī)盤管。 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備表8熱泵機(jī)組水源循環(huán)水泵(分?jǐn)傊?用戶循環(huán)水泵風(fēng)機(jī)盤管(總和)制冷工況制熱工況制冷工況制熱工況輸入功率(W)2420346050020065250輸出冷（熱）量(W)1140012700-(熱泵機(jī)組測(cè)試條件：制熱時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)出口45/50,冷凝器進(jìn)出口17/7；制冷時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)出口12/7,冷凝器進(jìn)出口17/27)4.2部分負(fù)荷特性 由于全年水源熱泵大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，必須考慮由于部分負(fù)荷運(yùn)行所引起的效率降低的問題。部分負(fù)荷(PLF)因素定義如下

20、：1-CD(1-Xr)(20)式中:CD衰變因子，如果設(shè)備制造商沒有對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試或是給出一個(gè)更低的值時(shí)，CD=0.25；Xr設(shè)備理論運(yùn)行時(shí)間系數(shù)，即建筑負(fù)荷與設(shè)備實(shí)際容量之比。如果設(shè)備容量小于建筑負(fù)荷，即Xr大于1，由(20)知，PLF將大于1，此時(shí)表示設(shè)備連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，因此設(shè)定PLF=1.0。4.3設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算實(shí)際運(yùn)行時(shí)間系數(shù)：Xa=Xr/PLF(21)在某個(gè)溫頻段設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間r就等于該溫頻小時(shí)數(shù)乘以Xa見表911。 夏季(18：008：00)表9Bin23252729313335合計(jì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間r(h)207215197933363754 冬季正常采暖運(yùn)行(18：008：

21、00)表1Bin-11-9-7-5-3-1135合計(jì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間r(h)7267211318621319510372986 冬季防凍采暖運(yùn)行(8：0018：00)表11Bin-11-9-7-5-3-1135合計(jì)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間r(h)3715215757614129291 總結(jié)以上表811，得到200平米空調(diào)面積在運(yùn)行模式一下的全年熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵及風(fēng)機(jī)盤管能耗量為：(2420+500+200+65+250)*754/1000+(3460+500+200+65+250)*(986+291)/1000=8304kWh以同樣的方法可以得到模式二全年能耗量為：(2420+500+200+65+250)

22、*1506/1000+(3460+500+200+65+250)*1602/1000=12342kWh。將以上全年能耗量乘上天津地區(qū)的能源價(jià)格即為該運(yùn)行模式下住宅水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)全年的運(yùn)行費(fèi)用。 5. 水源熱泵住宅中央空調(diào)全年能耗分析5.1兩種運(yùn)行模式下全年對(duì)應(yīng)各BIN值的能耗量比較(見圖2、圖3) 模式一全年對(duì)應(yīng)各BIN值的能耗量比較圖2模式二下全年對(duì)應(yīng)各BIN值的能耗量比較圖3由表57以及圖2、3得出如下結(jié)論：1)華北地區(qū)全年能耗量以冬天為主，在模式一運(yùn)行工況下，冬季能耗量（60.74kWh/m2）幾乎是夏季能耗量（32.64 kWh/m2）的兩倍，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能時(shí)可重點(diǎn)從實(shí)現(xiàn)冬季的節(jié)能

23、出發(fā)；2)在模式二運(yùn)行工況下，冬夏季的能耗量基本持平，在天津地區(qū)要想實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能就應(yīng)該從全年運(yùn)行工況出發(fā)加以考慮；5.2在(17)、(18)、(19)三式的計(jì)算過程中知道，對(duì)住宅建筑來說，由于室內(nèi)負(fù)荷在全部負(fù)荷中占的比例很大，室內(nèi)負(fù)荷的變化對(duì)建筑能耗有很大影響。例如，如果室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷為20W/m2，(11)式將變成28.4 W/m2，相應(yīng)的，(17)式將變成：QCL=1.25t+3.87；也就是說夏季理論開機(jī)時(shí)間(室內(nèi)空間總的熱量傳遞平衡為正值)將由原來的室外溫度5.2提前到3，提前了夏季開機(jī)時(shí)間，無疑加大了夏季住宅能耗。但室內(nèi)負(fù)荷對(duì)冬季則是有利的，該部分熱量應(yīng)該盡量實(shí)現(xiàn)夏季排放到室外，冬季則

24、采用熱回收裝置，延遲冬夏季開機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)住宅建筑的節(jié)能。5.3由于住宅式水源熱泵全年多數(shù)時(shí)間都在部分負(fù)荷下運(yùn)行，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于實(shí)際空調(diào)時(shí)間，必須考慮部分負(fù)荷因素對(duì)熱泵機(jī)組帶來的影響。本文引入了部分負(fù)荷因素的概念，目的就是盡量準(zhǔn)確的估計(jì)水源熱泵機(jī)組的實(shí)際輸入功率，優(yōu)化機(jī)組的設(shè)計(jì)以及用戶準(zhǔn)確估計(jì)所選住宅水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)住宅建筑的節(jié)能。 6結(jié)論6.1由于民用住宅建筑的能耗計(jì)算可以細(xì)化到每戶住宅，因此采用BIN方法進(jìn)行能耗計(jì)算時(shí)可以大大減小工作繁重程度，使得較為準(zhǔn)確的手工計(jì)算成為可能。采用BIN方法計(jì)算得到每戶住宅的實(shí)時(shí)冷熱負(fù)荷，然后通過系統(tǒng)模擬得到設(shè)備負(fù)荷，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工作特性，最終計(jì)算出設(shè)備能耗量。6.2取天津地區(qū)能源價(jià)格0.41元/kWh,對(duì)于本文采用的住宅實(shí)例（墻體傳熱系數(shù)0