基于溫頻法的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

基于溫頻法的海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

隨著水源熱泵住宅中央裝置的廣泛應(yīng)用，人們對其有著初步的認識。由于其良好的室內(nèi)熱適應(yīng)性、低運營成本、低噪聲和低維護性能，水源熱泵越來越受人們喜愛。在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的概念之后，空調(diào)行業(yè)面臨著主要挑戰(zhàn)：建筑節(jié)能的概念，而建筑節(jié)能的主要方面是減少建筑能耗。近年來，人們提出了各種建筑能耗的分析方法，但由于許多不確定因素的影響，目前國際上廣泛使用了簡化分析的方法，如量化滿負負荷運行時間法、日程法、溫頻法和負荷表法?，F(xiàn)在，以第29屆世界博覽會青島國際劃船中心（媒體中心）的空調(diào)工程為例，采用日常法和溫頻法對海水源熱泵管理系統(tǒng)的能耗進行分析和比較。1建筑物年負荷計算1.1空調(diào)冷負荷設(shè)計本工程建筑面積:8199m2,其中地上4501m2,地下3698m2;建筑總高度:17.9m.冬季:空調(diào)熱負荷710kW,室內(nèi)設(shè)計溫度20℃,室外設(shè)計溫度-9℃,供暖期從12月初到次年3月底,約110～130d.夏季:空調(diào)冷負荷800kW,室內(nèi)設(shè)計溫度24℃,室外設(shè)計溫度29℃.1.2回用選擇熱負荷空調(diào)系統(tǒng)全年能耗分析是以建筑物全年負荷計算為基礎(chǔ).建筑物全年負荷計算有2種方法:一是對建筑物熱過程的動態(tài)模擬.即根據(jù)室內(nèi)設(shè)計參數(shù),室外逐時的氣象數(shù)據(jù),在計算機上做全年或某時間段的逐時模擬,計算出建筑物的能耗;二是各種簡化計算方法,如度日法、溫頻法、當(dāng)量運行小時法等.與動態(tài)模擬相比,后者精度稍差,但比較簡單,當(dāng)建筑物用途及系統(tǒng)恒定時,用這種方法是合理的.1.2.1度日法.度日,是指每日平均溫度與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參考溫度(或稱溫度基準(zhǔn))的離差.因此,某日的度日數(shù),就是該日平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)參考溫度的實際離差.該建筑冬季以18℃為基準(zhǔn)的采暖期度日數(shù)HDD18,夏季以26℃為基準(zhǔn)的空調(diào)期度日數(shù)CDD26可分別應(yīng)用公式:HDD=∑i=1采暖期天數(shù)(18?ti),CDD=∑i=1365(ti?26)∑i=1采暖期天數(shù)(18-ti),CDD=∑i=1365(ti-26)為了使統(tǒng)計出的度日數(shù)具有足夠的代表性,一般應(yīng)統(tǒng)計10年以上的氣象資料.查取氣象數(shù)據(jù),得青島地區(qū)的度日數(shù)為HDD=1881,CDD=50根據(jù)度日法計算建筑物負荷的公式為Q=24·q·(度日數(shù))·Cd/Δt式中q—建筑物總的設(shè)計空調(diào)熱負荷或冷負荷;Cd—修正系數(shù),考慮到間歇空調(diào)對連續(xù)空調(diào)的修整,供熱季節(jié)為0.69,制冷季節(jié)為0.76;Δt—室內(nèi)外設(shè)計溫差通過上式可得到建筑物的全年熱負荷為Qh=24×qh×HDD×CdΔth=24×738×1881×0.6929=795697Qh=24×qh×ΗDD×CdΔth=24×738×1881×0.6929=795697kW·h式中Cd=0.69;qh=738kW;Δth=20-(-9)=29℃建筑物全年冷負荷為Qc=24×qc×CDD×CdΔtc=24×820×50×0.765=149568Qc=24×qc×CDD×CdΔtc=24×820×50×0.765=149568kW·h式中Cd=0.76;qc=820kW;Δtc=29-24=5℃采用度日法所得的建筑負荷與原始設(shè)計負荷見表1.1.2.2溫頻法(BIN).所謂的BIN方法,就是假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)負荷(包括日射及溫差負荷)可變換成室外氣溫的線性關(guān)系,依此線性關(guān)系計算出不同溫度下的負荷并乘以該溫度段出現(xiàn)的小時數(shù),便得出該溫度下的冷、熱耗量.將夏季或冬季各溫度下的冷、熱耗量累計求和便是全年冷或熱耗量.用BIN方法計算負荷時,要用到BIN氣象參數(shù).所謂BIN氣象參數(shù),就是根據(jù)某地全年室外干球溫度或者隨機氣象模型生成的逐時值,整理并統(tǒng)計出一定間隔(本文該溫度間隔取2℃)的溫度段中的溫度在全年或者某個時期所出現(xiàn)的小時數(shù),即溫度的時間頻率表.為了適應(yīng)不同的需求,可以統(tǒng)計不同時間段(夏季或冬季)及每日不同起始結(jié)束時刻的BIN氣象參數(shù).(1)逐時室外空氣溫度tdb,h=tdb,max-fh·DR式中tdb,h—逐時溫度;DR—氣溫的日波動幅度即日較差,DR=tdb,max-tdb,min;tdb,max,tdb,min—日最高,最低溫度;fh=tdb,max?tdb,htdb,max?tdb,minfh=tdb,max-tdb,htdb,max-tdb,min是與時間h有關(guān)的系數(shù),可從表2查得(2)建筑物負荷計算.冬季室外溫度為tout時建筑物的熱負荷的計算公式:Qtout=tn?touttn?tcj×QcjQtout=tn-touttn-tcj×Qcj式中tn—建筑物冬季室內(nèi)設(shè)計溫度;Qcj—室外溫度為tcj時的建筑物熱負荷;Qtout—室外溫度為tout時的建筑物熱負荷夏季室外溫度為tout時建筑物的冷負荷的計算公式:Qtout=tn?touttn?tej×QejQtout=tn-touttn-tej×Qej式中tn—建筑物夏季室內(nèi)設(shè)計溫度;Qej—室外溫度為tej時的建筑物冷負荷;Qtout—室外溫度為tout時的建筑物冷負荷根據(jù)公式,可求出建筑物在某一溫頻下的冷熱負荷,見表3、表4.1.2.3負荷比較.根據(jù)度日法和溫頻法對建筑物全年負荷的計算結(jié)果分析,由于溫頻法是變工況運行條件下得到的結(jié)果,而度日法是定工況條件下得到的計算結(jié)果,所以溫頻法在計算建筑物全年負荷時,相對于度日法具有更高的精度.從表5可看出運用溫頻法計算出建筑物供冷供熱負荷均小于運用度日法所計算得出的結(jié)論,由此可見,海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果更加顯著.溫頻法在本工程能耗分析計算中具有更高的精度.根據(jù)度日法和溫頻法對建筑物全年負荷的計算結(jié)果見表5.2計算建筑年的總能耗2.1熱泵進口溫度計算(1)度日法.根據(jù)機組樣本資料冬季機組COP取3.5,夏季機組COP取5.0,計算出熱泵的能耗:冬季:226484kW·h;夏季:29913kW·h.(2)溫頻法.當(dāng)室內(nèi)溫度一定時,水源熱泵機組的COP不僅與熱泵本身設(shè)計和制造的精度有關(guān),還與運行時室外溫度有關(guān),因此在計算熱泵機組負荷時應(yīng)該考慮到環(huán)境的影響因素,熱泵機組的進出口水溫可通過以下計算得出:夏季:tc=tmean+[tmax?tmeantout,max?tout,mean](tout?tout,mean)tc=tmean+[tmax-tmeantout,max-tout,mean](tout-tout,mean)冬季:th=tmin+[tmean?tmintout_mean?tout_min](tout?tout_min)th=tmin+[tmean-tmintout_mean-tout_min](tout-tout_min)式中tmean—熱泵平均進水溫度,可取17℃;tmax—最熱月的最高進水溫度,通常比最高室外溫度低5～10℃,取26℃;tmin—全年最冷月的最低進水溫度,取4℃;tout_mean—全年室外的平均溫度;tout_max—空調(diào)設(shè)計工況室外最高氣溫,為29℃;tout_min—采暖設(shè)計工況室外最低氣溫,為-9℃;tout—室外溫度經(jīng)計算,夏季熱泵進水溫度:tc=0.58×tout+9.17冬季熱泵進水溫度:th=0.58×tout+5.22根據(jù)熱泵進口溫度值,水源熱泵機組的輸入功率以及COP值,并且根據(jù)樣本提供的數(shù)據(jù),熱泵機組制冷量和耗電量的關(guān)系可擬合為下式:n1=a+b×tin+c×t2inin2n2=d+e×tin+f×t2inin2Qcon=Qeva/n1W=n2×Qcon式中tin—熱泵進口溫度,℃;a,b,c,d,e,f—曲線擬合系數(shù),其中,夏季、冬季的a,b,c,d,e,f見表6根據(jù)擬合關(guān)系式可得出各個溫頻下熱泵機組的實際輸入功率.機組各溫頻下的實際輸入功率與各溫頻的時間段的乘積總合為機組制冷和供熱狀態(tài)下的總能耗.據(jù)圖1、圖2及計算可知,該建筑夏季空調(diào)總能耗Pe=2.4629×104kW·h,冬季空調(diào)總能耗為Pc=2.1134×105kW·h.2.2總能耗:ppump,pe+pc+ppumpPpump=N1×τ×n1+N2×τ×n2+N3×τ×n3式中N,τ,n—水泵的功耗,運行時間,臺數(shù)根據(jù)上式計算出水泵能耗:Ppump=129168kW·h建筑物全年總能耗:P=Pe+Pc+Ppump=2462