水環(huán)熱泵與空氣源熱泵節(jié)能性對比分析

摘 要

摘要：結(jié)合工程實例，對天津地區(qū)某辦公建筑分別采用帶有輔助熱源的水環(huán)熱泵、空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行供冷、供熱的工藝流程進行了比較。分析了負荷率對兩種空調(diào)系統(tǒng)功耗的影響，比
摘要：結(jié)合工程實例，對天津地區(qū)某辦公建筑分別采用帶有輔助熱源的水環(huán)熱泵、空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行供冷、供熱的工藝流程進行了比較。分析了負荷率對兩種空調(diào)系統(tǒng)功耗的影響，比較了兩種空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)造價及運行費用。負荷率為80%～100%時，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的功耗升高速率較快。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)造價及運行費用均低于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：水環(huán)熱泵；空氣源熱泵；系統(tǒng)造價；運行費用
Comparative Analysis of Energy Saving between Water Loop Heat Pump and Air-source Heat Pump
YU Qidong
Abstract：Combined with an engineering case，the cooling and heating process flows of water loop heat pump air-conditioning system with auxiliary heat source and air-source heat pump air-conditioning system used in an office building in Tianjin are compared.The influence of load rate on the power consumption of two air-conditioning systems is analyzed.The manufacturing cost and operation cost of two air-conditioning systems are compared.The power consumption of water loop heat pump air-conditioning system is increased faster at the load rate of 80% to 100%.The manufacturing cost and operation cost of water loop heat pump air-conditioning system are less than those of air-source heat pump air-conditioning system.
Key words：water loop heat pump；air-source heat pump；system manufacturing cost； operation cost
    低碳、節(jié)能、環(huán)保既是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展的主題，也是我國經(jīng)濟長期可持續(xù)發(fā)展的模式。水環(huán)熱泵作為一種節(jié)能裝置，在工程中應(yīng)用價值也越來越高。已有學(xué)者對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在京津地區(qū)單體建筑中的節(jié)能性進行了分析研究，結(jié)果表明：水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在沒有明顯內(nèi)外區(qū)劃分的單體建筑中也具有節(jié)能性[1]。本文結(jié)合天津地區(qū)某工程實例，對水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗、系統(tǒng)造價及運行費用進行對比分析。
1 系統(tǒng)工藝流程及差別分析
   ① 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)
水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是用水環(huán)路將小型水源熱泵(水環(huán)熱泵機組)并聯(lián)在一起，構(gòu)成以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特征的供熱與供冷空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)要求建筑物內(nèi)部具有可回收的余熱，通過循環(huán)水將這些余熱分配到需熱區(qū)域，在不需要外界任何能量情況下，不同區(qū)域的水環(huán)熱泵機組可同時從循環(huán)水中取熱與放熱，實現(xiàn)同時供熱與供冷的效果。水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)工藝流程見圖1。
 

    水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中兩個關(guān)鍵的部分為循環(huán)水系統(tǒng)和水環(huán)熱泵機組。循環(huán)水系統(tǒng)作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中各水環(huán)熱泵機組的能量載體，流動的不是冷水或熱水，而是常溫的循環(huán)水。在供熱時，循環(huán)水為水環(huán)熱泵機組提供熱源，不足的熱量由輔助加熱設(shè)備補充。在供冷時，循環(huán)水為水環(huán)熱泵機組提供冷源，而多余的熱量則由冷卻塔排出。水環(huán)熱泵機組是水-空氣熱泵機組的一種，各機組均能單獨實現(xiàn)供熱和供冷功能，機組直接將循環(huán)水作為熱源和熱匯，直接與室內(nèi)空氣進行熱交換，承擔室內(nèi)負荷。
   循環(huán)水溫度通常維持在15～35℃，循環(huán)水的溫度范圍是循環(huán)水系統(tǒng)控制的重要依據(jù)。當循環(huán)水溫度高于設(shè)計上限時，冷卻塔開啟，循環(huán)水通過冷卻塔散熱。當循環(huán)水溫度低于設(shè)計下限時，輔助加熱設(shè)備投入使用，對循環(huán)水進行加熱，由此保證循環(huán)水溫度處于設(shè)計范圍內(nèi)，從而保證水環(huán)熱泵機組的高效運行。通常，在夏季，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中各水環(huán)熱泵機組均按供冷工況運行，向循環(huán)水放熱，此時需要開啟冷卻塔散熱。在冬季，系統(tǒng)中大部分水環(huán)熱泵機組按供熱工況運行，從循環(huán)水吸熱，而一些位于建筑物內(nèi)區(qū)的機組由于房間常年需要供冷而按供冷工況運行，向循環(huán)水放熱。當系統(tǒng)中供冷機組的放熱量不足以補充供熱機組的吸熱量時，循環(huán)水溫度將下降，當下降到設(shè)計下限時，輔助加熱設(shè)備開啟。當放熱量大于吸熱量時，循環(huán)水溫度將上升，當上升到設(shè)計上限時，冷卻塔開啟。在過渡季節(jié)，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中供冷機組的放熱量與供熱機組的吸熱量經(jīng)常處于相當?shù)乃?，此時循環(huán)水溫度自動維持在設(shè)計范圍內(nèi)，無需開啟冷卻塔或輔助加熱設(shè)備。
   ② 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)
空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工藝流程見圖2。冬季，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通過空氣源熱泵提取室外空氣的熱量，再通過末端風(fēng)機盤管釋放到建筑物內(nèi)部房間中。對于采用兩管制風(fēng)機盤管的空調(diào)系統(tǒng)，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不能實現(xiàn)不同區(qū)域同時供熱與供冷。空氣源熱泵由于采用了空氣循環(huán)式散熱方式，因此不需要設(shè)置冷卻塔，但受室外氣象條件(主要指溫度與相對濕度)影響很大。冬季室外溫度降低時，由于蒸發(fā)器結(jié)霜常導(dǎo)致空氣源熱泵制熱量劇烈下降，機組甚至無法啟動。為了解決這個問題，需要增設(shè)輔助加熱設(shè)備(電加熱水箱)以保證空調(diào)系統(tǒng)冬季的安全運行。
 

   ③ 差別分析
   相對于傳統(tǒng)供熱空調(diào)系統(tǒng)，上述兩種空調(diào)系統(tǒng)都具有節(jié)能性，但所采用的節(jié)能方式不同?？諝庠礋岜每照{(diào)系統(tǒng)是利用熱泵機組將室外空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)房間，從而達到節(jié)能環(huán)保效果。而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)則是利用循環(huán)水將建筑物內(nèi)部所產(chǎn)生的余熱進行合理分配，從而達到節(jié)能與環(huán)保效果的節(jié)能技術(shù)。這種技術(shù)最突出的特點是在不需要任何外加冷熱源的條件下，通過建筑物內(nèi)部的能量回收與轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)不同區(qū)域供熱與供冷，既滿足不同區(qū)域房間熱舒適度，又實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的效果。
2 工程概況與空調(diào)系統(tǒng)方案
2.1 工程概況
    該工程位于天津，為兩層單體辦公建筑，總建筑面積約1000m2。天津地區(qū)室外氣象參數(shù)：夏季空調(diào)室外計算干球溫度為33.4℃，夏季空調(diào)室外計算濕球溫度為26.9℃，冬季供暖室外計算溫度為-9℃，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為27℃，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為21℃。建筑總冷負荷為105.5kW，總熱負荷為70kW。
2.2 空調(diào)系統(tǒng)方案
   ① 方案1
   空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。采用2臺YCAC75(H)空氣源熱泵機組，總制冷量為126kW，總制熱量為134kW，制冷工況下輸入功率為46kW，制熱工況下輸入功率為47.5kW。共選用24臺風(fēng)機盤管作為末端設(shè)備，總功率為2.72kW。采用電加熱水箱作為空氣源熱泵系統(tǒng)冬季的輔助熱源，補償加熱量按系統(tǒng)熱負荷50%考慮，取35kW。
   ② 方案2
   水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。采用23臺SHR系列單元式水環(huán)熱泵機組，總制冷量為105.5kW，總制熱量為120.8kW，制冷工況下輸入功率為23.5kW，制熱工況下輸入功率為25.2kW。采用電加熱水箱作為水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季輔助熱源，補償加熱量按系統(tǒng)熱負荷70%考慮，取50kW。
    在5種負荷率100%、80%、60%、40%、20%下，對兩種方案夏冬季的運行能耗進行測試。兩種方案夏、冬季運行能耗的測試數(shù)據(jù)分別見表1、2。
表1 兩種方案夏季運行能耗測試數(shù)據(jù)
負荷率/%
運行時間/h
機組功率/kW
循環(huán)泵功率/kW
冷卻塔功率/kW
風(fēng)機盤管功率/kw
耗電量/(kW·h)
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
100
75
32.20
16.46
2.2
0.O0
1.50
2.72
0.00
2784
1512
80
375
23.94
9.24
0.80
2.18
10620
4590
60
600
18.00
6.91
0.63
1.63
13098
5844
40
300
12.88
4.61
0.42
1.O9
4851
2169
20
150
9.05
2.30
0.21
0.54
1769
707
表2 兩種方案冬季運行能耗測試數(shù)據(jù)
負荷率/%
運行時間/h
機組功率/kW
循環(huán)泵功率/kW
輔助熱源功率/kw
風(fēng)機盤管功率/kW
耗電量/(kW·h)
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
方案1
方案2
100
72
11.56
5.49
2.2
35
50
2.72
0.00
3707
4154
80
360
7.63
4.14
28
28
2.18
14404
12362
60
576
5.35
3.09
21
21
1.63
17384
15143
40
288
3.37
2.07
14
14
1.O9
5950
5262
20
144
1.57
1.04
7
7
0.54
1629
1475
3 運行能耗對比
    不同負荷率下夏季兩種方案相對功耗曲線見圖3，以夏季100%負荷率下的功耗作為計算基礎(chǔ)。由圖3可知，夏季，方案1的相對功耗與負荷率近似呈線性關(guān)系。方案2在負荷率為0.2～0.8范圍內(nèi)，其相對功耗與負荷率也具有近似線性關(guān)系。在負荷率為0.8～1.0范圍內(nèi)，其相對功耗發(fā)生劇烈變化，即負荷率為0.8是方案2相對功耗曲線的拐點。

    夏季，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)受負荷率變化的影響要大于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，若水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)長期在負荷率為0.8～1.0范圍內(nèi)運行則節(jié)能不明顯。
    不同負荷率下冬季兩種方案相對功耗曲線見圖4，以冬季100%負荷率下的功耗作為計算基礎(chǔ)。由圖4可知，冬季，方案1的相對功耗與負荷率近似成線性關(guān)系。方案2的相對功耗在負荷率為0.8～1.0范圍內(nèi)變化非常劇烈，在負荷率0.2～0.8范圍內(nèi)二者近似成線性關(guān)系。
   無論方案1還是方案2，冬季負荷率對相對功耗的影響要大于夏季。冬季，負荷率對方案2相對功耗的影響要大于方案1，特別是在負荷率0.8～1.0范圍內(nèi)。冬季，若水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)長期在負荷率0.8～1.0范圍內(nèi)運行，節(jié)能不明顯。這是由于在這一負荷率范圍內(nèi)，建筑內(nèi)部可利用熱量很小，需補充大量熱量。
4 經(jīng)濟性分析
   ① 系統(tǒng)造價
   兩種方案的系統(tǒng)造價見表3。由表3可知，方案2比方案1的安裝費節(jié)省60%，單位建筑面積造價節(jié)省36.7%。
表3 兩種方案的系統(tǒng)造價
方案
方案1
方案2
設(shè)備造價/元
24×104
21×104
安裝費/元
25×104
10×104
單位建筑面積造價/(元·m-2)
490
310
    ② 年運行費用
    兩種方案的年運行費用見表4。電價按0.89元/(kW·h)計算。由表4可知，方案1冬季電費為年運行費用的56.5%，而方案2的冬季電費占年運行費用的72.1%。因此，這兩種空調(diào)系統(tǒng)是否具備經(jīng)濟陛關(guān)鍵取決于冬季運行工況。方案2的年運行費用比方案1節(jié)省30.2%，因此從年運行費用看，水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性更高。
表4 兩種方案的年運行費用
方案
方案1
方案2
夏季耗電量/(kW·h)
33122
14822
夏季電費/元
29479
13192
冬季耗電量/(kW·h)
43074
38396
冬季電費/元
38336
34172
年運行成本/元
67815
47364
5 結(jié)論
    ① 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性與長期運行工況的負荷率有著密切關(guān)系，特別是在冬季。
    ② 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行能耗要低于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
    ③ 水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，無論系統(tǒng)造價還是年運行費用都低，說明前者更具經(jīng)濟性，有更大工程應(yīng)用價值。但應(yīng)注意：這些結(jié)論主要由京津地區(qū)的氣象參數(shù)得出，我國其他地區(qū)應(yīng)具體分析。
參考文獻：
[1] 劉天偉，杜塏.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于綜合辦公建筑的節(jié)能性研究[J].暖通空調(diào)，2010，30(3)：63-67.
 
(本文作者：于齊東 天津城市建設(shè)學(xué)院 天津 300384)