海水源热泵空调系统能耗的分析与比较

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　　【摘要】如今，暖通空调系统的节能设计在建筑节能越来越重要，新的技术也不断出现，其中海水源热泵住宅中央空调得到广泛应用，人们对其认识也逐步深入。本文主要阐述了海水源热泵空调系统的能耗分析，介绍了海水源热泵与传统空调系统的能耗比较。
　　【关键词】海水源热泵空调系统 能耗分析传统空调系统比较
　　前言
　　 海水源热泵利用海水作为冷热源，是一种可再生能源利用技术，而且海水温度冬季高于室外气温，夏季低于室外气温，海水源热泵在全年可获得较高的运行效率。所以海水源热泵作为一种新式空调系统，具有良好的室内热舒适性能、低廉的运行费用、较低的噪声和低维护性能等优点，越来越受到人们的重视。
　　一、板式换热器传热系数和压降的计算
　　 板式换热器有结构紧凑、占地面积小、换热面积大及传热系数大的优点。由于板式换热器由许多换热面积相同的换热板组成，可以方便地根据换热量决定精确的换热面积以使工程设计达到最优。在海水源热泵系统中，由于海水具有腐蚀作用，除了集中供冷、供热站中的大型热泵机组采用经特殊防腐处理的蒸发、冷凝换热器外，其余热泵系统都是海水经钛合金板式换热器与二次冷却水(乙二醇溶液)进行换热。
　　 在海水源热泵系统中，板式换热器的选型尤为重要。板式换热器的优化选型是根据换热器的用途和工艺过程中的参数和传热单元数NTU、对数平均温差选择板片形状、板式换热器的类型和结构。若板式换热器设计不合理可能使换热面积过大，造成初投资的浪费，也可能使板式换热器问流体流速太高，阻力过大，导致运行不经济。
　　 由于板片导热热阻和污垢导热热阻变化较小，将其看作板式换热器固有的热工参数，而将可变性较大的流体表面传热系数看作影响总传热系数的主要因素。在板式换热器运行过程中，表面传热系数的变化主要由流体流速变化引起，同时板式换热器的压降也主要与流体流速有关。在此基础上，对提供的板式换热器热工试验数据进行研究，发现换热器的总传热系数、压降与冷热流体的流速存在定量关系，对这些试验数据进行回归拟合可得到总传热系数K、压降与冷热流体的流速的关联式。
　　二、海水源热泵空调系统能耗计算
　　 由于海水的腐蚀性，目前国内投入使用的海水源热泵空调系统采用板式换热器将海水循环系统与水环系统分隔开．海水源热泵空调系统运行过程中，在板式换热器内冷却水流速一定的基础上，海水流速的变化将会影响到板式换热器换热系数、板式换热器出水温度(冷凝器进水温度)，最后影响到制冷机的能耗。制冷工况下，板式换热器出水温度愈高，海水流速则低，海水泵能耗愈小，但同时热泵机组能耗则会升高，反之亦然。因此需要确定最优板式换热器出水温度，采用微分自适应优化控制策略确定最优板式换热器出水温度。
　　1、热泵机组的能耗模型
　　 采用Gordon-Ng制冷机数学模型，模型包含蒸发器出水温度、冷凝器进水温度、机组制冷量3个已定参数和a1，a2，a33个与热泵性能有关的待定系数。
　　
　　 式中Tcho为蒸发器出水温度；Tcdi为冷凝器进水温度；q为制冷机组制冷量；P为热泵机组功耗。由式可以看出，在蒸发器出水温度Tcho和热泵制冷量q为某一定值时，热泵机组功耗P与冷凝器进水温度Tcdi呈线性关系。
　　2、 水泵能耗模型
　　 水泵的扬程 H 指单位质量流体通过泵所获的有效能量，在单位时间内通过泵的流体所获得的总能量即为泵的有效功率，以符号表示Ne表示。
　　
　　式中 N一水泵的实际功率，kW；Ne一水泵的有效功率，kW；r水的容重，N／m3；G一水泵的流量，m3／s；H一水泵的扬程，m；ƞ泵的全效率。
　　 海水泵流量、扬程的确定，根据微分自适应优化控制策略可确定最优板式换热器出水温度，同时确定与之相对应的板换内海水流速，进而确定海水流量和板换内海水压降、海水扬程。冷却水泵流量、扬程的确定。板式换热器内冷却水流速可根据板式换热器热工参数确定，由此可以确定冷却水流量、板式换热器内冷却水压降、热泵内冷却水压降、冷却水系统阻力损失。冷冻水泵流量、扬程的确定。冷冻水泵流量根据制冷量和冷冻水供回水温差确定，扬程根据工程需要确定。
　　三、传统风冷热泵空调系统能耗计算
　　1、 风冷热泵能耗模型
　　 风冷热泵在运行时，其运行参数受环境温度的影响很大，制冷(热)量、耗功率随环境温度变化的关系如下：
　　
　　
　　
　　2、冷冻水泵流量、扬程的确定
　　 冷冻水泵流量根据制冷量和冷冻水供回水温差确定，扬程根据工程需要确定。
　　
　　四、建筑物全年负荷计算
　　 空调系统全年能耗分析是以建筑物全年负荷计算为基础．建筑物全年负荷计算有2种方法：一是对建筑物热过程的动态模拟，即根据室内设计参数，室外逐时的气象数据，在计算机上做全年或某时间段的逐时模拟，计算出建筑物的能耗；二是各种简化计算方法，如度日法、温频法、当量运行小时法等。与动态模拟
　　相比，后者精度稍差，但比较简单，当建筑物用途及系统恒定时，用这种方法是合理的。
　　1、度日法。度日，是指每日平均温度与规定的标准参考温度(或称温度基准)的离差，因此，某日的度日数，就是该日平均温度与标准参考温度的实际离差。
　　2、温频法(BIN)。所谓的BIN方法，就是假设围护结构负荷(包括日射及温差负荷)可变换成室外气温的线性关系，依此线性关系计算出不同温度下的负荷并乘以该温度段出现的小时数，便得出该温度下的冷、热耗量，将夏季或冬季各温度下的冷、热耗量累计求和便是全年冷或热耗量．用BIN方法计算负荷时，要用到BIN气象参数。所谓BIN气象参数，就是根据某地全年室外干球温度或者随机气象模型生成的逐时值，整理并统计出一定间隔(本文该温度间隔取2℃)的温度段中的温度在全年或者某个时期所出现的小时数，即温度的时间频率表。为了适应不同的需求，可以统计不同时间段(夏季或冬季)及每日不同起始结束时刻的BIN气象参数。
　　 建筑物负荷计算．冬季室外温度的热负荷的计算公式：
　　
　　
　　
　　 夏季室外温度的冷负荷的计算公式：
　　
　　
　　
　　3、负荷比较。比如该工程建筑面积：8199 m2，其中地上4501 m2，地下3698 m2；建筑总高度：17．9 m。冬季：空调热负荷710 kw，室内设计温度20℃，室外设计温度一9℃，供暖期从12月初到次年3月底，约110～130 d。夏季：空调冷负荷800 kW，室内设计温度24℃，室外设计温度29℃．若该建筑冬季以18℃为基准的采暖期度日数HDDl8，夏季以26℃为基准的空调期度日数CDD26可
　　分别应用公式：
　　
　　 根据度日法计算建筑物负荷的公式为：
　　
　　 根据度日法和温频法对建筑物全年负荷的计算结果分析，由于温频法是变工况运行条件下得到的结果，而度日法是定工况条件下得到的计算结果，所以温频法在计算建筑物全年负荷时，相对于度日法具有更高的精度，从表1可看出运用温频法计算出建筑物供冷供热负荷均小于运用度日法所计算得出的结论，由此可见，海水源热泵空调系统的节能效果更加显著．温频法在本工程能耗分析计算中具有更高的精度．根据度日法和温频法对建筑物全年负荷的计算结果见表1。
　　
　　 表1 计算负荷比较 kW・h
　　
　　
　　
　　五、结果分析
　　1、热泵机组性能系数COP值的比较
　　 在制冷工况下，风冷热泵在23～35℃运行，其热泵机组COP值在2．81～3．67，室外空气温度每降低1℃，热泵机组COP值提高1．8％～2．3％；海水源热泵在海水温度19～25℃之间运行，其热泵机组COP值达到3．79～5．04，冷凝器进水温度每降低1℃，热泵机组COP值可提高2％～2．5％.制热工况下，风冷热泵机组COP在2．23～2．9，室外空气温度每提高1℃，热泵机组COP值提高1．7％～4．4％；海水源热泵在海水温度5～11℃之间运行，相对应蒸发器进水温度在1．76～8．15℃．其热泵机组COP值达到3．3～3．96，蒸发器进水温度每提高1℃，热泵机组COP值可提高2．8％～4．5％．由此可见海水源热泵机组COP值远远高于风冷热泵．在负荷相同状况下海水源热泵机组能耗比风冷热泵机组低35％左右。
　　2、系统总能耗的比较
　　 由于海水源热泵比风冷热泵系统多了冷却水泵和海水泵，因此其辅助设备的能耗在系统总能耗中所占的比重要远远高于风冷热泵系统。
　　结语
　　 总之，从模型比较和结果比较上来看，海水源热泵空调系统的能源消耗比较少，节约资源，同时具有良好的室内热舒适性能、低廉的运行费用、较低的噪声和低维护性能等优点。
　　参考文献
　　[1] 张莉，胡松涛．海水作为热泵系统冷热源的研究[J]．建筑热能通风空调，2006(3).34―38．
　　[2] 徐新华，王盛卫．中央空调海水冷却系统自适应优化控制[J]．建筑科学，2007(2)：76―79．
　　[3]刘洋，刘金祥，丁高．水源热泵机组变工况运行的数学模型研究[J]．暖通空调，2007(3)：21―24．
　　
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