水环热泵空调系统运行能耗的参数评价法

0 引言

　　水环热泵空调系统是回收建筑物内余热的系统，它的节能效果和环保效益是与气象条件、建筑特点及辅助热源形式（电锅炉、燃煤锅炉等）等因素有关的。而我国地域辽阔，各地区气象条件差异很大，各地实际建筑形式与特点也各不相同。那么，在什么样的场合选用水环热泵空调系统才能收到最佳的效果和环保效益，这个问题始终是我们工程设计中先要明确的问题。
　　文献[1]、[2]曾分析过这个问题，提出系统运行能耗的静态分析法和计算机动态分析法。本文在此基础上，以系统能耗动态模拟结果为依据，归纳总结出建筑特点（建筑物特征参数）和水环热泵空调系统能耗（能耗评价参数）间的内在关系，从而提出一种能耗评价方法，称为参数评价法。
　　
1 建筑物特征参数
　　
　　所谓的建筑物特征参数是指用来描述建筑物内外区面积、建筑物内部负荷、新风负荷等特征的参数。本文提出

　　1．1 建筑物负荷特性参数r
　　参数r定义为：
　　对于新风单独处理的水环热泵空调系统：
　　 　　　　　　　　（1）
　　对于水-水热泵处理新风的水环热泵空调系统：
　　 　　　　　　　（2）
　　式中　r----建筑负荷特性参数，W/m²；
　　　A_i----建筑内区面积，m²；
　　　A_p----建筑外区面积，m²；
　　　L----建筑新风量，m³/h；
　　 　　----建筑内部负荷，W/ m²；
　　　ξ----折算系数，（m²·h）/ m³新风负荷以ξ折算为与之相当的周边区面积，
　　　　 经试算，其值为0.2～0.27，通常取为0.24。
　　由此可见，建筑负荷特性参数r的物理概念为建筑物外区单位面积所分摊的建筑内部热量。R越大，表明建筑物内的余热越多。

　　1．2 建筑负荷密度y
　　参数定义为：
　　 　　　　　　　 （3）
　　式中　----建筑负荷密度，W/ m²；
　　　A----总面积，m²；
　　 ----建筑周围边地区当量负荷W/ m²，其值见表1。
区当量负荷W/ m²，其值见表1。

　　1.3 参数r_a
　　r_a的定义为 　　　　 　　　 （4）
　　式中各符号同式(1)。
　　参数r_a体现了建筑中新风负荷占总负荷的比例。
　　
2 水环热泵空调系统的能耗评价的比例

　　所谓的水环热泵空调系统的能耗评价参数是指用来描述水环热泵空调系统运行能耗的主要信息。通过几个参数就可对水环热泵空调系统的能耗情况作出恰当的评价。

　　2.1 水环热泵空调系统的能耗评价公式
　　文献^[2]中给出

　　E₁=N₁/η_n+ B₁/η_h1
　　E₂=N₂/η_n+ B₂/η_h3 　　　　 　　　　　 （5）

　　式中：E₁、E₂----分为常规空调系统（风机盘管加新风）、水环热泵空调系统一次能源的能耗，kWh；
　　　N₁、N₂----分别为常规空调系统、水环热泵空调系统的电耗，kWh；
　　　B₁、B₂----分别为常规空调系统、水环热泵空调系统的热耗，kWh；
　　　η_n----电能总效率，%
　　　η_h1、η_h3----分别为常规空调系统、水环热泵空调系统用热的总效率供（kW 从热量/kW一次能源），%
　　令E₁=E₂，可得
　　 　　　 　　　　 　　　（6）
　　记k= B₂/B₁，b=( N₂-N₁)/ B₁， η_nh1=η_n/η_h1， η_nh3=η_n/η_h3。

　　式中，η_nh为电热效率比，则式（6）可写为：

　　　η_nh1=kη_nh3+b　　　　　　　　　　　 （6a）

　　称式（6a）为水环热泵空调系统能耗评价公式。由此可见，当η_nh1&>kη_nh3+b时，则E₁&>E₂，水环热泵空调系统能耗比常规空调系统少；反之，水环热泵空调系统能耗多。
　　由式（6a）可见，η_nh1与η_nh3呈线性关系，如图1所示，则线上方区域的水环热泵空调系统节能区，线下方为非节能区。当常规空调系统热电效率比η_nh1＜b时，水环热泵空调系统无论采用何种辅助热源方式，都是不能的。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图1 水环热泵空调系统能耗评价区

　　 b是直线的截矩，k是斜率，我们可以把k和b视为二个能耗评价参数。除此之外，还提出了第三个参数c。
　 　当两种空调系统采用相同的热源形式时，η_h1=η_h3，即η_nh1=η_nh3，则由式（6）可得：
　　　 　　　　 　　　（7）
　　 　　　令c=(N₂-N₁)/(B₁-B₂) 　　　　　 　　　　（7a）

　　(c，c)为能耗评价线上的一个特征点（见图1），c点表明两种空调系统采用相同热源形式时，电耗差值与热耗差值之比。
　　参数c的意义为：当水环热泵空调系统辅助热源形式与常规空调系统相同时（η_h1=η_h1=η_h），若其电热效率比η_nh&>c，则有Ｅ₂＜Ｅ₁，反之，当η_nh＜c，则有E₂＞E₁。
　　由式 (6a)易得：

　　　　b=c·(1-k) 　　　　　　　　　　　（8）

　　但应注意，影响电耗差值大小的因素主要是：一是运行工况不同，引起两种空调系统电耗不同，二是水泵的控制方式不
同，使两种空调系统电耗差异很大。为此，将c值作如下处理：
　　
　　式中　P₁、P₂--分别常规空调系统和水环热泵空调系统中水泵的电耗，kWh。
　　 　　　　　　 （9）
　　 　　　　　　（10）

　　2.2 空调系统电热能耗比
　　为了能对两种空调系统得出能耗相差多少，而提出第4个评价参数e_b。由式（5）、（6a）可得出两系统能耗比为：
　　 　　　（11）
　　记e_b=N₁/B， η₀=η_nh3+b，则
　　 　　　　　　　　　　（11a）
　　式中：η₀----与水环热泵系统能耗相同时，常规空调系统应有的电热效率比；
　　　e_b----常规空调系统电、热能耗之比：
　　其余符号同前。
　　通过上述分析，欲对水环热泵空调系统作出能耗评价，可通过四个评价参数k，b，c(或c′)，e_b作出评价。因此，如何求得四个评价参数是解决问题的关键。

　初始条件

地点
北京

S(m²)
2800

S_p(m²)
1072

S_I(m²)　
1728

a(m³/h)　
8400

Ld_i(/Wm²)　
40

　建筑负荷特性参数

64.53　

40　

　0.653

　中间参数（查图得出）

c′

k_r

　P_r

k_L

1/2.5

0.02

1.25　

0.6

　能耗评价参数

c=c′×P_r

K= k_r + k_L

b=c×（1-k）　

e_b

0.5

0.62

0.19　

见下表

　初始条件

地点北京

S(m²)　
2800

S_p(m²)　
1072

S_i(m²)
1728

a(m³/h)　
8400

Ld_i(W/m²)
40

　建筑负荷特性参数

　　22.39

　　40

　中间参数（查图得出）

c′

k

e_b

P_r　　

1/3.1

0.21

0.4

1.16　　

　能耗评价参数

c=c′×P_r

k

b=c×（1-k）

e_b

0.374

0.21

0.292

0.4

　方案编号

　1

　2

　3

　4

　5

　6

　方案　

基准方案：1
η_nh =1 e_b=0.4 运行能耗：1.0

η_nh =1

k

b

η₀=kη_nh3+b

相对能耗

　2

/

/

/

0.386

0.56

　3

1

0.62

0.19

0.81

0.864

　4

0.386

0.62

0.19

0.429

0.592

　5

1

0.21

0.292

0.502

0.644

　6

0.386

0.21

0.292

0.373

0.552