水環熱泵與空氣源熱泵節能性對比分析

摘 要

摘要：結合工程實例，對天津地區某辦公建筑分別采用帶有輔助熱源的水環熱泵、空氣源熱泵空調系統進行供冷、供熱的工藝流程進行了比較。分析了負荷率對兩種空調系統功耗的影響，比
摘要：結合工程實例，對天津地區某辦公建筑分別采用帶有輔助熱源的水環熱泵、空氣源熱泵空調系統進行供冷、供熱的工藝流程進行了比較。分析了負荷率對兩種空調系統功耗的影響，比較了兩種空調系統的系統造價及運行費用。負荷率為80%～100%時，水環熱泵空調系統的功耗升高速率較快。水環熱泵空調系統的系統造價及運行費用均低于空氣源熱泵空調系統。
關鍵詞：水環熱泵；空氣源熱泵；系統造價；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、節能、環保既是21世紀世界經濟發展的主題，也是我國經濟長期可持續發展的模式。水環熱泵作為一種節能裝置，在工程中應用價值也越來越高。已有學者對水環熱泵空調系統在京津地區單體建筑中的節能性進行了分析研究，結果表明：水環熱泵空調系統在沒有明顯內外區劃分的單體建筑中也具有節能性[1]。本文結合天津地區某工程實例，對水環熱泵空調系統與空氣源熱泵空調系統的運行能耗、系統造價及運行費用進行對比分析。
1 系統工藝流程及差別分析
   ① 水環熱泵空調系統
水環熱泵空調系統是用水環路將小型水源熱泵(水環熱泵機組)并聯在一起，構成以回收建筑物內部余熱為主要特征的供熱與供冷空調系統。這種系統要求建筑物內部具有可回收的余熱，通過循環水將這些余熱分配到需熱區域，在不需要外界任何能量情況下，不同區域的水環熱泵機組可同時從循環水中取熱與放熱，實現同時供熱與供冷的效果。水環熱泵空調系統工藝流程見圖1。
 

    水環熱泵空調系統中兩個關鍵的部分為循環水系統和水環熱泵機組。循環水系統作為水環熱泵空調系統中各水環熱泵機組的能量載體，流動的不是冷水或熱水，而是常溫的循環水。在供熱時，循環水為水環熱泵機組提供熱源，不足的熱量由輔助加熱設備補充。在供冷時，循環水為水環熱泵機組提供冷源，而多余的熱量則由冷卻塔排出。水環熱泵機組是水-空氣熱泵機組的一種，各機組均能單獨實現供熱和供冷功能，機組直接將循環水作為熱源和熱匯，直接與室內空氣進行熱交換，承擔室內負荷。
   循環水溫度通常維持在15～35℃，循環水的溫度范圍是循環水系統控制的重要依據。當循環水溫度高于設計上限時，冷卻塔開啟，循環水通過冷卻塔散熱。當循環水溫度低于設計下限時，輔助加熱設備投入使用，對循環水進行加熱，由此保證循環水溫度處于設計范圍內，從而保證水環熱泵機組的高效運行。通常，在夏季，水環熱泵空調系統中各水環熱泵機組均按供冷工況運行，向循環水放熱，此時需要開啟冷卻塔散熱。在冬季，系統中大部分水環熱泵機組按供熱工況運行，從循環水吸熱，而一些位于建筑物內區的機組由于房間常年需要供冷而按供冷工況運行，向循環水放熱。當系統中供冷機組的放熱量不足以補充供熱機組的吸熱量時，循環水溫度將下降，當下降到設計下限時，輔助加熱設備開啟。當放熱量大于吸熱量時，循環水溫度將上升，當上升到設計上限時，冷卻塔開啟。在過渡季節，水環熱泵空調系統中供冷機組的放熱量與供熱機組的吸熱量經常處于相當的水平，此時循環水溫度自動維持在設計范圍內，無需開啟冷卻塔或輔助加熱設備。
   ② 空氣源熱泵空調系統
空氣源熱泵空調系統工藝流程見圖2。冬季，空氣源熱泵空調系統通過空氣源熱泵提取室外空氣的熱量，再通過末端風機盤管釋放到建筑物內部房間中。對于采用兩管制風機盤管的空調系統，空氣源熱泵空調系統不能實現不同區域同時供熱與供冷。空氣源熱泵由于采用了空氣循環式散熱方式，因此不需要設置冷卻塔，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，由于蒸發器結霜常導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，需要增設輔助加熱設備(電加熱水箱)以保證空調系統冬季的安全運行。
 

   ③ 差別分析
   相對于傳統供熱空調系統，上述兩種空調系統都具有節能性，但所采用的節能方式不同。空氣源熱泵空調系統是利用熱泵機組將室外空氣中的熱量轉移到室內房間，從而達到節能環保效果。而水環熱泵空調系統則是利用循環水將建筑物內部所產生的余熱進行合理分配，從而達到節能與環保效果的節能技術。這種技術最突出的特點是在不需要任何外加冷熱源的條件下，通過建筑物內部的能量回收與轉移，實現不同區域供熱與供冷，既滿足不同區域房間熱舒適度，又實現了節能與環保的效果。
2 工程概況與空調系統方案
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。天津地區室外氣象參數：夏季空調室外計算干球溫度為33.4℃，夏季空調室外計算濕球溫度為26.9℃，冬季供暖室外計算溫度為-9℃，夏季室內設計溫度為27℃，冬季室內設計溫度為21℃。建筑總冷負荷為105.5kW，總熱負荷為70kW。
2.2 空調系統方案
   ① 方案1
   空氣源熱泵空調系統。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臺風機盤管作為末端設備，總功率為2.72kW。采用電加熱水箱作為空氣源熱泵系統冬季的輔助熱源，補償加熱量按系統熱負荷50%考慮，取35kW。
   ② 方案2
   水環熱泵空調系統。采用23臺SHR系列單元式水環熱泵機組，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熱泵空調系統冬季輔助熱源，補償加熱量按系統熱負荷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據分別見表1、2。
表1 兩種方案夏季運行能耗測試數據
負荷率/%
運行時間/h
機組功率/kW
循環泵功率/kW
冷卻塔功率/kW
風機盤管功率/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據
負荷率/%
運行時間/h
機組功率/kW
循環泵功率/kW
輔助熱源功率/kw
風機盤管功率/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。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系。方案2在負荷率為0.2～0.8范圍內，其相對功耗與負荷率也具有近似線性關系。在負荷率為0.8～1.0范圍內，其相對功耗發生劇烈變化，即負荷率為0.8是方案2相對功耗曲線的拐點。

    夏季，水環熱泵空調系統受負荷率變化的影響要大于空氣源熱泵空調系統，若水環熱泵空調系統長期在負荷率為0.8～1.0范圍內運行則節能不明顯。
    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。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系。方案2的相對功耗在負荷率為0.8～1.0范圍內變化非常劇烈，在負荷率0.2～0.8范圍內二者近似成線性關系。
   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。冬季，若水環熱泵空調系統長期在負荷率0.8～1.0范圍內運行，節能不明顯。這是由于在這一負荷率范圍內，建筑內部可利用熱量很小，需補充大量熱量。
4 經濟性分析
   ① 系統造價
   兩種方案的系統造價見表3。由表3可知，方案2比方案1的安裝費節省60%，單位建筑面積造價節省36.7%。
表3 兩種方案的系統造價
方案
方案1
方案2
設備造價/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，這兩種空調系統是否具備經濟陛關鍵取決于冬季運行工況。方案2的年運行費用比方案1節省30.2%，因此從年運行費用看，水環熱泵空調系統經濟性更高。
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 結論
    ① 水環熱泵空調系統的節能性與長期運行工況的負荷率有著密切關系，特別是在冬季。
    ② 水環熱泵空調系統運行能耗要低于空氣源熱泵空調系統。
    ③ 水環熱泵空調系統相比空氣源熱泵空調系統，無論系統造價還是年運行費用都低，說明前者更具經濟性，有更大工程應用價值。但應注意：這些結論主要由京津地區的氣象參數得出，我國其他地區應具體分析。
參考文獻：
[1] 劉天偉，杜塏.水環熱泵空調系統應用于綜合辦公建筑的節能性研究[J].暖通空調，2010，30(3)：63-67.
 
(本文作者：于齊東 天津城市建設學院 天津 300384)