風冷式螺桿熱泵冷熱源在辦公建筑中的能耗分析

夏志++顧平道

摘要：指出了冷熱源是空調系統中最重要的組成部分，冷熱源的設計與選型是否合理，直接影響到空調系統的運行經濟性和使用效果，風冷式冷熱水機組是以空氣作為冷（熱）源，以水作為傳熱介質的中央空調機組。選用風冷式螺桿熱泵作為冷熱源對建筑大樓的空調系統設計，進行能耗模擬，與原VRV空調系統進行了對比，發現能耗上升，對其能耗進行了分析，提出了冷熱源選型的策略。

關鍵詞：能耗模擬；VRV系統；冷熱源選型

中圖分類號：TU111.4

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16013404

1引言

建筑能耗指在建造和使用建筑物過程中所消耗的能量總和。建筑能耗在社會總能耗中占有很大的比例，隨著建筑業的快速發展、建筑功能要求的不提高，以及近年來我國城鎮化進程的快速推進，建筑能耗的占比例越來越大[1] 。而在建筑能耗中，空調能耗又占主要比例。因此，對空調系統進行節能研究，具有重要的社會意義。

研究對象是上海市某辦公建筑的空調系統，通過eQUEST軟件對該建筑的原VRV 空調系統的能耗水平進行分析和研究，以螺桿式風冷熱泵為冷熱源研究對象，在其他參數不改變的條件下，進行空調系統設計，建立以螺桿式風冷熱泵為冷熱源的對比模型，與原空調模型進行對比，分析兩種模型的能耗水平，并提出空調系統冷熱源選擇的建議。

2工程概況及模型建立

上海市某綜合辦公樓為甲類建筑，高49.9 m，建筑面積約13567.21 m2。計算得出，該大樓冬季、夏季的冷熱負荷需求分別為1249 kW、920 kW。采用的空調形式為VRV智能化中央空調系統，主樓4～12層室外機設于主樓屋頂，通過管道接至室內機，空調氣液管均設于管井。除大會議室采用四面出風型卡式風盤，其余均采用天花板嵌入導管內藏式，室內機標配冷凝水提升泵。

2.1物性參數的設定

外墻圍護結構綜合傳熱系數0.72 W/（m2·k），屋頂圍護結構綜合傳熱系數0.46 W/（m2·k）。

窗戶為斷橋鋁合金低輻射中空玻璃窗（6+12A+6遮陽型），傳熱系數為2.20 W/（m2·k），綜合遮陽系數Sw為0.35，氣密性為6級，可見光透射比為0.61。該大樓東、南、西、北各方的窗墻比分別為31.5%、10.4%、31.5%、10.4%。

2.2室內溫度、新風量及熱擾

辦公大樓的熱擾主要是人員、照明和設備三大類，人員密度、照明密度和設備功率密度以及新風量和室內溫度設定見表1，人員逐時在室率見圖1。

2.3空調系統模型模擬

該大樓選用的是多聯機智能化中央空調系統，23臺室外機，該空調系統的制冷、制熱量分別為1299 kW、1462 kW（標況）。

夏季，空調冷負荷從7：00開始迅速上升，8：00時刻達到最大，峰值為1201.16 kW，見圖2。冬季，空調系統的最大熱負荷也在8：00時刻出現，為870.43 kW，主要是圍護結構有蓄熱功能，而模擬計算的結果是不計代價的，見圖3（注：該辦公樓有臥室功能區，故夜間也有冷/熱負荷）。

2.4建筑物能耗構成

辦公建筑的能耗一般包括空調能耗、照明能耗、辦公設備能耗以及電梯設備能耗。大樓各能耗占比情況見圖4。

3風冷熱泵系統能耗模擬及差異分析

3.1螺桿式風冷熱泵空調系統的設計

針對前述的建筑物以及冷熱負荷情況，新建模空調型，以螺桿式風冷熱泵為冷熱源，末端為風機盤管FCU。風冷式冷水機組采用空氣冷卻方式，省去了冷卻水系統所必不可少的冷卻塔、冷卻水泵和管道系統，避免水質過差地區造成冷凝器結垢、水管堵塞，還節約了水資源，是冷水空調設備產品中，維修保養最經濟、簡單的機種。因此在商場、醫院、賓館、工廠、辦公大樓等不同類型的建筑中得到了廣泛應用。

夏志，等：風冷式螺桿熱泵冷熱源在辦公建筑中的能耗分析

能源與節能

螺桿式風冷熱泵機組的具體參數見表2。

為了簡化模擬計算，只選用一種型號為FP-136的風機盤管，共171臺，具體參數見表3。 在新風機方面，根據大樓41000 m3/h的總新風量設計要求，選擇某廠家CLCP-014型號的組合式空氣處理機組，共3臺，單臺風量為14000 m3/h，功率為12 kW。此外，選用某廠家生產的BYQDL150-30-2型號變頻水泵2臺，功率為30 kW，流量為140 m3/h，揚程為49 m，轉速為2950 r/min，夏季用作冷凍水泵，冬季用作熱水泵。

3.2與VRV空調系統能耗的比較

熱泵+FCU模型的建筑物總能耗模擬結果如圖5、表4所示。

通過計算可知，熱泵+FCU空調系統總能耗884.1 MW·h，單位面積空調能耗為65.16 kW/m2。VRV空調系統總能耗550.6 MW·h，單位面積能耗為40.58 kW/m2。熱泵+FCU模式下，空調能耗上升37.73%。

4模擬結果分析

針對所建立的建筑模型，根據空調系統運行時間，對全年供冷季節冷負荷率（小于30 kW的忽略）、分布時間進行了統計，結果如圖6所示。

由圖6可以看出，全年滿負荷供冷的時間特別少，約23 h。為便于比較分析，按冷負荷率的大小，把空調系統的運行分布分為低、中、高負荷三個檔次：低負荷運行（冷負荷率10%～20%）；中負荷運行（冷負荷率30%～70%）；高負荷運行（冷負荷率80%～100%）；三個檔次運行所占總供冷時間的比例如圖7所示。

在供冷季節，設備有43.63%的時間處于低負荷運行狀態，40.13%的時間在中負荷下運行，僅有16.24%的時間在高負荷下運行。而冷水機組只有在高負荷運行的情況下才能高效運行[2]。endprint

除VRV系統之外的中央空調系統，從制冷機出來的冷量，必須經過二次冷媒-水，才能傳遞到空調區域的空氣中，實現制冷降溫。具體地講，VRV系統首先需要用水泵把冷源蒸發器中的冷水送至空調機組的冷水盤管中，然后由中央風機把空調機組換熱產生的冷空氣，經過大型的風管網絡，送至各末端熱區域，從而得以與區域的回風摻混，實現空調制冷的目的[3]；對于 FCU 系統，則需要用水泵把冷源蒸發器中的冷水經過水管網絡帶到末端風機盤管，兩種系統都存在著二次換熱過程及冷凍水的傳輸能耗。由于總的換熱效率降低，不可避免地產生冷損失，致使能耗增加。對于水冷式制冷機，還需要冷卻塔和冷卻水泵，增加了換熱環節，使冷凝換熱效率降低，雖然其主機 COP 較采用風冷方式的制冷機為高，卻帶來了冷卻水的傳輸能耗。VRV作為一種直接膨脹式空調系統，省卻了上述的換熱環節，避免了二次冷媒的動力傳遞損失，提高了能源利用效率[4]。

以螺桿式風冷熱泵為冷熱源對研究對象進行空調系統設計，在不改變其他參數的情況下，建立以螺桿式風冷熱泵為冷熱源的對比模型，與參照建筑進行對比，發現對比模型空調能耗較之原始模型上升37.73%，說明VRV空調系統在節能方面具有很大的潛力，并且對VRV系統的節能原因進行分析，主要是因為空調系統全年運行時，有絕大部分的時間是處在低負荷運行

狀態，而冷水機組在低負荷運行時性能表現差，與之相反，VRV機組在部分負荷時表現突出，在40%負荷時，機組的COP值達到最高（圖8）。

5冷熱源選型策略

綜合分析比較，對建筑物空調系統冷熱源的選型建議如下。

（1）在空調系統冷熱源選型時，要考慮空調的同時使用系數。

（2）對于綜合性建筑物內空調用戶比較分散，且各用戶空調開關使用時間不盡相同，并且要兼顧節假日和晚上個別功能區加班等特殊情況下的空調使用時，選用VRV空調系統。

參考文獻：

[1]

戎衛國. 建筑節能原理與技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

[2]王洪利，馬一太，姜云濤，等. 多聯機VRV系統研究[C]∥中國制冷學會.中國制冷學會2007學術年會論文集.杭州：中國制冷學會，2007：5.

[3]周宴平. 變頻多聯空調系統的能耗分析和實驗研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]周宴平. EnergyPlus中變頻多聯空調的模塊開發和能耗仿真分析[J]. 系統仿真學報， 2007， 19（20）：4811.endprint