循環(huán)水對水環(huán)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的影響研究

于齊東

（天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

能源與環(huán)境是當(dāng)前面臨的嚴(yán)重問題，而能量回收技術(shù)［1-3］成為解決這一問題的重要途徑。作為高效節(jié)能裝置，熱泵通過回收與轉(zhuǎn)換技術(shù)將空氣、水以及土壤中的能量運(yùn)用到建筑系統(tǒng)來降低常規(guī)能源消耗，因此對熱泵的理論［4-5］與技術(shù)［6-10］研究已成為工程科學(xué)的前沿。

水環(huán)熱泵［11］是特殊的水源熱泵，它利用由水/空氣熱交換器組成的閉式水環(huán)路回收建筑內(nèi)部余熱并進(jìn)行冷、熱量轉(zhuǎn)移與分配來滿足冷、熱需求。作為能量載體，循環(huán)水同時向建筑提供熱量與冷量，依據(jù)文獻(xiàn)[12]，循環(huán)水溫度應(yīng)維持在16～32 ℃。冬季當(dāng)水溫低于下限值時應(yīng)開啟輔助熱源加熱循環(huán)水；同理，當(dāng)水溫達(dá)到上限值時使用冷卻塔冷卻循環(huán)水。水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of WLHPs

基于此，應(yīng)重點(diǎn)研究系統(tǒng)的節(jié)能率與應(yīng)用條件。依據(jù)能量守恒原理，馬最良等［13］提出一次能源靜態(tài)分析法討論系統(tǒng)運(yùn)行，但該方法忽略了負(fù)荷性質(zhì)轉(zhuǎn)變對運(yùn)行的影響，同時，在實(shí)際應(yīng)用中，該方法的評價指標(biāo)也難以確定。為了解決上述問題，基于循環(huán)水的能量載體作用，文獻(xiàn)[14-19]中提出能級理論來確定機(jī)組因工況轉(zhuǎn)換對水環(huán)路形成的反向能，并給出了輔助熱源的選取原則。同時，文獻(xiàn)[20-21]中使用循環(huán)水能級分析法確定系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能范圍。針對應(yīng)用條件，Lian等［22］基于幾種典型氣候區(qū)與建筑模型研究確定了該系統(tǒng)在我國的應(yīng)用范圍。另外，結(jié)合工程實(shí)例Chen等［23］報道了系統(tǒng)在住宅建筑的應(yīng)用并對運(yùn)行進(jìn)行了綜合評價。此外，Yuan等［24］分析了循環(huán)水溫度對系統(tǒng)部件的影響，并提出了實(shí)際運(yùn)行策略。于齊東［25］報道了負(fù)荷率對熱泵運(yùn)行的重要作用，并指出它將成為研究水環(huán)熱泵系統(tǒng)能耗的重要線索。目前，在對水環(huán)熱泵系統(tǒng)研究過程中還需解決以下問題：①當(dāng)系統(tǒng)處于冷、熱同供時，如何解決機(jī)組因工況轉(zhuǎn)換形成的反向能差；②運(yùn)行受多因素影響，如何確定其主導(dǎo)因子與變化規(guī)律；③明確輔助熱源對運(yùn)行的影響并以此拓展系統(tǒng)應(yīng)用建筑模型。

基于此，以循環(huán)水為研究對象，利用建立的能量方程確定系統(tǒng)能耗變化規(guī)律與影響因素，同時，以天津某辦公建筑為案例進(jìn)行驗(yàn)證以拓展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1 循環(huán)水能量變化的理論分析

1.1 負(fù)荷率的影響

依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行原理，循環(huán)水溫度會對機(jī)組性能系數(shù)（COP）產(chǎn)生顯著影響。制冷時，機(jī)組向水環(huán)路放熱，放熱量QF為

式中：Qc為建筑冷負(fù)荷，kW；ε為熱泵制冷系數(shù)。

因循環(huán)水溫度升高，此過程為循環(huán)水蓄能。

制熱時，機(jī)組從循環(huán)水中吸熱，吸熱量Qx為

式中：Qh為建筑熱負(fù)荷，kW；μ為熱泵制熱系數(shù)。

因循環(huán)水溫度降低，此過程為循環(huán)水放能。

當(dāng)負(fù)荷率變化時，一方面，受循環(huán)水溫度影響，熱泵機(jī)組COP會發(fā)生變化，并影響系統(tǒng)運(yùn)行能耗；另一方面，系統(tǒng)內(nèi)部吸熱與放熱機(jī)組數(shù)量也會發(fā)生變化。由于吸熱與放熱機(jī)組對循環(huán)水產(chǎn)生的能量作用完全相反，這將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗會在負(fù)荷率升高到一定范圍時出現(xiàn)快速上升趨勢，并明顯偏離原先的運(yùn)行規(guī)律。因此，循環(huán)水所處的能量狀態(tài)與負(fù)荷率變化幅度是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。

建筑負(fù)荷率變化會造成循環(huán)水蓄能量與放能量不斷改變，進(jìn)而通過循環(huán)水溫度影響機(jī)組運(yùn)行。因此，負(fù)荷率是影響循環(huán)水溫度的關(guān)鍵因素，也是循環(huán)水蓄能與放能的轉(zhuǎn)換條件。即在不同負(fù)荷率下，循環(huán)水會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換能差，此處是指在部分負(fù)荷下運(yùn)行時，循環(huán)水蓄能與放能的轉(zhuǎn)換量值，此能量值會影響機(jī)組運(yùn)行效率與輔助能源消耗。

1.2 能量方程

夏季建筑設(shè)計冷負(fù)荷為Qc時，因熱泵機(jī)組向循環(huán)水放熱，導(dǎo)致水環(huán)路最大功率變化，即

式中，qc為設(shè)計冷負(fù)荷時循環(huán)水對應(yīng)的能量，kW。

基于熱泵系統(tǒng)長期處于部分負(fù)荷運(yùn)行的實(shí)際情況，負(fù)荷率變化會使部分機(jī)組由制冷變?yōu)橹茻幔诉^程引起的能量變化為

式中：Δ qc為制冷工況下循環(huán)水的變化能，kW；η為部分負(fù)荷率，%。

本文采用從循環(huán)水到建筑負(fù)荷的逆推方法，循環(huán)水能量變化會使部分熱負(fù)荷變?yōu)榈攘坷湄?fù)荷。依據(jù)冷負(fù)荷變化與循環(huán)水蓄能關(guān)系有

式中，ΔQh為熱負(fù)荷變化，kW。

因熱負(fù)荷的存在又會使循環(huán)水處于放能狀態(tài)，熱泵機(jī)組對水環(huán)路產(chǎn)生的反向能為

注意：在轉(zhuǎn)換過程中，制冷運(yùn)行機(jī)組還將向循環(huán)水放熱，其放熱量為ηqc。

依據(jù)反向能的屬性與守恒原理，循環(huán)水制冷工況下的能量方程為

同理，制熱時由于部分機(jī)組功能的轉(zhuǎn)變，水環(huán)路也將變?yōu)樾钅軤顟B(tài)，循環(huán)水能量變化為， 熱負(fù)荷轉(zhuǎn)變?yōu)榈攘坷湄?fù)荷，即

式中，Δqh為制熱工況下循環(huán)水的變化能，kW。

1.3 無因次能耗指數(shù)

式（8）、（11）表明，負(fù)荷率是影響循環(huán)水能量變化的關(guān)鍵因素。為了確定兩者的函數(shù)關(guān)系，本文提出無因次能耗指數(shù)作為循環(huán)水能量變化的評價指標(biāo)，其定義為：部分負(fù)荷率下循環(huán)水能量變化與此工況循環(huán)水總能量比值。它在不同工況下的定義不同。

制冷工況

式中，Ic、Ih分別為制冷與制熱工況下無因次能耗指數(shù)。

對無因次能耗指數(shù)進(jìn)行處理。

式中，A、B均為與機(jī)組有關(guān)的性能系數(shù)，且A＜B。

此處無因次能耗指數(shù)為負(fù)荷率的單值函數(shù)，其對負(fù)荷率的導(dǎo)數(shù)為

由方程可得以下兩點(diǎn)結(jié)論：①循環(huán)水無因次能耗指數(shù)與部分負(fù)荷率具有一定的線性關(guān)系，但受熱泵性能系數(shù)影響，因此，系統(tǒng)運(yùn)行會存在變化拐點(diǎn)，這反映了運(yùn)行由節(jié)能區(qū)過渡到高能耗區(qū)的變化過程；②由于，因此，熱泵系統(tǒng)在制熱工況運(yùn)行時負(fù)荷率對循環(huán)水能量變化的影響大于制冷工況運(yùn)行時。基于此，只要知道系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，就可以利用建立的循環(huán)水能量方程確定夏、冬兩季水環(huán)熱泵運(yùn)行需要的供給能，這為評估運(yùn)行的節(jié)能性提供了新的理論依據(jù)。

2 測試與討論

2.1 項目概述

測試項目為天津某節(jié)能示范建筑，其面積約1 000 m2，夏、冬兩季室內(nèi)設(shè)計溫度分別為27、21 ℃，建筑冷、熱負(fù)荷分別為105.5、70 kW。該建筑采用23臺SHR系列單元式水環(huán)熱泵機(jī)組，總制冷量、制熱量分別為105.5、120.8 kW，輸入功率分別為23.5、25.2 kW，冬季采用電加熱水箱作為輔助熱源，其容量為35 kW。

2.2 測試方案

根據(jù)建筑用途與特點(diǎn)，采用全年運(yùn)行時間部分負(fù)荷率測試方法。根據(jù)室外環(huán)境溫度與負(fù)荷不同將空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行時間劃分為5個用能負(fù)荷段，分別為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，并選取每段中典型的部分負(fù)荷率（20%、40%、60%、80%、100%）作為測試工況點(diǎn)，對熱泵系統(tǒng)夏、冬兩季運(yùn)行能耗進(jìn)行測試，其能耗測試數(shù)據(jù)如表1所示。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率為70%，在空調(diào)主設(shè)備耗電量計算中已考慮壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

表1 夏、冬季能耗測試數(shù)據(jù)Tab. 1 Test data of energy consumption in summer and in winter

2.3 結(jié)果與討論

測試數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行工況對熱泵系統(tǒng)能耗影響顯著，為此，本文提出循環(huán)水動態(tài)能量分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該方法提出的依據(jù)是：由于循環(huán)水是系統(tǒng)運(yùn)行的能量載體，其溫度無論對熱泵機(jī)組運(yùn)行效率還是對輔助熱源的能耗都具有顯著的影響；而建筑負(fù)荷產(chǎn)生的變化效應(yīng)又會通過機(jī)組吸放熱方式來改變循環(huán)水溫度，應(yīng)注意此過程無中間傳遞環(huán)節(jié)與能耗損失，因此，建筑負(fù)荷、循環(huán)水能量與系統(tǒng)能耗之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。此處循環(huán)水能量變化源于熱泵機(jī)組對水環(huán)路的吸、放熱，其值由循環(huán)水溫度決定，并隨系統(tǒng)運(yùn)行處于動態(tài)，因此，它反映了機(jī)組吸、放熱對水環(huán)路的影響，同時也決定了運(yùn)行能耗的變化規(guī)律。基于此，以設(shè)計工況下循環(huán)水能量變化與系統(tǒng)能耗作為研究基準(zhǔn)，利用能量變化幅度（等級）概念描述運(yùn)行過程，即

式中：E為循環(huán)水能量變化等級；Δemax為設(shè)計工況下循環(huán)水能量變化，kW·h；Δe為部分負(fù)荷下循環(huán)水能量變化，kW·h；W為相對能耗；Ebf為部分負(fù)荷下系統(tǒng)能耗，kW·h；Esj為設(shè)計工況下系統(tǒng)能耗，kW·h。

基于實(shí)驗(yàn)方案與測試值，將循環(huán)水能量變化劃分為1～5檔能量級，并選擇測試負(fù)荷段中典型負(fù)荷率下系統(tǒng)能耗作為此工況段對應(yīng)的循環(huán)水能量變化，即E= 5（η= 100% 時系統(tǒng)能耗）、E=4（η= 80% 時系統(tǒng)能耗）、E= 3（η= 60% 時系統(tǒng)能耗）、E= 2（η= 40% 時系統(tǒng)能耗）、E= 1（η=20%時系統(tǒng)能耗）。

使用上述方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到夏、冬兩季機(jī)組與系統(tǒng)相對能耗變化如圖2所示。

圖2（a）中顯示：夏季機(jī)組與系統(tǒng)相對能耗在E= 1～4服從線性規(guī)律，E= 4 是曲線的拐點(diǎn)；機(jī)組相對能耗斜率大于系統(tǒng)相對能耗，這種現(xiàn)象在畸變工況段會更明顯。這是因?yàn)檠h(huán)水是系統(tǒng)能量載體，負(fù)荷率的改變通過循環(huán)水直接作用于熱泵機(jī)組并影響其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。而影響系統(tǒng)相對能耗的因素較多，負(fù)荷率只是其中一個重要因子，因此，系統(tǒng)相對能耗變化不如機(jī)組相對能耗變化明顯。

圖2 夏、冬季機(jī)組與系統(tǒng)無相對能耗Fig. 2 Dimensionless energy consumption of the unit and system in summer and in winter

由圖2（b）中可以看出：冬季系統(tǒng)相對能耗變化具有近似線性特征，而機(jī)組相對能耗變化在E= 4處發(fā)生畸變，呈現(xiàn)非線性特征。這是因?yàn)槎具\(yùn)行時，系統(tǒng)內(nèi)部必須添加輔助熱源，且其能耗是重要的影響因子。值得注意的是，輔助熱源的使用可降低負(fù)荷率對機(jī)組運(yùn)行的影響，但也會增加系統(tǒng)額外能耗。因此，在負(fù)荷率與輔助熱源雙因子影響下系統(tǒng)相對能耗出現(xiàn)近似線性變化特征。建筑負(fù)荷通過改變循環(huán)水溫度影響熱泵機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，因此，機(jī)組運(yùn)行能耗會也在某一負(fù)荷段產(chǎn)生畸變。

圖3 夏、冬兩季機(jī)組與熱泵相對能耗Fig. 3 Dimensionless energy consumption of the unit and heat pump system in summer and in winter

為了進(jìn)一步分析輔助熱源對機(jī)組的影響，圖3給出了夏、冬兩季機(jī)組和熱泵相對能耗。圖 3（a）中顯示：機(jī)組相對能耗在E= 1～4 范圍內(nèi)具有線性變化特征，但夏季曲線斜率會更大；值得注意的是，機(jī)組相對能耗會在E= 4時出現(xiàn)拐點(diǎn)，且畸變工況段在冬季對機(jī)組的影響更明顯。冬季系統(tǒng)添加輔助熱源，這將明顯提示循環(huán)水溫度使機(jī)組在E= 1～4具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，因此，冬季機(jī)組相對能耗變化小于夏季。但冬季機(jī)組在設(shè)計工況范圍內(nèi)運(yùn)行時，由于系統(tǒng)內(nèi)部可回收的熱量較少，導(dǎo)致輔助熱源即使?jié)M負(fù)荷運(yùn)行也很難保證機(jī)組高效運(yùn)行，因此，機(jī)組相對能耗在E= 4～5時會發(fā)生劇烈震蕩并顯著上升。若選更大容量的輔助熱源，在E= 4～5時機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效率得到保證。

圖3（b）中顯示：冬季熱泵相對能耗曲線斜率在E= 1～4時要大于夏季，但在畸變工況段恰好相反。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是系統(tǒng)相對能耗受多種因素的影響，這種情況在冬季會更明顯。系統(tǒng)冬季運(yùn)行時，其相對能耗受負(fù)荷率與輔助熱源雙重影響。本試驗(yàn)選取輔助熱源容量偏小，這一方面會降低畸變工況段的系統(tǒng)能耗；另一方面，由于循環(huán)水溫度偏低，會導(dǎo)致熱泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效率下降，從而增加系統(tǒng)能耗。綜合分析結(jié)果表明：此工況段與其他工況段能耗變化并不明顯。夏季系統(tǒng)能耗主要受負(fù)荷率影響，因此，在畸變工況段運(yùn)行，系統(tǒng)能耗會出現(xiàn)明顯的變化。

基于工程測試與能耗分析可歸納出以下結(jié)論：①負(fù)荷率無論冬季還是夏季對機(jī)組的影響要比系統(tǒng)顯著，特別是在畸變工況段。②冬季負(fù)荷率在畸變工況段對機(jī)組能耗的影響要大于夏季，而其他工況段正好相反。③冬季系統(tǒng)能耗受輔助熱源與負(fù)荷率的雙因子影響，因此，在畸變工況段能耗變化沒有夏季變化顯著。

3 結(jié) 論

基于循環(huán)水能量載體作用，本文采用負(fù)荷率方法建立了循環(huán)水能量方程，并利用定義的無因次能耗發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水能量變化與負(fù)荷率具有線性關(guān)系，并分析了影響運(yùn)行變化的關(guān)鍵因素。以天津某辦公建筑為案例進(jìn)行測試，得到如下結(jié)論：①機(jī)組能耗受負(fù)荷率的影響比系統(tǒng)明顯，這種現(xiàn)象在冬季畸變工況段更顯著；②冬季系統(tǒng)運(yùn)行會受輔助熱源與負(fù)荷率共同影響，因此，輔助熱源與熱泵機(jī)組之間的能量平衡將成為提升系統(tǒng)整體能效的關(guān)鍵。