基于能级理论的水环热泵系统节能性分析
常茹，于齐东，朱能
(天津大学 环境科学与工程学院，天津，300072)
摘要：为研究水环热泵系统节能性，提出能级理念。基于此研究理念，采用系统内部循环水作为研究对象，以负荷率作为研究切入点，提出“能级差分析方法”作为系统运行工况节能性分析方法并以能级差数ψ作为节能性新的评价指标。选取天津地区单体办公建筑作为试验对象，对传统空调系统与水环热泵系统进行夏季20%，40%，60%，80%和100% 5档能耗测试，基于对非标工况研究意义的考虑，提出“部分负荷率无因次分析方法”对试验数据进行分析处理。结果表明：能级差数是负荷率的单值函数；系统仅在满负荷工况段相比传统空调系统不具有节能性。随负荷率的变化，水环热泵系统能耗呈现非线性变化规律，能耗曲线畸变工况点出现在80%~100%负荷段。
关键词：水环热泵；循环水；负荷率；能级差分析方法；能级差数；部分负荷率无因次分析方法
中图分类号：TU83 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)03-0847-08
Energy-saving analysis for water-loop heat pump system based on energy gap theory
CHANG Ru, YU Qidong, ZHU Neng
(School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
Abstract: In order to study energy-saving of water-loop heat pump system, circulating water was taken as research object and the energy gap method was put forward as energy-saving analysis method by part-load ratio based on energy gap idea. At the same time, the energy gap number (ψ) was defined as a new energy-saving evaluation index. The single office buildings in Tianjin were tested by load of 20%, 40%, 60%, 80% and 100% in summer. Considering the significance of energy consumption under nonstandard conditions, the data were analyzed by dimensionless method under part-load ratio. The results show that ψ is a single function on part-load ratio and water-loop heat pump system is not energy-saving in full range of load compared with traditional air-conditioning. And the energy consumption law has a nonlinear relationship with part-load ratio changing and a distortion operating point is in 80%-100% of load.
Key words: water-loop heat pump; circulating water; part-load ratio; energy gap method; energy gap number; dimensionless method under part-load ratio
热泵空调系统作为一种开发和强化高质能源利用率的重要手段与获得可再生能源及维护生态平衡的有效途径，已被广泛应用于世界范围并成为解决能源与环境问题的重要技术手段[1-4]。但伴随着建筑类型的多样化与节能方式的复杂化，传统热泵空调技术已难以满足当前的需要。针对新世纪“节能减排”问题，解决问题的核心在于建立新的节能理念。进入21世纪后，随着热工理论的发展，以回收建筑自身能量与高舒适度为特征的水环热泵空调系统在我国得到了广泛的应用。究其原因：水环热泵不但是一种节能装置，更是一种节能理念。它改变了传统热泵空调系统用能的模式，通过回收与分配系统内部的能量，真正实现了建筑可持续发展的目标。正是由于上述原因，对水环热泵空调系统的理论与应用研究，在我国当前“节能减排”的大背景下，更显其意义重大。目前不少学者对水环热泵应用地域，建筑类型，相比其他热泵空调经济性，辅助热源容量的选取以及气象条件等进行了较深入的应用研究[5-13]，但对系统节能性理论分析与适用建筑模型的研究一直是此热泵空调系统在我国推广应用所面临的瓶颈问题。目前一次能源静态分析方法[14]是研究水环热泵空调系统节能运行工况区的主要理论分析方法。此分析方法是以传统中央空调系统作为对比空调系统，以系统一次能源消耗量作为对比基础，通过引入热负荷数K与无因次能耗数E，建立无因次能耗方程对系统运行工况点的节能性进行分析，按此分析方法得出的K∈[0.09，0.724]节能区也具有合理性。但这种分析方法是以建筑负荷作为系统节能性研究的基础，因此其评价指标热负荷数K与建筑负荷之间存在高度的关联性。这种关联性使得系统运行工况点的热负荷数K难以确定，影响了热泵系统节能性的理论分析。
1 能级理念
1.1 提出依据
系统循环水作为建筑余热回收与分配的媒质，制冷时机组向循环水放热量为
，此过程循环水温度会上升为循环水蓄能；制热时机组从循环水中取热量为
，此过程循环水温度会下降可以理解为循环水放能。
由于循环水是水环热泵系统的能量载体，其温度无论对热泵机组运行效率还是对辅助热源的能耗都具有显著的影响，而建筑负荷的变化效应又是改变循环水温的重要方式，因此可将建筑的不同负荷率转换为循环水的不同能量级进行思考。这里提出的循环水能级就是建筑在不同负荷率下系统循环水所具有的能量。
这样的假定是因为当建筑负荷发生变化时，部分区域热泵机组运行模式将发生转化，这种变化将引起循环水温的震荡，由于循环水温与机组运转效率以及系统能耗直接挂钩，所以循环水相比建筑负荷率对热泵系统能耗的影响更直接，可以通过对循环水能量变化的研究达到对系统能耗研究的目的。这种想法更贴近于系统运行的实际情况，具有可行性。
1.2 节能性等效性分析
对于水环热泵空调系统节能区的分析，一次能源静态分析方法是以建筑负荷作为研究基础，由于循环水作为热泵机组的连接媒质，建筑负荷的变化效应将直接作用于系统循环水，因此建筑负荷与循环水能量之间存在高度的关联性，同时在能量传递的过程中没有中间环节，这种关联性具有一种等价性。当建筑处于不同负荷率时，此时与建筑负荷相对应的是一种循环水的能量；当建筑负荷发生变化时，对应的循环水的能级也要产生变化。
通过上述分析表明：建筑负荷与循环水能量存在一一对应关系，同时建筑负荷率与循环水能量级也存在一一对应关系。由此可得到以下分析结论：采用建筑负荷作为系统节能性研究基础与采用循环水能量作为研究基础计算出的节能工况区存在等效性，但两者研究理念却存在本质不同。
2 能级差分析方法
基于上述的能级理念，提出“能级差分析方法”作为水环热泵空调系统节能性新的理论分析方法。
2.1 能级差数的定义
水环热泵空调系统应用的瓶颈在冬季。在冬季建筑内部可回收的热量相比夏季少得多，为了保证系统正常运行需要添加辅助热源，这将导致系统能耗产生显著的上升。因此，系统节能性分析的重点在冬季。依据能级理念的基本思想，节能性评价指标定义应以循环水冬季放能量作为参考值。
基于上述分析，能级差数定义为循环水的放能量与此工况点循环水总能量之比，其定义式为：
(1)
式中：
为能级差数；Eh为循环水的放能量，kW·h；E为循环水在某一工况点的总能量，kW·h。
2.2 能级差方程式
制冷模式：
(2)
制热模式：
(3)
式中：为系统制冷工况能级差数；
为系统制热工况能级差数；η为部分负荷率，%；qc为循环水蓄能量，kW·h；ε为热泵机组制冷系数，
取ε=4.49[15]；μ为热泵机组制热系数，取μ=4.79[15]；qh为循环水放能量，kW·h。
2.3 方程式的解释说明
2.3.1 制冷运行模式能级方程式解释
当建筑负荷发生变化时，系统内部部分机组将由制冷运行模式转变为制热运行模式，热泵机组相应对循环水由蓄能状态转变为放能状态，循环水转换能差为
。这种能差的变化是由于负荷率变化时，在系统内部冷负荷转变为等量的热负荷即
所引起的。由于空调系统内部热负荷存在，必定又会使循环水处于放能状态，其放能量为
，此工况点循环水总能量为
，由能级差数定义可得式(2)。
2.3.2 制热运行模式能级方程式解释
当建筑负荷发生变化时，系统内部部分机组将由制热运行模式转变为制冷运行模式，热泵机组相应对循环水从放能状态转换为蓄能状态，循环水转能差为
。这种能差的变化是由于负荷率变化时，在系统内部热负荷转变为等量的冷负荷即
所引起的。由于空调系统内部冷负荷存在必定又会使循环水处于蓄能状态，其蓄能量
，放能量为
，此工况点循环水总能量为
，由能级差数定义可得式(3)。
3 能级差方法的应用分析
为了能更清楚体现能级差分析方法的应用价值，作者将上述能级方程式进行如下处理：
(1) 制冷模式
(4)
(2) 制热模式
(5)
式中：
，
。系数A与B都是只与热泵机组有关的性能系数。
3.1 能级差数对系统运行工况节能性分析
通过对能级差方程的分析可以看出：当采用能级差数对水环热泵空调系统运行工况节能区进行分析时，其能级差数是部分负荷率的单值函数。
目前在对空调系统节能性应用研究中通常将建筑中全年运行时间划分为5个用能级即1级(0~20%)、2级(20%~40%)、3级(40%~60%)、4级(60%~80%)和5级(80%~100%)，并选取每级中的典型部分负荷率对系统运行工况点进行测试与分析研究。为此作者选取100%，80%，60%，40%和20% 5种典型部分负荷率作为能级差理论的分析工况点，对系统全年运行工况是否处于节能区进行分析。
(1) 100%负荷率能级差数的计算如下。
制冷工况：
制热工况：
由于其能级差数
或
均不在0.09~0.724节能区，因此，水环热泵空调系统相比传统空调系统不具有节能性。
(2) 80%负荷率能级差数的计算如下。
制冷工况：
制热工况：
通过分析计算：制冷工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区；制热工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区。
(3) 60%负荷率能级差数的计算如下。
制冷工况：
制热工况：
通过分析计算：制冷工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区；制热工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区。
(4) 40%负荷率能级差数的计算如下。
制热工况：
制冷工况：
通过分析计算：制冷工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区；制热工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区。
(5) 20%部分负荷率能级差数计算如下。
制冷工况：
制热工况：
通过分析计算：在制冷工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区；制热工况运行时，能级差数
在0.09~0.724节能区。
通过对水环热泵空调系统5种典型部分负荷率运行工况点节能性分析表明：只有在满负荷工况段，水环热泵空调系统才不具有节能性。
究其原因：一方面，在满负荷工况段，系统内部全部机组都处于同一运行模式，由于小型热泵机组运转效率低于大型冷水机组，因此系统在此运行工况段相比中央空调不具有节能性；另一方面，在冬季，由于机组全部处于制热模式，造成辅助热量的增加，相对于以燃煤锅炉为热源的传统中央空调系统，在此运行工况段不但存在能量值的损失，而且存在能量的损失，因此若建筑物满负荷运行时间较长，采用水环热泵空调系统不具备用能合理性。
3.2 运行模式对能级差数影响分析
通过上述对不同运行工况点能级差数计算分析表明：冷热负荷率不同将对能级差数产生巨大的影响，进而影响水环热泵系统的运行能耗。作者通过绘制不同运行模式下能级差数随负荷率变化规律，反映冷热负荷对能级差数的影响，能级差数在不同运行模式下变化曲线如图1与2所示。
图1 制冷模式能级差数随负荷率的变化
Fig. 1 Change of ψ with η in cooling mode
图2 制热模式能级差数随负荷率的变化
Fig. 2 Change of ψ with η in heat mode
由图1与2可知：水环热泵空调系统在2种运行模式下，能级差数随负荷率的变化都呈现出非线性变化特征。
由图1可以看出：水环热泵空调系统在制冷模式运行时，其能级差数随部分负荷率变化呈现出凹曲线变化规律。这种凹曲线变化规律表明：随部分负荷率变化，能级差数变化量小于线性比例的变化量。
由图2可以看出：水环热泵空调系统在制热模式运行时，其能级差数随部分负荷率呈现出凸曲线变化规律。这种凸曲线变化规律表明：随部分负荷率变化，其能级差数变化量大于线性比例的变化量。
通过上述分析可以看出：水环热泵空调系统冬季热负荷对系统能耗影响要大于夏季冷负荷。也就是说，热泵系统在冬季运行时，内部循环水的能级差变化更剧烈，也更易偏离节能工况区。因此分析水环热泵空调系统节能性时，应重点分析冬季负荷对系统能耗的影响，特别是不同工况段的运行时间。
4 试验测试与数据处理
4.1 试验测试对象
4.1.1 拓展系统应用区域与建筑模型分析
水环热泵作为一项具有节能与环保意义的空调技术，目前在我国夏热冬冷与夏热冬暖为特征的两大气象参数区得到了广泛的应用，其中使用的建筑模型主要为具有明显内外区划分的复合型建筑。
为了进一步拓展此热泵空调系统的应用价值，作者基于水环热泵空调系统节能特点，选取位于寒冷地区的天津作为研究拓展区域，并以此区域单体建筑作为研究拓展模型，理由如下：
(1) 随着我国经济高速发展，单体类办公建筑在城市覆盖密度越来越高，此类建筑模型的应用价值也越来越大。
(2) 水环热泵系统核心技术在于回收系统内部的余热，其中太阳辐射能是一类重要的热源。基于这种想法，作者在论文中所选取的建筑为具有明显南北区域划分的单体建筑模型。经过调研分析，此类建筑在津京地区具有明显代表性。这类建筑由于南北区域得热量存在较大差异，因此可以通过循环水来实现热量的转移与分配，同时办公类建筑夜间可暂停热泵系统运行，水环热泵系统具有应用可能。
4.1.2 建筑概况
为了拓展水环热泵空调系统应用范围，同时验证能级差分析方法，在天津建立水环热泵空调系统能耗研究中心。该测试中心为两层没有明显内外区划分的单体办公建筑。出于系统拓展研究目的，将水环热泵与中央空调两套试验测试分别布置在不同的两层。为了保证测试结果的可靠性，两层建筑布局相同，建筑面积1 000 m2，建筑冷负荷Qc=105.5 kW，热负荷Qh=70 kW。
4.2 空调系统方案
4.2.1 水环热泵空调系统方案
该工程采用23台SHR系列单元式水环热泵空调机组,总制冷量Qwc=105.5 kW，总制热量Qwh=120.8 kW，制冷工况下输入功率Pec=23.5 kW，制热工况下输入功率Peh=25.2 kW。
由于在冬季系统内部可回收的热量相对较少，为了保证热泵空调机组高效运行需要添加辅助热源。本工程采用电加热水箱作为空调系统冬季辅助热源，补偿热量Qr=40 kW。
4.2.2 中央空调系统方案
该工程采用1台WCOXO66螺杆冷水机组，机组制冷量110.5 kW，制冷工况下输入功率P=18.98 kW；共选用24台风机盘管作为末端设备，总耗功率Pef=2.72 kW。冬季利用城市热网作为空调系统的热源。
4.3 试验测试方案
4.3.1 方案分析
针对工程特殊性，作者仅对2种空调系统夏季能耗进行分析研究，理由如下：
(1) 试验测试分析的目的是验证“能级差分析方法”对水环热泵空调系统节能性的理论分析结论。由于系统能耗变化在2种运行模式下具有近似规律，因此可以仅对一种运行模式系统能耗变化规律进行测试分析。
(2) 在夏季，无论水环热泵还是传统中央空调都以电能作为系统能源，测试结果具有可比性。
(3) 在过渡季节，水环热泵空调系统一定比传统中央空调系统节能，不需要测试分析。
(4) 在冬季，一方面，传统中央空调系统的热源为城市热网而水环热泵空调系统采用电加热水箱作为冬季热源，由此在进行能耗对比分析时存在能值不统一的问题；另一方面，市政热网水温虽然可根据室外负荷的变化进行调节，但这种调节要考虑因素较多，调节的针对性、可控性以及调节力度不强。这些因素都将直接影响试验分析结果的可靠性。
4.3.2 测试方法
基于建筑的使用功能并结合工程试验特点，笔者采用夏季运行时间部分负荷率测试方法对上述空调系统运行能耗进行试验测试，具体测试方法：
实际工程中并不需要对逐点负荷率下系统能耗都进行测试，通常仅选取每段用能级中具有代表性的负荷率作为试验测试工况点。作者基于上述考虑将空调系统夏季运行时间划分为5个用能负荷段，具体为100%~80%，80%~60%，60%~40%，40%~20%和20%~0，并选取每段中典型的部分负荷率即100%，80%，60%，40%和20%作为试验测试工况点。
针对此建筑，空调系统负荷的变化主要是由室外环境温度的变化所引起的。《单元式水环热泵产品手册》中不同负荷率下室外试验测试温度如下式所示：
tw=(0.064/%)η+27 (6)
为了便于对系统在不同负荷率下运行能耗进行监控，依据式(6)可得到不同负荷率下系统能耗的试验测试温度分别为：t1=33.4 ℃(η=100%)，t2=32.1 ℃(η= 80%)，t3=30.8 ℃(η=60%)，t4=29.6 ℃(η=40%)，t5=28.3 ℃(η=20%)。基于上述室外测试温度，对空调系统夏季运行能耗进行测试。
在试验测试过程中关于循环水泵的能耗问题，由于水环热泵空调系统是以循环水作为系统能量回收与分配的媒质，基于这种特殊的能量回收方式，无论系统在任何工况下运行，系统循环水流量不变，也就是说水泵的功耗不变，因此不存在变频问题。
4.4 测试数据分析处理
4.4.1 测试数据
测试数据如表1所示(压缩机运转效率为70%，空调设备计算中已考虑压缩机运转效率)。
4.4.2 部分负荷率无因次分析方法
由表1可以看出运行工况对热泵系统能耗的影响显著。为了能够直观反映这种影响，体现出非标工况下系统能耗的研究价值，作者提出“部分负荷率无因次分析方法”对系统能耗进行分析。
这种分析方法的主要思想是充分考虑部分负荷率这一影响因素，以建筑物满负荷工况系统能耗作为对比基础，对系统在不同部分负荷率下的相对能耗进行分析计算。由于此分析方法所采用的是相对值，因此更有利于对水环热泵空调系统能耗变化规律的分析。
数学分析公式如下：
(7)
表1 2种空调方案夏季运行能耗测试数据
Table 1 Energy consumption test data for two systems in summer
(8)
式中：η为负荷率，%；Q为系统部分负荷，kW；Qm为系统满负荷，kW；N为系统无因次能耗；P为部分负荷运行时系统能耗，kW·h；Pm为满负荷运行时系统能耗，kW·h。
将上述对比分析值绘制成无因次能耗曲线。通过无因次能耗曲线变化趋势，可以清楚显示不同能级下系统能耗的变化规律，特别是对系统能耗畸变工况点出现范围的分析。
4.4.3 无因次能耗曲线分析
2种空调方案系统无因次能耗曲线如图3所示。
由图3可以看出：传统空调系统相对能耗随循环水能级的变化近似具有线性规律；而水环热泵无因次能耗曲线出现了拐点，具有明显的非线性规律。
从曲线变化趋势可以看出：水环热泵在负荷率20%~80%范围内，其相对能耗随负荷变化也具有线性关系；但在负荷率80%~100%范围内，其相对能耗会随负荷变化发生畸变现象，也就是说，η=80%是其无因次能耗曲线的畸变工况点，以此工况点为界，相对负荷率对水环热泵产生不同的影响规律。
图3 2种空调方案系统无因次能耗曲线
Fig. 3 Dimensionless curves under part-load ratio for two systems in summer
4.5 试验分析结论
(1) 随负荷率变化，传统空调系统呈近似线性变化规律；由于畸变工况点出现，水环热泵系统具有显著非线性变化规律。
(2) 针对此建筑水环热泵空调系统能耗曲线畸变工况点出现在80%~100%负荷段。
(3) 水环热泵空调系统能耗受负荷率变化影响要大于传统空调系统，特别是在畸变工况点出现以后，这种影响更加显著。
(4) 由于水环热泵能耗曲线发生畸变，因此畸变工况点的出现范围以及畸变工况段运行时间将对水环热泵运行能耗产生巨大的影响。
5 结论
(1) 提出“能级差分析方法”作为水环热泵空调系统能耗的分析方法。此分析方法建立了节能性评价指标与系统负荷率之间的函数关系，有助于从负荷率的角度对水环热泵空调系统节能性进行理论分析。
(2) 随负荷率的变化，水环热泵系统能耗呈现非线性变化规律，系统能耗曲线畸变工况点出现在80%~100%负荷段。
(3) 水环热泵空调系统能耗受负荷率变化影响要大于传统空调系统，特别是在畸变工况点出现以后，因此畸变工况点的出现范围以及畸变工况段运行时间将对系统运行能耗产生显著影响。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2013-03-26；修回日期：2013-05-14
基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目(2011-K1-46)
通信作者：于齐东(1978-)，男，天津人，博士研究生，从事建筑节能、热泵新技术研究与环境控制研究；电话：13752638563，15822479475；E-mail: stevenyu78@sina.com
