風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組全年能耗計算分析

江曉雷  肖艷紫  張 昌
（武漢紡織大學(xué)  環(huán)境工程學(xué)院， 湖北  武漢  430073）

    摘  要：針對風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組全年能耗計算專題，通過以某一工程為例，歸納了風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組逐時能耗的工程計算方法。它為評價空調(diào)系統(tǒng)全年能耗、電費及二氧化碳排量提供了有效的手段和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
    關(guān)鍵詞：風(fēng)冷熱泵； 空調(diào)能耗； 計算方法
    中圖分類號：TU831           文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A        

    The Air Cooled Heat Pump Chiller Annual Cooling Energy Consumption Calculation Analysis

    Jiang XiaoLei   Xiao Yanzi   Zhang Chang
   (School of Environmental Engineering,Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073,China)

    Abstract：  For the feature of annual energy consumption calculation about the air cooled heat pump unit, take a project as an example, the engineering calculation method of air cooled heat pump unit hourly energy consumption has been summarized . It provides effective means and accurate datas about air conditioning system of evaluate the annual energy consumption, electricity and carbon dioxide emissions in future.
    Keyboards:  Air Cooled Heat Pump; Air Conditioning Energy Consumption; Calculation Method

    引言
    風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組具有安裝簡便、布置靈活、占用建筑空間小，使用方便等優(yōu)點。在諸如辦公室、小會議室、接待室等多種使用功能房間在同一建筑物的場合，能充分體現(xiàn)風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)既能靈活布置，又能經(jīng)濟運行的特點。但是對于廣大用戶來說，在決定采用該空調(diào)設(shè)備時，還必須知道空調(diào)機組能耗情況，以便進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟分析。本文介紹了采用風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組全年空調(diào)能耗計算方法，為業(yè)主選擇最優(yōu)的空調(diào)方案提供一種技術(shù)經(jīng)濟分析手段。
    1  室外計算干球溫度的確定
    首先室外干球溫度直接影響建筑物空調(diào)負(fù)荷大小、能量消耗以及用電量等；其次，對于風(fēng)冷熱泵機組, 室外空氣溫度對冷凝換熱影響很大，機組的性能也會隨室外空氣溫度的變化而變化[1]。如果在空調(diào)負(fù)荷計算中，室外干球計算溫度采用月平均溫度，將會與實際運行情況存在一定差n，而本文將計算空調(diào)負(fù)荷所采用的計算溫度精確到每天的逐時室外干球溫度，這將對空調(diào)負(fù)荷計算提供更接近工程實際的計算前提。
    根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，我國的歷年日平均溫度值負(fù)荷正態(tài)分布規(guī)律[2]。根據(jù)室外計算干球溫度統(tǒng)計學(xué)原理，用DeST的隨機氣象模型Medpha[3]可以得到武漢地區(qū)一年中8760個逐時室外計算干球溫度。數(shù)值計算得出的武漢地區(qū)逐時室外干球溫度見圖1。

   全年最熱的一天為7月30日，最高值39.6℃出現(xiàn)在17時，這天的逐時室外計算干球溫度見圖2。

    全年最冷一天為1月24日，最低值-3.9℃出現(xiàn)在8時，這天的逐時室外計算干球溫度見圖3。

    2  建筑物的空調(diào)負(fù)荷計算
    某金融公司入駐光谷金融港一期工程中A3棟辦公樓的14～15層，建筑面積為3952㎡，層高4.3m。A3棟辦公樓主要用于辦公，每層均有辦公室，會議室，接待室等。當(dāng)逐時室外計算干球溫度確定后，就可以計算逐時空調(diào)負(fù)荷值，從而可以計算采用風(fēng)冷熱泵機組后，每年在風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組運行上投入的能耗及相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟ぞ蕁＠如，運行費用、二氧化碳排放量等等。
    2.1 室內(nèi)的參數(shù)確定
    根據(jù)該金融公司需要， 14～15層各房間的使用功能為辦公室、會議室、會客室及展示廳等，辦公時間為8：00～17：00。由《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019-2003）室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為：夏季溫度：26℃，相對濕度：55%；冬季溫度：20℃，相對濕度：50%。
    2.2 全年空調(diào)負(fù)荷
    本文充分考慮了建筑物的負(fù)荷影響因素，比如建筑物本身的物理因素（建筑物朝向、建筑物形狀、層高、維 結(jié)構(gòu)等）、內(nèi)擾因素（人員散熱、照明及設(shè)備散熱）、外擾因素（室內(nèi)設(shè)計參數(shù)、新風(fēng)量），對建筑物進(jìn)行動態(tài)負(fù)荷模擬，其模擬出的動態(tài)逐時負(fù)荷數(shù)值見圖4。由于處理數(shù)據(jù)眾多，在此只列出模擬出負(fù)荷值的動態(tài)分布圖，其最大冷負(fù)荷為436.24kW，最大熱負(fù)荷為440.56kW。

    3 風(fēng)冷熱泵機組應(yīng)用模型建立
    3.1 設(shè)備名義工況參數(shù)
    根據(jù)模擬出的最大冷負(fù)荷和最大熱負(fù)荷，該工程風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組初步采用頓漢布什公司ACDXHP-140R-134a的風(fēng)冷熱泵機組。其選用機型的名義工況技術(shù)參數(shù)為：制冷量474kW，輸入功率141.5kW，制熱量505kW，輸入功率139.9kW，夏季制冷冷凍水出水溫度7℃，冬季制熱機組進(jìn)出水溫度40/45℃。
    3.2 多參數(shù)非線性函數(shù)表達(dá)式
    相關(guān)研究表明[4]，用多元非線性函數(shù)來描述風(fēng)冷熱泵機組的的工作性能（即制冷量和耗功率與外在參數(shù)之間5函數(shù)關(guān)系）具有較高的精度。本文用于描述風(fēng)冷熱泵機組制冷量、耗功率與室外干球溫度、冷凍水出口溫度2個參數(shù)之間關(guān)系的多元非線性函數(shù)表達(dá)式如下。
    

    式（1）～（4）中， 為實際工況時的COP與名義工況時的COP的比值； 為相對名義工況室外空氣進(jìn)口溫度的偏差率； 為相對名義工況冷凍水出口溫度的偏差率；Tci為室外空氣入口溫度，℃；Teo為冷凍水出口溫度，℃。下標(biāo)r表示該參數(shù)名義工況的值， （i=1,2,3,…,10為擬合常數(shù)）。
    3.3  工程應(yīng)用模型的建立
    要對式（1）中的參數(shù)進(jìn)行擬合，我們不僅需要知道風(fēng)冷熱泵機組名義工況，還需要知道變工況的工作性能參數(shù)。對于變工況工作性能參數(shù)是廠家在性能測試平臺上經(jīng)過風(fēng)冷熱泵機組在一定工作范圍內(nèi)實際運行得出的實驗值，廠家在出廠設(shè)備中會提供[5]。在二者已知的條件下，對公式（1）中的參數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合，求得ACDXHP-140R-R134a系列機組模型在夏季制冷工況，冬季制熱工況下擬合常數(shù)如表1。

    4 空調(diào)系統(tǒng)全年能耗計算
    根據(jù)上表列出的非線性函數(shù)式的常數(shù)，以及在DeST軟件上計算出的室外氣象參數(shù)逐時值，依據(jù)所選設(shè)備的廠家提供的設(shè)備性能參數(shù)表，我們可以編程計算出空調(diào)系統(tǒng)的cop值。下一步，由建筑物空調(diào)逐時負(fù)荷，編入數(shù)據(jù)庫，利用上一步得到的cop值可得到空調(diào)機組的逐時功率。
    對于業(yè)主而言，空調(diào)機組的經(jīng)濟性是業(yè)主選擇空調(diào)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。通過上述計算得到該風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組一年內(nèi)的逐時功率條件后，我們乘以時間即可得到該風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組一年內(nèi)逐時能耗。再乘以當(dāng)?shù)氐碾娰M，即可得到該風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組一年所耗電費。業(yè)主可以通過上述計算方法，為其選擇空調(diào)設(shè)備提供依據(jù)。
    二氧化碳的排放將直接影響大氣環(huán)境，國家“十二五”規(guī)劃提倡低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保等理念，而二氧化碳排放量將是衡量空調(diào)系統(tǒng)是否能夠達(dá)到該理念要求的重要依據(jù)之一。當(dāng)前國內(nèi)外二氧化碳排放計算方法及要求各不相同，本文采用的二氧化碳計算方法是依據(jù)“碳足跡”計算公式，針對風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組耗電量來計算二氧化碳排放。
    以上述工程為例，通過數(shù)值模擬所得到逐時能耗見圖5。計算得出該金融公司所采用風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組一年總能耗為28400.14kW/h。根據(jù)目前武漢地區(qū)每度電0.573元，得到該公司一年內(nèi)所耗電費16273.28元。根據(jù)“碳足跡”計算公式中用電的二氧化碳排放量（kg）=耗電度數(shù)×0.785，得到該棟建筑一年內(nèi)二氧化碳的排放量為22294.11kg。

    5 小結(jié)
    本文通過一個工程實例，給出了風(fēng)冷熱泵空調(diào)機組的能耗計算方法，其主要計算步驟有：
    ①室外計算干球溫度的確定?？刹捎肈eST軟件得到準(zhǔn)確的室外計s干球溫度，為后面的空調(diào)負(fù)荷計算和機組能耗計算提供依據(jù)；
    ②建筑室內(nèi)參數(shù)的確定。不同功能房間其室內(nèi)參數(shù)不同，參照《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50019-2003）確定室內(nèi)參數(shù)；
    ③空調(diào)負(fù)荷的計算。運用軟件模擬計算得到建筑物空調(diào)的逐時負(fù)荷值；
    ④設(shè)備初選型。根據(jù)建筑物最大空調(diào)負(fù)荷值，可以初步選擇幾臺不同型號的空調(diào)機組；
    ⑤空調(diào)機組能耗計算。對初步所選空調(diào)機組分別建模，得到各臺空調(diào)機組逐時能耗值；
    ⑥建筑空調(diào)二氧化碳排量及電費計算。根據(jù)相關(guān)計算公式及方法，計算各臺空調(diào)機  組相關(guān)經(jīng)濟指標(biāo)；
    ⑦方案比較。依據(jù)上述計算得到的數(shù)據(jù)，對所選不同型號的空調(diào)機組進(jìn)行比較，選出最優(yōu)的空調(diào)方案。
    本文提供的能耗計算的方法將為業(yè)主從眾多空調(diào)方案中選擇最優(yōu)的方案提供一種技術(shù)經(jīng)濟分析手段，并可以此為基礎(chǔ)繼續(xù)深入研究，比如提出綠色建筑評價的指標(biāo)，開發(fā)出更適合該地區(qū)的綠色建筑節(jié)能新技術(shù)，等等。

參┪南祝

[1] 金星，張小松.風(fēng)冷熱泵機組部分負(fù)荷變工況下優(yōu)化風(fēng)量的初步研究[J].流體機械,2008，36(4):63-67
[2] Tianzhen H,Yi Jiang.A new multi-zone model for the simulation of building thermal performance[J].Building     and Environment,1997,vol.32(2);123-128.
[3] 清華大學(xué)建筑科學(xué)系DeST開發(fā)小組.DeST-h技術(shù)資料[DB/OL].2003：19-23[2012.6.8].               http://dest.tsinghua.edu.cn/chinese/theory/jswd.asp.
[4] 張昌，王福林,吉田治典.建筑設(shè)備系統(tǒng)最/化運行技術(shù)[J].暖通空調(diào)，2010，40(3):73-78.
[5] 李威，張昌.基于外在參數(shù)的冷水機組數(shù)學(xué)模型[J].制冷與空調(diào)，2011，25（6）：620-623.