某热泵系统节能措施的研发与实施

　　湖库塘开式水源热泵系统是否具有经济竞争力、是否是技术可行的节能措施，目前国内外通常利用简化方法对具体空调冷热源工程进行经济分析。空调系统冷热源能耗分析与计算是以上经济分析的关键，对建筑设计和空调系统设计的节能优化以及空调系统的运行管理有着重要指导意义。

　　湖库塘开式水源热泵系统包括热泵机组和湖库塘取排水2个部分，两者交互影响。本文在研究湖库塘取排水温度模型和水源热泵机组性能模型的基础上，提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，*后与空气源热泵的能耗相对比，分析有利于湖库塘开式水源热泵系统的有效途径，为其推广应用奠定理论指导基础。

　　1湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析由建筑全年冷热负荷、热泵机组全年能耗和湖库塘全年水温变化3方面的分析计算耦合而成。

　　由于整个空调系统的能耗包括冷热源设备侧能耗和空调用户端能耗2大部分，为了简化研究，假定空调用户端能耗在各种冷、热情况下基本相同，主要侧重考虑冷热源设备侧的能耗差异。

　　1. 1湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析在夏季工况下，热泵机组将建筑冷负荷、机组的输入功率转移到湖库塘中；在冬季工况下，热泵机组从湖库塘中获取的热量应等于建筑热负荷减去压缩机功率。与湖库塘开式水源热泵满负荷运行工况相比，在全年实际情况中，由于建筑冷热负荷逐时变化，水源热泵机组全年大部分时间在部分负荷下运行。

　　1. 2湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程由上述运行特点分析可知，湖库塘开式水源热泵系统的能耗需联立求解建筑物的冷热负荷、热泵机组的性能和湖库塘传热性能的耦合关系。

　　1. 2. 1热泵机组能耗计算方法由于热泵机组大部分时间是在部分负荷下运行，机组的实际能耗除了与冷水、冷却水的供水状态相关外，还取决于机组的部分负荷性能参数。

　　为简化研究，本文采用部分负荷系数的概念，计算热泵机组的满负荷运行时间，从而确定在部分负荷下水源热泵机组的能耗。部分负荷系数f为热泵机组的理论运行时间与实际运行时间的比值，定义如下［6］：f = 1－C D（1－X i）（1）式中，C D为衰变因子，如缺乏机组的测试数据时，C D = 0. 25；X i为热泵机组的理论运行时间系数，即建筑负荷与机组实际容量之比。当机组容量小于建筑负荷时，即X i＞1时，表示设备连续满负荷运行，因此f = 1.热泵的实际运行时间系数X r = X i /f，因此热泵实际在每小时的满负荷运行时间为X r小时。

　　热泵机组的能耗计算，首先确定水源热泵机组逐时的供冷和供热容量，以及对应的输入压缩机功率，然后将压缩机功率乘以X r，即为逐时的热泵机组压缩机能耗。

　　1. 2. 2湖库塘循环水泵能耗计算方法湖库塘循环水泵的逐时能耗即为水泵功耗与实际运行时间系数的乘积。

　　2工程实例的能耗计算分析

　　2. 1建筑概况建筑为位于重庆的3层办公楼，每层8间办公室。建筑南北朝向，层高3 m，建筑面积为294 m 2.每间办公室3人工作，考虑加班，空调运行时间为8：00～18：00.建筑的围护结构如下：建筑外墙采用240 mm砖墙，内外抹灰；屋面采用120 mm钢筋混凝土空心板加防水层，作简单通风空气层隔热；外窗采用单层5 mm厚玻璃铝合金窗。室内设计条件：夏季室内计算温度26℃，相对湿度50%～60%；冬季室内计算温度16℃，相对湿度50%～60%；换气次数1. 0次/h.

　　2. 2建筑冷热负荷计算结果利用冷负荷系数法计算该建筑的每个房间的8：00～18：00逐时冷负荷，然后每个房间逐时累加，得到整个建筑的逐时冷负荷和*大冷负荷，并按稳态传热法计算空调热负荷。

　　2. 3湖库塘水源热泵系统设计湖库塘水源热泵空调系统包括水D水热泵机组、湖库塘和室内空调末端。假定不论是湖库塘水源热泵空调系统还是空气源热泵空调系统，室内的空调方式都采用相同的室内侧空调设备，因此以下的设备选型和系统能耗比较侧重介绍两者不同之处，即热泵机组与室外侧设备。

　　由上可知，建筑的总设计冷负荷为34. 078 kW，考虑安全系数1. 05，因此选用某厂家全封闭涡旋式水D水热泵机组1台，型号为HSSWR45（S）E.池塘具体参数如下：水面长126 m，宽35 m，*深水深为7 m，侧壁为45°倾斜。采用重叠式取排水方式，取水口高度；取水位置。根据水源热泵机组室外水源侧流量为7. 7 m 3 /h，及室外侧*不利环路的阻力损失，因此选用一台KQDP40－8－8离心泵，流量为6～10 m 3 /h，扬程为20. 4～27 m，转速为2 900 r/min，电机功率为1. 5 kW.

　　2. 4空气源热泵系统设计根据建筑总冷负荷，选用空气源热泵机组1台，型号为MAC1200R.

　　2. 5湖库塘水源热泵系统的能耗分析如前所述，本文只比较湖库塘水源热泵机组的压缩机能耗、室外侧循环水泵能耗与空气源热泵机组的压缩机能耗、风机能耗之间的差异。湖库塘水源热泵系统的能耗计算步骤如下：1）利用DOE 2软件计算建筑的逐时冷、热负荷。

　　2）假定热泵机组的进水温度EWT，调用第六章的热泵机组模型，计算在该进口温度EWT下热泵机组的满负荷制冷量Q e或制热量Q c以及压缩机功率N.然后根据建筑冷热负荷和机组的制冷、制热容量计算热泵的实际运行时间系数X r.

　　3）由制冷量Q c及压缩机功率N可得到夏季冷凝器的排热量Q c；或得到冬季蒸发器的取热量Q c.

　　4）在逐时计算中，当X r＜1时，热泵机组为间歇运行，即假定在前面的X r时间内，排放到湖库塘的夏季热量为Q c；排放的冬季冷量为Q c；在剩余时间内，湖库塘处于自然状态，无冷热量的排放。

　　5）根据重叠式取排水方式下的水温模型，93 3利用加载UDF模块的FLUNT软件，求解湖库塘的水温分布，然后可得出湖库塘取水口处的温度，将计算的取水温度与假定的热泵进水温度EWT进行对比，如果满足公式（2），则计算结束，否则用EWT r替代EWT，回到步骤（2）重复计算，直至满足条件。| EWT r－EWT | EWT =ε＜1e－5（2）6）计算对应时刻的热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗；*后对热泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗求和，即为湖库塘水源热泵系统的全年能耗。

　　2. 6空气源热泵系统的能耗分析由于缺乏空气源热泵机组的性能模拟程序，因此利用样本上的机组全负荷特性以及热泵的实际运行时间系数方法进行全年能耗分析。空气源热泵系统的能耗计算步骤如下：1）利用DOE 2软件计算建筑的逐时冷、热负荷；2）根据室外空气温度，由热泵机组的性能曲线，得到该工况下的热泵机组的满负荷制冷量Q c或制热量Q c以及压缩机功率N.然后根据建筑冷热负荷和机组的制冷、制热容量计算热泵的实际运行时间系数X r；3）然后计算对应时刻的热泵机组压缩机功率N和实际运行时间系数X r的乘积，即为热泵压缩机的能耗；计算室外风机功率和实际运行时间系数X r的乘积，即为室外风机的能耗；*后对热泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外风机的能耗求和，即为空气源热泵系统的全年能耗和性能参数，具体结果详见表5.

　　2. 7湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较通过分析可得，在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为13. 66%～18. 27%；而在空气源热泵系统中，风机能耗占热泵总能耗的比例相对较小，大约为8. 8%～9. 65% .若只考虑压缩机能耗时，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季增加23. 32%，在夏季增加34. 77% .但考虑水泵能耗后，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季只增加16. 24%，在夏季增加21. 7% .

　　3结论

　　本文提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，*后与空气源热泵的能耗相对比。分析结果表明：1）湖库塘水源热泵系统的季节性能比均高于空气源热泵机组。与空气源热泵相比，考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统冬季供热季节能效比SEER提高16. 24%，夏季供冷季节性能比SEER提高21. 7% .

　　2）在冬季，每个月湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；在夏季，每个月湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；与空气源热泵相比，湖库塘水源热泵性能更稳定、更有利。

　　3）在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为13. 66%～18. 27%，当考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统能效比在夏季降低21. 19%，在冬季降低15. 89% .因此说明对于湖库塘开式水源热泵系统，室外循环水泵能耗的存在较大的影响，应该在实际工程应用中采取措施降低循环水泵能耗。