2015, Vol. 32
随着人们生活水平的提高，在我国的一些夏热冬冷和夏热冬暖地区，冬季的采暖需求也越来越高.对设有集中空调系统的公共建筑，越来越多地采用同一套系统来实现冬季供热.供热的热源可以是多种多样的，其中以空气源热泵冷热水机组和燃料燃烧的热水锅炉最广泛、最具有代表性[1-2].空气源热泵热水机组供热系统是以消耗少量高品质能源(如电能)为代价，从较低的室外空气中提取大量的低温热能，将其温度升高后传递给水，然后将热水“泵送”给用户.燃料燃烧的热水锅炉是通过燃料燃烧产生热能来加热水，然后将热水“泵送”给用户.
不同热源方案下空调供暖系统的能耗差别很大，有些学者主要以热源为研究对象，对不同供热方式的能耗进行了分析[3-4]，一个集中空调供热系统的能耗，不仅包括热源的能耗，还包括输送到末端的各个环路的能耗，应从整个环路来分析，找出节能的潜力.本文拟用能流分析的方法，对空气源热泵热水机组和燃料燃烧热水锅炉为热源的集中空调供热系统的整个环路的能流进行对比分析，可以为空调供热系统的优选及所选系统的节能提供有用的信息.
1 能流分析模型的建立 1.1 两种不同热源条件下完整的集中空调供热系统的能流链图以空气源热泵热水机组和燃料燃烧热水锅炉为热源的集中空调供热系统，从热源提取热量到最终释放到供热房间的整个环路的能流情况[5-6], 如图 1和图 2所示.
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图 1 以空气源热泵热水机组为热源集中空调供热系统能流链 Figure 1 The flow chain of air-source heat pump water chiller for heating central conditioning systems |
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图 2 以燃料燃烧的热水锅炉为热源集中空调供热系统能流链 Figure 2 The flow chain of fuel combustion heat water boiler for heating central conditioning systems |
从图 1和图 2中可以看出，以空气源热泵热水机组为热源的集中空调供热系统供暖包含室内空气环路、热水环路、制冷剂环路和热量提取环路4个连续的子环路.相比而言，以锅炉燃料燃烧为热源的集中空调系统只包含3个子环路，即室内空气环路、热水环路和燃料燃烧环路.每个子环路都由特定的换热设备和耗能设备组成，前者各子环路之间以换热设备如末端换热盘管、冷凝器、蒸发器为能流联系的桥梁，后者则以末端换热盘管、锅炉为能流联系的桥梁，使得各空调供暖子系统的能流紧密联系在一起.
1.2 能流分析数学模型的建立本文分析的前提条件是各空调供暖区域的热舒适性及室内空气品质满足要求，能流分析将按照能流链图从左到右的顺序依次进行.
1.2.1 以空气源热泵热水机组为热源的集中空调供热系统能流数学模型对于室内空气环路，为了满足空调供热区域的热舒适性及室内空气品质，末端的供热盘管提供的热量，要满足室内一定的热负荷和新风负荷以及热风输送过程中的传热损失，而送风风机的机械能所转变的热量可抵消换热盘管一部分热负荷.因此，对末端换热盘管列能量平衡方程有
| $ {Q_{{\rm{PG}}}} + {C_{{\rm{FJ}}}} = Q + {Q_{{\rm{XF}}}} + {L_{{\rm{SS}}}}, $ | (1) |
其中, QPG，Q，QXF分别为换热盘管的热负荷、房间的热负荷、新风负荷，kW；CFJ为送风风机的耗功率，kW；LSS为送风系统的热损失，包括风管输送热风过程中通过风管保温层散失到外界的热量LSF和通过风管、门窗等不严密处所产生的泄漏热损失LXL，kW.其中，风机的耗功率可直接测量出来或在设计条件下根据设备选型参数得到，其他几个负荷量需要根据相应的风量和焓值间接计算出来，它们的计算式分别为Q=mSF(hSF-hN)；QXF=mXF(hN-hXF)；LSS=LSF+LXL；LSF=CmSFΔt；LXL=ΔmXL(hXF-hSF).式中, mSF、mXF、ΔmXL分别为送风量、新风量、通过风管和门窗等泄漏引起的风量净泄露量，kg/s；hN、hSF、hXF分别为室内空气、送风、新风焓值，kJ/kg；C为空气的比热容kJ/(kg·℃)；Δt为热风输送管道一定的温升，℃.
对热水环路，冷凝器热负荷应满足换热盘管热负荷和热水输送过程的传热损失，而输送设备热水泵的机械能所转变的热量可抵消冷凝器一部分热负荷.因此，对冷凝器列能量平衡方程有
| $ {Q_{{\rm{LN}}}} + {C_{{\rm{RS}}}} = {Q_{{\rm{PG}}}} + {L_{{\rm{RS}}}}, $ | (2) |
其中，QLN为冷凝器的热负荷，kW；CRS为热水泵的耗电功率，kW；LRS为热水输送管道与外界的冷空气的传热而增加的热损失，kW.其中，热水泵的耗电功率可以直接测量出来或在设计条件下根据设备选型参数得到，传热热损失可由公式LRS=CMΔt计算出来(包括热水输送管道和热水回水管道的传热损失)，C为水的比热容，kJ/(kg·℃)；M为热水水流量，t/h；Δt为在热水输送过程中表现为冷凝器出水温度与末端换热盘管进水温度的差值，在热水回水过程中表现为末端换热盘管出水温度与冷凝器进水温度的差值，℃.
同理，对制冷剂环路，对蒸发器列能量平衡方程有
| $ {Q_{{\rm{ZF}}}} + {C_{{\rm{YS}}}} = {Q_{{\rm{LN}}}}, $ | (3) |
其中，QLN为蒸发器的冷负荷，kW；CYS为压缩机的耗电功率，kW.
则最终需要从大气中摄取的能量L，有
| $ L + {C_{{\rm{ZF}}}} = {Q_{{\rm{ZF}}}}, $ | (4) |
其中，CZF为蒸发器风机的耗电功率，kW；L为应从大气中摄取的总热量，kW.
1.2.2 以燃料燃烧的热水锅炉为热源的集中空调供热系统能流数学模型通过前面的能流链图的对比分析可知，以燃料燃烧热水锅炉为热源的集中空调供热系统与空气源热泵热水机组系统相比，在满足空调供热区域的热舒适性及室内空气品质的前提条件下，室内空气环路和热水环路的能量平衡方程是相同的，如式(1)、(2)，不过此时式(2)中的冷凝器的热负荷应为锅炉热负荷QGL，相应的公式变为
| $ {Q_{{\rm{GL}}}} + {C_{{\rm{RS}}}} = {Q_{{\rm{PG}}}} + {L_{{\rm{RS}}}}, $ | (5) |
其中，传热热损失LRS计算与式(2)中的相同，只是此时Δt在热水输送过程中表现为锅炉出水温度与末端换热盘管进水温度的差值，在热水回水时表现为末端换热盘管出水温度与锅炉进水温度的差值，℃.
对燃料燃烧环路，所消耗的燃料产生的热量，既要满足锅炉的热负荷，又要补偿燃料的不完全燃烧以及通过烟气等带走的热量损失.此外，锅炉的鼓风机所消耗的机械能所转变的热量可抵消部分燃料燃烧热量.因此，对燃料燃烧环路，列能量平衡方程有
| $ {Q_{{\rm{RL}}}} + {C_{{\rm{FZ}}}} = {Q_{{\rm{GL}}}} + {L_{{\rm{RL}}}}, $ | (6) |
其中，QRL为锅炉燃料燃烧的产热量，kW；CFZ为燃烧辅助设备的耗电功率，kW；LRL为燃料的不充分燃烧引起的热损失，通过参考锅炉燃料燃烧设计热效率计算得到.
2 能流图案例对比分析能流图(Sankey Diagram)是将能流可视化的一种数据分析方法，目前能流图已广泛应用于金融、材料成分、能源分析等[7-8]方面.
可见，对于一个实际工程，根据该空调系统供热的相关设计参数即可得到式(1)~(6)中相应的物理量，就可以绘制出该工程两种热源条件下的集中空调系统设计工况能流图，并通过能流对比分析，即可得到二者各能流的差异，可为该系统热源的选择，以及系统的节能降耗提供可参考的依据.
2.1 实际能流图下面将结合一具体的工程实例，来说明上述能流对比分析数学模型的具体应用.该工程位于广州市，是一栋大型酒店，主要包括客房和行政办公室；空调供热总热负荷为4 400 kW；空调供热供回水温度为60 ℃/50 ℃；冬季室外设计参数为5 ℃/70%，室内设计温度为20 ℃/50%，设计新风量30 m3/(h·人)，空调供热热水系统为两管制独立系统.两种热源条件下的空调系统供热的主要设备设计参数见表 1.
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表 1 两种热源条件下的集中空调供热系统主要设备及其设备设计参数汇总 Table 1 The summary of main equipments and design parameters for the two heatsources of central conditioning systems |
根据该工程的空调供热各设计参数，从整体上探讨两种热源条件下空调系统供热的能流情况.根据相应的设计参数，并通过式(1)~(6)计算出两种不同热源系统供热各个环路的能流值，并以空调采暖区域1kW热负荷为基准进行折算，分别绘制了各自设计工况下的能流图，如图 3和4所示.
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图 3 以空气源热泵热水机组为热源集中空调供热系统设计工况能流图 Figure 3 The flow diagram of air-source heat pump water chiller for heating central conditioning systems |
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图 4 以燃料燃烧的热水锅炉为热源的集中空调供热系统的设计工况能流图 Figure 4 The flow diagram of fuel combustion heat water boiler for heating central conditioning systems |
两种热源条件下空调供热系统的设计工况能流只在热水制备环路上存在不同，其他环路的都相同.热水制备环路，前者具体指制冷剂环路，后者具体指锅炉燃料燃烧环路，从能流图中的QRR(表示热源部分的总能流)可以看出.以向空调供热区域提供1 kW热量为基准进行图 3和图 4的能流对比分析如下.
(1) 热源部分能流对比分析.
从图 3和图 4中可以看出，在热水制备环路上，两种热源条件下的空调系统都需要从外界提取热量和存在辅助设备的耗电情况，前者是通过机组耗电从空气中提取，后者通过锅炉辅助设备耗电联合燃料燃烧得到，而且后者存在燃烧热损失.两种热源下的集中供热系统热源部分的总能流值分别为1.118 kW、1.268 kW.其中，前者包括通过空气源热泵热水机组蒸发器从空气中提取热量0.868 kW，压缩机耗电功率0.25 kW；后者包括热水锅炉的燃料燃烧总热量1.226 kW，以及燃料燃烧热损失0.15 kW.
(2) 主要能流对比分析.
两种热源条件下的其他环路能流情况都一样，包括：新风负荷为0.40 kW，占热负荷的40%，对空调系统供热影响大；动力设备风机和水泵的能耗总和达0.23 kW，占23%，该部分能耗不容忽视；输送过程中的各种损失之和为0.048 kW.
(3) 不同热源集中空调供热总能耗对比分析
以空气源热泵热水机组为热源的集中空调供热系统的总能耗(即将能流图中的耗电功率C加起来)为0.48 kW，以燃料燃烧的热水锅炉为热源的集中空调供热系统的总能耗为0.272 kW，前者系统的总能耗远远大于后者.
2.3 节能措施探讨上述对两种热源条件下集中空调供热系统的整体能流进行了对比分析.挖掘热水制备环路各能流的差异，为热源的优选提供依据；针对其他能流环路，可就能流占主导部分提出有效节能措施.
2.3.1 热源的选择(1) 两种空调系统供热设计工况下能源消耗的差异来源于热源部分.从图 3和图 4中可以看出，两种热源条件下的能源消耗情况包括以热量和耗电功率两种形式，应将二者的能流均折算成同一条件下一次能源总消耗来进行比较.根据公式B1/ B2=0.448COP[9](其中B1、B2分别指由热水锅炉供热的燃料燃烧量和由电能驱动空气源热泵热水机组的电厂燃料燃烧量，t/a)，经计算本案例中空气源热泵热水机组COP设计值为4.47，可得B1=2B2，可知选择空气源热泵热水机组集中空调系统进行供热可节省大量的能源，更具有经济性.但空气源热泵热水机组运行时，受气候特性影响特别大，像华东华北等地区，环境温度较低(≤5 ℃)，机组容易结霜，机组甚至停止运行[10].因此，实际工程应用中，一般将空气源热泵热水机组与其他能源复合起来进行供热，像电能、太阳能、地热能、水源等，使得整个系统的性能得到大大的改善[11-13].
(2) 热水制备环路中各部分能流的大小对热源的选择起重要作用.本案例中，二者总耗电功率分别为0.48 kW、0.272 kW，后者需要燃料燃烧热1.226 kW，前者不存在；前者需要的耗电功率大于后者.因此，在相同条件下，若燃料充足而供电紧张，可选择以燃料燃烧的热水锅炉为热源；若电量充足，可选择空气源热泵热水机组为热源，其中，供热机组能耗占35%，占系统供热总能耗(占热负荷的48%)一半以上，实际工程中，应合理选择机组型号以及控制机组的正常启停与运行.
(3) 对环境质量要求高的地区应选择以空气源热泵热水机组为热源进行空调系统供热.本案例中，以燃料燃烧的热水锅炉为热源的空调系统供热存在燃料燃烧热损失0.15 kW，会伴随有害气体的排放，对人类居住环境造成不良影响.若选择锅炉燃料燃烧进行供热，应重视燃烧热损失部分，让燃料充分燃烧，减少有害气体的排放.因此，对环境质量要求高的地区，应优先考虑以空气源热泵热水机组为热源，并根据实际情况提出节能对策.
2.3.2 针对其他主要能流提出的节能措施风负荷、动力设备风机和水泵的耗电以及输送过程中的各种损失对整个系统的能耗影响应加以重视.新风负荷的正负取决于室外新风焓值hXF与室内空气焓值hN的相对大小，冬季工况下hXF < hN，新风负荷为负，增加了末端换热盘管的负担.因此，在满足室内空气品质的条件下，尽可能地降低新风量进入室内，控制最小新风量；风机和水泵的能耗总和所占比例大，在实际设计选型时，应合理选择动力输送设备风机和水泵的型号，防止“大马拉小车”，造成能源的浪费.热风输送过程中的各种损失不可避免，平时应注意送风管道的保温及严密性设置，以及门窗的开启与紧闭情况，将该部分损失降低到最小.
3 结语(1) 分别建立了以空气源热泵热水机组和燃料燃烧的热水锅炉为热源的集中空调供热系统整个环路的能流分析模型，并通过能流图直观的对比分析了两种热源条件下各部分能流的差异.
(2) 能流图的对比分析法可以为空调供热系统的优选及所选系统的节能提供有用的信息，是空调系统设计选型及挖掘节能潜力的有效工具.
(3) 作为实例，用能流图对比分析法分析了广州某大型酒店空调系统供热的能流情况，并重点对热源的选择及整个空调系统的节能提出了相应的建议.识别出影响整个空调系统能耗的主要因素是：新风负荷、供热机组的能耗和输配系统的能耗，并主要针对这几个方面提出了相应的节能措施.
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