广东工业大学学报  2016, Vol. 33Issue (6): 53-56.  DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.009.
0

引用本文 

王战兵, 刘丽孺, 王璋元, 李志生. 以风冷热泵热水机组为热源的集中空调系统运行能耗的e-p分析法的建立[J]. 广东工业大学学报, 2016, 33(6): 53-56. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.009.
Wang Zhan-bing, Liu Li-ru, Wang Zhang-yuan, Li Zhi-sheng. The e-p Decomposition Method of Operational Energy Consumption for Central Air Conditioning Systems with Air Source Heat Pump Unit[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2016, 33(6): 53-56. DOI: 10.3969/j.issn.1007-7162.2016.06.009.

基金项目:

广东省自然科学基金资助项目(2016A030313711，S2012010009470)；广东工业大学2015年学生课外学术科技项目(yj201511845083)

作者简介:

王战兵(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为中央空调系统运行节能。

文章历史

收稿日期：2015-11-30
Contents              Abstract             Full text              Figures/Tables              PDF
以风冷热泵热水机组为热源的集中空调系统运行能耗的e-p分析法的建立
王战兵, 刘丽孺, 王璋元, 李志生    
广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006
收稿日期：2015-11-30
基金项目：广东省自然科学基金资助项目(2016A030313711，S2012010009470)；广东工业大学2015年学生课外学术科技项目(yj201511845083)
作者简介：王战兵(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为中央空调系统运行节能。
摘要: 为了从整个系统的角度分析以风冷热泵热水机组为热源的集中空调系统的运行能耗，借鉴工业领域能耗强度的概念，提出在满足热舒适度的前提下，为空调区域提供单位热量整个空调系统的能耗强度(Energy Intensity，EI)的概念.该概念将整个系统各环路的能耗全部包含了进来，又通过对EI的分解分析，建立了系统及其各环路能耗的e-p分析法，运用这种方法可将两种工况下系统各环路e和p的改变对系统能耗强度的影响进行定量分析.为了降低空调系统的能耗强度EI，有两种途径：一是减小系统各环路为输送单位流体流量所产生的耗功率e，二是减小为空调区域提供单位热量，各环路所输送的流量p.
关键词: 风冷热泵    集中空调系统    e-p分析法    能耗强度    节能    
The e-p Decomposition Method of Operational Energy Consumption for Central Air Conditioning Systems with Air Source Heat Pump Unit
Wang Zhan-bing, Liu Li-ru, Wang Zhang-yuan, Li Zhi-sheng    
School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: For analyzing from the point of the whole system the operational energy consumption of central air conditioning systems with air source heat pump unit, the global energy intensity index based on the thermal comfort of the conditioned space is put forward. It includes the energy consumption of all the system sub-loops. Through the decomposition of (Energy Intensity, EI), the e-p analysis method for the whole system and its sub-loops is built, which can easily analyze the change of the specific consumption (e) and delivered fluid ratios (p) on EI. It is indispensable to decrease the specific consumption (e) and delivere fluid ratios (p) of each sub-loop in order to decrease the EI of HVAC systems.
Key words: air source heat pump    central air conditioning system    the e-p decomposition method    global energy intensity    energy saving    

在我国的一些夏热冬冷及夏热冬暖地区，冬季设置集中空调系统的公共建筑中以空气-水热泵机组，即风冷热泵热水机组为热源的占了很大一部分比例[1]，主要原因是风冷热泵具有节能、环保、运行稳定等优点.据统计，若产生同样多的热量，风冷热泵机组的运行成本比电热设备、燃气设备分别节省83%和33%[2].

对风冷热泵集中空调系统的研究包括机组的地区适应性[3-4]及系统的应用分析[5-6]，系统运行能耗的研究多是对空调系统单体设备的有效控制和仿真模拟[7-8]以及空调子系统的能耗研究[9]，尚缺乏从一个完整空调系统整体角度上的研究.文献[10-11]从系统整体角度出发，首先建立了水冷冷水机组和风冷热泵机组的能流分析模型，分析了系统各环路能流对系统能耗的影响，提出了水冷冷水机组集中空调系统能耗的分解分析方法[12].由于室外条件及冷热源形式不同，风冷热泵热水机组集中空调系统在冬季运行的耗能情况与夏季水冷冷水机组集中空调系统的耗能情况存在较大差异，本文旨在建立一种风冷热泵热水机组集中空调系统能耗的e-p分析法，该方法也可应用于冬季工况其他类型的空调系统.

1 风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗组成

风冷热泵热水机组作为集中空调系统的热源，因其机组模块化设计，不需要单独设置机房而被广泛应用.风冷热泵热水机组在蒸发器侧从室外大气提取热量，通过热泵循环，在冷凝器侧将热量释放给热水输送系统，由热水泵将热水分配给各末端装置为空调房间提供热量.风冷热泵机组集中空调系统的能流链图如图 1[13]所示，按热量传递方向分别由热量提取环路、制冷剂环路、热水环路以及室内空气环路4个连续子环路组成，由蒸发器、冷凝器、换热盘管等热交换设备联系在一起.每个环路包含的风机、水泵、压缩机等设备的能耗构成了整个风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗.

图 1 以风冷热泵热水机组为热源的集中空调系统能流链图 Figure 1 Energy flow chain chart of central air conditioning system with air source heat pump unit
2 集中空调系统全局能耗指标及其分解 2.1 集中空调系统全局能耗指标EI

能耗强度(Energy Intensity，EI)，指能源消耗的一定度量，是能源用户根据提供单位服务而产生的能源消耗情况进行定义的，是用于衡量某工业生产过程、服务业等能源使用效率高低的一个重要指标.文献[14-15]通过分析工业生产中各流程的物流对整个产品生产过程能耗的影响，建立了工业领域能耗强度的分解分析方法.虽然流程工业提供的是工业产品，而集中空调系统提供的是热舒适服务，但二者的能耗强度都由各个连续子环路的能耗强度组成，可通过相同的方法分析物流或能流对能耗强度的影响.

借鉴流程工业能耗强度的概念，集中空调系统的能耗强度可以理解为在满足热舒适度的前提下，系统向空调区域提供单位服务所消耗的能源量.对风冷热泵热水机组集中空调系统，由系统末端向空调区域提供的热量来满足热舒适服务.由于热舒适服务无法准确度量，但在满足热舒适条件下，系统末端提供的热量等于空调区域的热负荷.因此，风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗强度可定义为空调系统的总能耗与空调区域的热负荷之比，见式(1).

$系统的能耗强度 = \frac{{系统的总能耗}}{{空调区域的热负荷}}.$ (1)
2.2 集中空调系统全局能耗指标EI的e-p分析法的建立

从图 1中可以看出，系统的总能耗可以通过系统各个环路能耗之和累加得到

${C_{{\rm{HVAC}}}} = \sum\limits_{i = 1}^4 {{C_i} = {C_{{\rm{AF}}}} + {C_{{\rm{HWP}}}} + {C_{{\rm{COM}}}} + {C_{{\rm{HF}}}}.} $ (2)

式(2) 中，CHVAC为集中空调系统的总能耗，kW；CAF为室内空气环路风机的耗功率，kW；CHWP为热水环路热水泵的耗功率，kW；CCOM为制冷剂环路压缩机的耗功率，kW；CHF为热量提取环路风机的耗功率，kW.

根据系统能耗强度指标EI的定义式(1) 有

$\begin{array}{l} {\rm{EI}} = \frac{{{C_{{\rm{HVAC}}}}}}{Q} = \frac{{{C_{{\rm{AF}}}} + {C_{{\rm{HWP}}}} + {C_{{\rm{COM}}}} + {C_{{\rm{HF}}}}}}{Q} = \\ \frac{{{C_{{\rm{AF}}}}}}{{{M_{{\rm{AF}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{AF}}}}}}{Q} + \frac{{{C_{{\rm{HWP}}}}}}{{{M_{{\rm{HWP}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{HWP}}}}}}{Q} + \frac{{{C_{{\rm{COM}}}}}}{{{M_{{\rm{COM}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{COM}}}}}}{Q} + \frac{{{C_{{\rm{HF}}}}}}{{{M_{{\rm{HF}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{HF}}}}}}{Q} = \\ \sum\limits_i {({e_i}{p_i})} . \end{array}$ (3)

式(3) 中，EI为风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗强度，kW/kW；Q为空调区域的热负荷，kW，在满足舒适条件下等于末端供热量，可实测得出；MAF、MHWP、MCOM、MHF分别为空气环路风机输送的风量、热水环路热水泵输送的热水量、制冷剂环路压缩机输送的制冷剂流量、热量提取环路风机输送的风量，m3/h.

对式(3) 中的ei和pi定义如下，ei指环路i为输送单位流体流量所产生的耗功率，kW/(m3/h)；pi指为空调区域提供单位热量，环路i所输送的流体流量，(m3/h)/kW.对于风机和水泵，输送流体分别为空气和水，ei和pi的定义式分别为

${e_i} = {C_i}/{M_i},$ (4)
${p_i} = {M_i}/Q.$ (5)

对于压缩机，制冷剂环路的输送流体为制冷剂，在现有条件下，制冷剂的流量很难被监测和计量.考虑到当热泵机组蒸发温度与冷凝温度保持恒定时，机组冷凝器的热负荷与制冷剂流量存在线性关系，可用冷凝器热负荷QLN代替制冷剂流量MCOM，则制冷剂环路的ei见式(6)，它表示冷凝器提供单位热负荷压缩机的耗功率，kW/kW.

${e_i} = \frac{{{C_{{\rm{COM}}}}}}{{{Q_{{\rm{LN}}}}}}.$ (6)

式(6) 中, QLN为冷凝器热负荷，kW，可通过测量冷凝器进出口水温和热水流量得到.对制冷剂环路的pi做相应替代，见式(7)，表示机组冷凝器热负荷与空调末端热负荷的比值，kW/kW.

${p_i} = {Q_{{\rm{LN}}}}/Q.$ (7)

通过上述分析，得到风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗强度

$\begin{array}{l} {\rm{EI}} = \frac{{{C_{{\rm{AF}}}}}}{{{M_{{\rm{AF}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{AF}}}}}}{Q} + \frac{{{C_{{\rm{HWP}}}}}}{{{M_{{\rm{HWP}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{HWP}}}}}}{Q} + \frac{{{C_{{\rm{COM}}}}}}{{{Q_{{\rm{LN}}}}}}\frac{{{Q_{{\rm{LN}}}}}}{Q} + \\ \frac{{{C_{{\rm{HF}}}}}}{{{M_{{\rm{HF}}}}}}\frac{{{M_{{\rm{HF}}}}}}{Q} = \sum\limits_i {({e_i}{p_i})} . \end{array}$ (8)

从式(8) 可知，在满足热舒适度的前提下，影响风冷热泵热水机组集中空调系统能耗强度EI的参数主要有两个，一个是各环路为输送单位流体流量所产生的耗功率ei，另一个是为空调区域提供单位热量，各环路所输送的流体流量pi.二者的变化对能耗强度EI的影响可由式(9) 得到

$\begin{array}{l} \Delta {\rm{EI}} = \sum\limits_i {({{e''}_i}{{p''}_i} - {{e'}_i}p{\prime _i})} = \sum\limits_i {(e''} {{p''}_i} - {{e'}_i}{{p''}_i} + \\ {{e'}_i}{{p''}_i} - {{e'}_i}p{\prime _i}) = \sum\limits_i {{{p''}_i}({{e''}_i} - {{e'}_i})} + \sum\limits_i {{{e'}_i}} ({{p''}_i} - p{\prime _i}). \end{array}$ (9)

式(9) 中，ΔEI为系统能耗强度的变化量，kW/kW；上标′、″分别表示e、p变化前和变化后的值.

上述风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗分析方法叫做风冷热泵机组集中空调系统运行能耗的e-p分析法.运用这种方法可将两种工况下系统各环路e和p的改变对系统能耗强度的影响进行定量分析.从式(9) 可以看出，为了降低空调系统的能耗强度EI，有两种途径：一是减小系统各环路为输送单位流体流量所产生的耗功率e，二是为空调区域提供单位热量，各环路所输送的流量p.

3 结论

(1) 通过借鉴流程工业中生产过程能耗强度的概念，定义了风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗强度EI，即在满足热舒适度的前提下，空调系统的总能耗与空调区域的热负荷之比.

(2) 建立了系统能耗的e-p分析法；为了降低风冷热泵热水机组集中空调系统的能耗强度EI，有两种途径：一是减小系统各环路为输送单位流体流量所产生的耗功率e，二是为空调区域提供单位热量，各环路所输送的流量p.

参考文献
[1] 马最良. 热泵技术助推我国绿色建筑的发展[J]. 制冷与空调, 2013, 13(10): 11-14.
MA Z L. Heat pump technologies improve the development of green buildings[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2013, 13(10): 11-14.
[2] 王建民. 基于北京地区的空气源热泵能耗分析及节能改造[D]. 天津: 天津大学机械工程学院, 2012. http://www.doc88.com/p-7836802928758.html
[3] 荆亚州. 典型地区典型建筑节能技术适应性分析及评价[D]. 北京: 北京建筑大学环境与能源工程学院, 2013.
[4] 张楠, 翁丽芬, 陈俊萍, 等. 不同热泵空调技术的对比[J]. 制冷空调与电力机械, 2010, 31(5): 12-15.
ZHANG N, WENG L F, CHEN J P, et al. A comparison of different kinds of heat pump technologies[J]. Refrigeration Air Conditioning and Electric Power Machinery, 2010, 31(5): 12-15.
[5] 韩星. 采用空气源热泵的办公建筑空调系统运行监测和节能分析[J]. 暖通空调, 2010, 40(6): 157-164.
HAN X. Operation test and energy efficiency analysis of air-source heat pump air conditioning system for office buildings[J]. HV & AC, 2010, 40(6): 157-164.
[6] 康彦青. 空气源热泵在西安地区的应用研究[D]. 西安: 长安大学环境科学与工程学院, 2010.
[7] 黄艳山. 空调水系统动态优化仿真研究[D]. 广州: 广州大学土木工程学院, 2012.
[8] 李学文. 空调系统动态能耗分析与仿真[D]. 武汉: 华中科技大学环境科学与工程学院, 2013.
[9] 杨昌智, 吴晓艳, 李闻菁, 等. 长沙市公共建筑空调系统能耗现状与节能潜力分析[J]. 暖通空调, 2005, 35(12): 39-44.
YANG C Z, WU X Y, LI W J, et al. Energy consumption status and energy saving potentials of air conditioning systems in public buildings of Changsha[J]. HV & AC, 2005, 35(12): 39-44. DOI: 10.3969/j.issn.1002-8501.2005.12.008.
[10] 刘丽孺, 吕崇花, 王晓霞. 水冷冷水机组中央空调系统的能流模型分析[J]. 广东工业大学学报, 2015, 32(1): 38-41.
LIU L R, LUY C H, WANG X X. Analysis of energy flow model of central air conditioning systems with water-cooled chiller[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2015, 32(1): 38-41.
[11] 吕崇花, 刘丽孺, 王晓霞. 制热模式下不同热源集中空调系统能流对比分析[J]. 广东工业大学学报, 2015, 32(3): 141-146.
LUY C H, LIU L R, WANG X X. The comparative analysis of energy flow on central air conditioning systems in heating mode with different heat source[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2015, 32(3): 141-146.
[12] LIU L R, GU J J, LIU J. Analysis of operational energy intensity for central air conditioning systems with water-cooled chiller by decomposition method[J]. Energy and Buildings, 2015, 93: 154-159. DOI: 10.1016/j.enbuild.2015.01.064.
[13] LOMBARD L P, ORTIZ J, MAESTRE I R. The map of energy flow in HVAC systems[J]. Applied Energy, 2011, 88(12): 5020-5031. DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.07.003.
[14] LIU L R, AYE L, LU Z W, et al. An Analysis of the overall energy intensity of alumina refinery process using unit process energy intensity and product ratio method[J]. Energy, 2006, 31(8-9): 1167-1176. DOI: 10.1016/j.energy.2005.04.013.
[15] LIU L R, AYE L, LU Z W, et al. Effect of material flows on energy intensity in process industries[J]. Energy, 2006, 31(12): 1534-1546.