基于设计热负荷的空气源热泵变水温运行能效评估方法
【慧聪热泵网讯】摘要:近年来,空气源热泵水系统采暖技术得到很大的发展,市场也表现出巨大的需求,相比于水地源热泵系统,空气源热泵的特点是:热源侧温度不稳定,但热源的获取更加简单方便,安装维护也更加简单.变水温运行技术是提高空气源热泵水系统采暖能效比的重要方法,本文首先综述了我国空气源热泵相关产品相关名称、标准、测试方法,及存在的不足，从空气源热泵产品特点及建筑采暖水系统应用特点出发,介绍了欧洲使用的变水温运行的空气源热泵水系统产品综合能效评估方法,这种方法能够使得产品的实验室测试能效,最大限度接近产品的实际系统运行能效，对产品的设计、制造及系统应用起到有效的指导作用.
近年来,相比于水地源热泵产品,安装维护也更加简单.随着技术的进步和发展,从空气中取热的热泵产品主要分为以下几个方向:
1）提供生活热水的空气源热泵即空气能热水器，也叫空气源热泵热水机(器)，针对这类产品,目前已出台的标准有:GBT23137-2008<<家用和类似用途热泵热水器>>,GBT21362-2008<<商业或工业用及类似用途的热泵热水机>>,在这两个标准中,都明确了产品能效的测试方法.
2）用于工业烘干的空气源热泵烘干机,目前暂无相关标准发布,市场活动中有时套用上述工业用热泵热水机标准GBT21362-2008,但由于烘干和热水是2个不同的应用过程,因此热水机的能效评估标准是不适合烘干机的.但这不是本文需要论述的内容.
3）用于建筑采暖的空气源热泵水暖机组,也称为空气能水暖机组,这一类产品标准有:
GBT18430.1-2007<<蒸气压缩循环冷水(热泵)机组第1部分工业或商业及类似用途的冷水(热泵)机组>>;
GBT18430.2-2008<<蒸气压缩循环冷水(热泵)机组第2部分户用及类似用途的冷水(热泵)机组>>;
GBT25127.1-2010<<低环境温度空气源热泵(冷水)机组第1部分工业或商业及类似用途的热泵(冷水)机组>>;
GBT25127.2-2010<<低环境温度空气源热泵(冷水)机组第2部分户用及类似用途的热泵(冷水)机组>>;
在GBT18430和GBT25127中,在制热性能这一部分,评估产品能效比时,均使用了IPLV(综合部分负荷能效比)这一计算方法,相比于之前定负荷的评估方法,有了很大的进步,但也存在3点不足:
1)空气源热泵制热过程中,由于结霜的影响,即使在环温和水温不变的情况下,机组一直工作在非稳态工况,其制热功率是一直变化的,特别是在融霜前后这一段时间,因此我们不能象用测试制冷性能一样,用稳态的方法来计算其制热能力及能效比,而应将融霜过程一起包入,采用积分的方法计算其制热量和制热能力;
2)能效比中未计入水泵的功耗,在空气源热泵水系统采暖机组中,水泵的功耗对于系统能效的影响是很大的,水泵功耗未被纳入能效计算中,一方面导置消费者感受到的产品实际使用能效和产品测试能效存在巨大差距,同时也令到产品设计和制造者未能在热交换效率和水阻力之间得到最佳平衡,使得产品的设计在水-氟换热器这一关键环节失去合理的指导原则.
3)由于空气源热泵水暖机组采暖系统中,供水温度对于热泵的效率有着决定性的影响,而热泵的效率决定着整个供热系统的效率,初步估计,水温每升高1度,效率衰减2~4%,因此在热源和室内散热器的系统设计方案上,在满足需求条件下,力求降低供水温度.在一套业已完成的供热系统中,通常有2中调节室内温度的方案,第一种是流量调节法包括用水阀来对进入室内换热器的流量进行通/断控制,第二种则是供水温度调节法.对于燃烧类热源,其效率和供水温度的关联度不大,采用二种调节方法的运行能效比差别不大,但对于空气源热泵水系统采暖,则应尽可能实现变水温运行,通过调节供水温度而不是控制流量通断的办法,可以最大限度提高系统运行能效!
4)我国产品的标定效率,无论是额定工况下的COP,还是IPLV(H),是从产品为出发点的测试数据,而应用中,我们从用用户角度出发,要考虑用户额定负载,最大负载及应用的多种因素如辅助电加热,因此,常常出现产品标准不足,要再以”技术导则”来补充的情况,应用中带来诸多不便;
上述提到的4)点不足,本文对第1)第2点)不细阐述,仅从以下几个方面阐述变温度供热系统的能效评估方法及其意义:
一.空气源热泵水系统采暖的变水温能效评估模型及基本概念.
如上图,这一模型将空气源热泵机组能力曲线和建物负载曲线,放在室外环境温度这一坐标下对比,以负载设计温度Tdesign和设计负荷Pdesign为基准,来测试机组的综合能效比Scop,允许在低环温的情况下(低于Tbivelent),当机组满负荷能力仍不能满足负载需求时启动电加热,并将这部分电加热功耗计入总消耗中.由于低环境温度占整个季节的比例小,启动电加热需增加了功率消耗,但可以用更小的机组来满足我们的需求,降低了我们在设备上的初投资,这样的一个模型,和我们实际使用中,追求最少初投资和最低运行费用的一个平衡的原则是相符的!
设计环境温度Tdesign根据气候条件决定,可以按照暖通设计规范来确定,综合历年的气侯条件可以得到当地各类环温包括最低环境温度ToL的小时数,如下表:
表1:某地区采暖季室外环境温度统计表
部分负荷供水温度(Taw…Tew)由设计环温下的供水温度Todesign按部分负荷比计算而得,计算如下:
Taw=Trw+(Todesign-Trw)*(12-16)/(Tdesign-16);
其中,
12--为A工况下的室外环境温度,16--为零负荷下的室外环境温度;
(12-16)/(Tdesign-16)为A工况下的部分负荷比;
Trw—为不同散热方式的基准计算水温;
在欧洲的能效标准中,将Todesign按照不同的散热器方式,分为,35/45/55/65--共四种设计温度,按气候类型,设计环境温度Tdesignf分为+2℃(暖),-10℃(中),-22℃(冷)三种情况,下表列出对应-10℃设计环温,35℃/45℃供水情况下的部分负荷供水温度以供参考:
二.空气源热泵水系统采暖的变水温能效计算方法.
依上述基本模型,按当地气侯条件,确定Tdesign(设计环温),Todesign(设计供水温度)后,机组变水温运行的全季节综合能效比Scop的计算步骤如下:
1)依机组性能,确定无需开电加热时的Tbivelent和Pbivelevt,Pbivelent是指室外环境温度在Tbivelent,不依靠电加热机组所能提供的制热能力);
2)按Tbivelent和Pbivelent,按部分负荷能力比,计算设计负荷Pdesign;
3)测试各工况点:A,B,C,D,E,F(Tbivelent),Tdesign,TOL,下机组的能力(含电加热)及COP,能力的计算用积分法计算至少2个完整的除霜周期,机组换热器水组力折算成电功耗计入总消耗功率中,在Tbivelent以下的区域所消耗的电加热功率也计入总消耗功率中;
4)依各测试工况点的能力和能效比,按当地室外温度统计表,计算出整个采暖季综合能效比Scop;
5)在机组能力大于室内负荷时（即环温高于Tbivelent时），对于不能调节负载的ON/OFF机组,要计入机组启停所带来的能效衰减,对于可自动调节负荷的变容量机组,则不计启停所带来的影响.
下表为一台机组的Scop计算结果.
三.空气源热泵水系统采暖变水温能效评估的核心及意义.
对空气源热泵水系统采暖,采用上述变水温运行能效评估计算,在欧洲已经得到推广,并将其作为产品性能标定的标准方法,它改变了按照机组设计工况来评估能效的传统做法,将机组置于建筑采暖设计工况和全气侯条件下进行评估.
其核心要点,在于:从用户环境及需求出发,提出对产品的能力和SCOP的测试与标定方法,以Pdesign—设计负荷作为产品的能力标定数据,以Tdesigm-设计环境温度的作为产品额定环境温度数据,需要特别留意的是,Pdesign并不是空气源热泵产品本身在Tdesign下的能力,而是等于热泵的能力+电加热的能力,是指这台热泵可以满足的建筑物的设计负载,SCOP也是在满足这个建筑物全年采暖综合COP,这样的评定方法,使得用户非常直观方便的从产品参数上判断是否合适于自己及相应大致的能耗费用;
即:Pdesign=热泵在Tdesigm下的能力+辅助电加热的能力;
因为启用附助电加热会降低系统运行的综合能效比Scop,所以为了得到高的能效比,我们可以让Tdesig=Tbivelent,即在设计温度Tdesign下,不启动电加热即Pdesign=热泵在Tdesigm下的能力,这样,热泵的能力Pdesign就必须标小,同一台热泵在能力Pdesign和SCOP之间有个平衡,这和我们的使用经验是相符的:同一台热泵,带更大的房子,SCOP会略低,但投资也省了;带小的房子,SCOP高但投资贵了.
其结果对于用户来说,更加直观,更加方便;举个例子来说,一个用户有套100平米的房子,当地采暖室外设计温度是-10℃,在这个工况下他需要5KW的制热量,他就可以依据市场上Tdesign=-10℃,Pdesign>=5KW这2个条件,在机组的SCOP和价格之间做个平衡从而作出最佳选择,而这个SCOP是和其全年运行实际COP接近的.也就是说,采用这个方法,标定的产品数据,更加接近用户真实体验到的效果.
由于空气源热泵水系统采暖,其运行能效和供水温度密切相关,在整个采暖控制系统的设计,及用户操作使用上,都应该尽可能鼓励其实施变水温运行,以充分发挥空气源热泵机组最大的节能效果!同时也能推动设备设计和制造者,能按照这一原则优化设计,生产出更加高效节能的产品.
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