熱泵供暖機(jī)組的優(yōu)化配置

文_李軍 北京節(jié)能環(huán)保中心

熱泵作為一種消耗部分高位能，使熱量從低溫?zé)嵩戳飨蚋邷責(zé)嵩吹难b置，可以把不能直接利用的低位熱能轉(zhuǎn)換為可以利用的較高品位熱能，達(dá)到節(jié)約部分高位熱能的目的。熱泵因其具有清潔、高效、節(jié)能、環(huán)保、可再生等特點(diǎn)，成為一種替代燃煤供暖的重要技術(shù)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中，有些用戶發(fā)現(xiàn)熱泵的節(jié)能效果并非如宣傳那樣突出，甚至有的用戶得出熱泵根本就不節(jié)能的結(jié)論。

影響熱泵節(jié)能效果的因素有很多，但其中建筑負(fù)荷指標(biāo)大、機(jī)組容量大、機(jī)組容量搭配不當(dāng)，系統(tǒng)適應(yīng)負(fù)荷變化的能力差等原因，是影響熱泵節(jié)能效果的一個(gè)重要因素。

1 安裝負(fù)荷與供暖熱負(fù)荷的關(guān)系

熱泵供暖設(shè)備容量配置的依據(jù)是采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，即在采暖室外計(jì)算溫度條件下，為保持室內(nèi)計(jì)算溫度，單位時(shí)間需要由熱泵提供給建筑的熱量，是確定供熱設(shè)備容量的重要指標(biāo)。采暖室外計(jì)算溫度是將統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的歷年日平均溫度進(jìn)行升序排列，按歷年平均不保證5天時(shí)間的原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選計(jì)算得到的?？梢哉f，在整個(gè)采暖季，除了這5天之外，采暖設(shè)備的容量均可滿足建筑對(duì)熱負(fù)荷的需求。

而建筑實(shí)際的供暖熱負(fù)荷隨著室外溫度的變化不斷變化，絕大多數(shù)時(shí)間，熱泵系統(tǒng)工作在部分設(shè)計(jì)負(fù)荷狀態(tài)下。《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）規(guī)定：“集中空調(diào)系統(tǒng)的冷水（熱泵）機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)制冷量（制熱量）選擇，應(yīng)能適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷全年變化規(guī)律，滿足季節(jié)及部分負(fù)荷要求?！?/p>

供暖熱負(fù)荷的大小主要取決于當(dāng)?shù)氐氖彝鉁囟龋c室內(nèi)、外溫差成正比關(guān)系，即：

式中：Qn－室外溫度tw時(shí)的供暖熱負(fù)荷；tn－供暖室內(nèi)計(jì)算溫度；供暖室外計(jì)算溫度；－供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。

對(duì)北京市典型氣象年氣象資料的整理分析，得出北京地區(qū)建筑不同室外溫度下的負(fù)荷率與延續(xù)時(shí)間，見表1。

可見，供暖設(shè)備配備容量絕大多數(shù)時(shí)間大于建筑實(shí)際需求，供暖設(shè)備根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供熱量對(duì)節(jié)能降耗就顯得尤為重要。

2 不同容量機(jī)組搭配能耗分析

GB50736-2012規(guī)定，集中空調(diào)系統(tǒng)的冷水（熱泵）機(jī)組不宜少于兩臺(tái)。實(shí)際工程中，通常選用2～3臺(tái)熱泵機(jī)組，機(jī)組類型、容量一般均不超過2種。

當(dāng)選用多臺(tái)機(jī)組時(shí)，涉及到兩方面的問題：一方面各機(jī)組容量的大小，即各機(jī)組承擔(dān)建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的比例為多少；另一方面涉及機(jī)組的運(yùn)行策略，即當(dāng)有兩臺(tái)以上機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，有兩種運(yùn)行方式:一是各機(jī)組平均承擔(dān)建筑負(fù)荷；二是部分機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，部分機(jī)組按需運(yùn)行。通常情況下，以第一種策略運(yùn)行較為節(jié)能，這也是本文分析的運(yùn)行方式。

表1 北京地區(qū)不同溫度下的負(fù)荷率與延續(xù)時(shí)間

2～3臺(tái)機(jī)組的容量搭配方案有8種，見表2。

表2

表2中各種方案供暖季熱泵機(jī)組總能耗按下式計(jì)算：

式中:Qn－某一室外溫度下的建筑熱負(fù)荷；xi－某臺(tái)機(jī)組負(fù)擔(dān)建筑負(fù)荷百分比；COPi－機(jī)組該工況下的性能系數(shù)；Ti－溫度累計(jì)小時(shí)數(shù)；N－同時(shí)運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)；M－整個(gè)供暖季不同負(fù)荷率的時(shí)段數(shù)。

可以看出，上式的計(jì)算結(jié)果由熱泵機(jī)組不同負(fù)荷率下的COPi值決定。而COPi受機(jī)組蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、水流量和負(fù)荷率等多種因素的影響。一般情況下，機(jī)組COPi都隨著負(fù)荷降低先增加然后減小，80%負(fù)荷時(shí)機(jī)組COPi最高，50%負(fù)荷以下時(shí)，機(jī)組性能會(huì)大幅降低。相同 類型不同容量機(jī)組在相同負(fù)荷率時(shí)的COPi值會(huì)有所不同，為計(jì)算方便，本文假定它們的COPi值相等。

在北京市典型氣象年條件下，經(jīng)計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組不同容量搭配時(shí)能耗排序如表3。其中，方案1能耗最大，方案3能耗最小。

表3

3臺(tái)機(jī)組不同容量搭配時(shí)能耗排序如表4,可以看出，方案6能耗最大，方案5、8能耗相等且最小。

表4

2臺(tái)機(jī)組能耗均大于3臺(tái)機(jī)組的能耗，其中2臺(tái)相同容量機(jī)組（即方案1）的能耗最大，2臺(tái)機(jī)組容量各為設(shè)計(jì)容量30%、70%的組合方式最節(jié)能。3臺(tái)機(jī)組組合方式中，方案5、8的能耗相同，且能耗最小。但相較方案5，方案8更具優(yōu)勢(shì)，該方案配置兩臺(tái)容量相同，且容量較大的機(jī)組，可以間歇運(yùn)行，利于低溫?zé)嵩礈囟葓?chǎng)的恢復(fù)，有利于機(jī)組性能系數(shù)的提高。

3 結(jié)語

通過北京地區(qū)不同容量熱泵機(jī)組搭配組合能耗分析發(fā)現(xiàn)：3臺(tái)機(jī)組能耗小于2臺(tái)機(jī)組，2臺(tái)機(jī)組以70%、30%負(fù)荷比組合能耗最?。?臺(tái)機(jī)組以40%、40%、20%負(fù)荷比組合最具優(yōu)勢(shì)。

部分負(fù)荷工況下機(jī)組COP值對(duì)采暖季機(jī)組能耗影響較大，只有提供機(jī)組不同負(fù)荷率下的準(zhǔn)確COP值，才能得出正確的分析結(jié)果。

機(jī)組容量搭配是設(shè)計(jì)階段的任務(wù)，而不同室外溫度、不同負(fù)荷下系統(tǒng)的運(yùn)行策略涉及到系統(tǒng)的運(yùn)行管理，需要有不同負(fù)荷下系統(tǒng)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的控制策略，在保障機(jī)組安全、供熱效果的前提下，實(shí)現(xiàn)按需供能，將能耗降到最低。

本文計(jì)算并未涉及循環(huán)水泵的能耗。事實(shí)上，當(dāng)機(jī)組容量搭配得當(dāng)，每臺(tái)熱泵主機(jī)均能工作在高效率時(shí)，與之配套的循環(huán)水泵也可工作在高效區(qū)，避免了大馬拉小車情況，有利于系統(tǒng)輸送能耗的降低。這種情況下，可省去變頻設(shè)備，降低初投資。

對(duì)于既供熱又制冷的熱泵系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)全年逐時(shí)負(fù)荷及延續(xù)時(shí)間，計(jì)算機(jī)組容量搭配的最佳方案，同時(shí)還需綜合考慮設(shè)備的初投資,統(tǒng)籌考慮合理安排。