制熱模式下不同熱源集中空調系統(tǒng)能流對比分析

呂崇花,劉麗孺,王曉霞

(廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

制熱模式下不同熱源集中空調系統(tǒng)能流對比分析

呂崇花,劉麗孺,王曉霞

(廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

在供熱區(qū)域熱舒適性及室內空氣品質滿足要求的前提條件下，通過分析從熱源提取熱量到最終釋放到供熱房間的整個環(huán)路的能流情況，分別建立了以空氣源熱泵熱水機組和燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)的整個環(huán)路的能流數(shù)學模型，并進行了對比分析.并以廣州某酒店冬季供熱系統(tǒng)為例，繪制了該系統(tǒng)在設計條件下，分別采用上述兩種不同熱源條件下完整的集中空調供熱系統(tǒng)的能流圖，直觀地表現(xiàn)了這兩種系統(tǒng)中各部分能流的大小和方向、能量平衡關系及能量損失以及它們之間的主要差別.識別出兩種系統(tǒng)中主要的能流，可以為空調熱源的優(yōu)選及所選系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供有用的信息.

空調供熱模式； 空氣源熱泵熱水機組； 熱水鍋爐； 能流數(shù)學模型； 熱源選擇； 節(jié)能降耗

隨著人們生活水平的提高，在我國的一些夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，冬季的采暖需求也越來越高.對設有集中空調系統(tǒng)的公共建筑，越來越多地采用同一套系統(tǒng)來實現(xiàn)冬季供熱.供熱的熱源可以是多種多樣的，其中以空氣源熱泵冷熱水機組和燃料燃燒的熱水鍋爐最廣泛、最具有代表性[1-2].空氣源熱泵熱水機組供熱系統(tǒng)是以消耗少量高品質能源(如電能)為代價，從較低的室外空氣中提取大量的低溫熱能，將其溫度升高后傳遞給水，然后將熱水“泵送”給用戶.燃料燃燒的熱水鍋爐是通過燃料燃燒產生熱能來加熱水，然后將熱水“泵送”給用戶.

不同熱源方案下空調供暖系統(tǒng)的能耗差別很大，有些學者主要以熱源為研究對象，對不同供熱方式的能耗進行了分析[3- 4]，一個集中空調供熱系統(tǒng)的能耗，不僅包括熱源的能耗，還包括輸送到末端的各個環(huán)路的能耗，應從整個環(huán)路來分析，找出節(jié)能的潛力.本文擬用能流分析的方法，對空氣源熱泵熱水機組和燃料燃燒熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)的整個環(huán)路的能流進行對比分析，可以為空調供熱系統(tǒng)的優(yōu)選及所選系統(tǒng)的節(jié)能提供有用的信息.

1 能流分析模型的建立

1.1 兩種不同熱源條件下完整的集中空調供熱系統(tǒng)的能流鏈圖

以空氣源熱泵熱水機組和燃料燃燒熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)，從熱源提取熱量到最終釋放到供熱房間的整個環(huán)路的能流情況[5- 6],如圖1和圖2所示.

圖1 以空氣源熱泵熱水機組為熱源集中空調供熱系統(tǒng)能流鏈

圖2 以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源集中空調供熱系統(tǒng)能流鏈

從圖1和圖2中可以看出，以空氣源熱泵熱水機組為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)供暖包含室內空氣環(huán)路、熱水環(huán)路、制冷劑環(huán)路和熱量提取環(huán)路4個連續(xù)的子環(huán)路.相比而言，以鍋爐燃料燃燒為熱源的集中空調系統(tǒng)只包含3個子環(huán)路，即室內空氣環(huán)路、熱水環(huán)路和燃料燃燒環(huán)路.每個子環(huán)路都由特定的換熱設備和耗能設備組成，前者各子環(huán)路之間以換熱設備如末端換熱盤管、冷凝器、蒸發(fā)器為能流聯(lián)系的橋梁，后者則以末端換熱盤管、鍋爐為能流聯(lián)系的橋梁，使得各空調供暖子系統(tǒng)的能流緊密聯(lián)系在一起.

1.2 能流分析數(shù)學模型的建立

本文分析的前提條件是各空調供暖區(qū)域的熱舒適性及室內空氣品質滿足要求，能流分析將按照能流鏈圖從左到右的順序依次進行.

1.2.1 以空氣源熱泵熱水機組為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)能流數(shù)學模型

對于室內空氣環(huán)路，為了滿足空調供熱區(qū)域的熱舒適性及室內空氣品質，末端的供熱盤管提供的熱量，要滿足室內一定的熱負荷和新風負荷以及熱風輸送過程中的傳熱損失，而送風風機的機械能所轉變的熱量可抵消換熱盤管一部分熱負荷.因此，對末端換熱盤管列能量平衡方程有

QPG+CFJ=Q+QXF+LSS，

(1)

其中,QPG，Q，QXF分別為換熱盤管的熱負荷、房間的熱負荷、新風負荷，kW；CFJ為送風風機的耗功率，kW；LSS為送風系統(tǒng)的熱損失，包括風管輸送熱風過程中通過風管保溫層散失到外界的熱量LSF和通過風管、門窗等不嚴密處所產生的泄漏熱損失LXL，kW.其中，風機的耗功率可直接測量出來或在設計條件下根據(jù)設備選型參數(shù)得到，其他幾個負荷量需要根據(jù)相應的風量和焓值間接計算出來，它們的計算式分別為Q=mSF(hSF-hN)；QXF=mXF(hN-hXF)；LSS=LSF+LXL；LSF=CmSFΔt；LXL=ΔmXL(hXF-hSF).式中,mSF、mXF、ΔmXL分別為送風量、新風量、通過風管和門窗等泄漏引起的風量凈泄露量，kg/s；hN、hSF、hXF分別為室內空氣、送風、新風焓值，kJ/kg；C為空氣的比熱容kJ/(kg·℃)；Δt為熱風輸送管道一定的溫升，℃.

對熱水環(huán)路，冷凝器熱負荷應滿足換熱盤管熱負荷和熱水輸送過程的傳熱損失，而輸送設備熱水泵的機械能所轉變的熱量可抵消冷凝器一部分熱負荷.因此，對冷凝器列能量平衡方程有

QLN+CRS=QPG+LRS，

(2)

其中，QLN為冷凝器的熱負荷，kW；CRS為熱水泵的耗電功率，kW；LRS為熱水輸送管道與外界的冷空氣的傳熱而增加的熱損失，kW.其中，熱水泵的耗電功率可以直接測量出來或在設計條件下根據(jù)設備選型參數(shù)得到，傳熱熱損失可由公式LRS=CMΔt計算出來(包括熱水輸送管道和熱水回水管道的傳熱損失)，C為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；M為熱水水流量，t/h；Δt為在熱水輸送過程中表現(xiàn)為冷凝器出水溫度與末端換熱盤管進水溫度的差值，在熱水回水過程中表現(xiàn)為末端換熱盤管出水溫度與冷凝器進水溫度的差值，℃.

同理，對制冷劑環(huán)路，對蒸發(fā)器列能量平衡方程有

QZF+CYS=QLN，

(3)

其中，QLN為蒸發(fā)器的冷負荷，kW；CYS為壓縮機的耗電功率，kW.

則最終需要從大氣中攝取的能量L，有

L+CZF=QZF，

(4)

其中，CZF為蒸發(fā)器風機的耗電功率，kW；L為應從大氣中攝取的總熱量，kW.

1.2.2 以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)能流數(shù)學模型

通過前面的能流鏈圖的對比分析可知，以燃料燃燒熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水機組系統(tǒng)相比，在滿足空調供熱區(qū)域的熱舒適性及室內空氣品質的前提條件下，室內空氣環(huán)路和熱水環(huán)路的能量平衡方程是相同的，如式(1)、(2)，不過此時式(2)中的冷凝器的熱負荷應為鍋爐熱負荷QGL，相應的公式變?yōu)?/p>

QGL+CRS=QPG+LRS，

(5)

其中，傳熱熱損失LRS計算與式(2)中的相同，只是此時Δt在熱水輸送過程中表現(xiàn)為鍋爐出水溫度與末端換熱盤管進水溫度的差值，在熱水回水時表現(xiàn)為末端換熱盤管出水溫度與鍋爐進水溫度的差值，℃.

對燃料燃燒環(huán)路，所消耗的燃料產生的熱量，既要滿足鍋爐的熱負荷，又要補償燃料的不完全燃燒以及通過煙氣等帶走的熱量損失.此外，鍋爐的鼓風機所消耗的機械能所轉變的熱量可抵消部分燃料燃燒熱量.因此，對燃料燃燒環(huán)路，列能量平衡方程有

QRL+CFZ=QGL+LRL，

(6)

其中，QRL為鍋爐燃料燃燒的產熱量，kW；CFZ為燃燒輔助設備的耗電功率，kW；LRL為燃料的不充分燃燒引起的熱損失，通過參考鍋爐燃料燃燒設計熱效率計算得到.

2 能流圖案例對比分析

能流圖(Sankey Diagram)是將能流可視化的一種數(shù)據(jù)分析方法，目前能流圖已廣泛應用于金融、材料成分、能源分析等[7-8]方面.

可見，對于一個實際工程，根據(jù)該空調系統(tǒng)供熱的相關設計參數(shù)即可得到式(1)～(6)中相應的物理量，就可以繪制出該工程兩種熱源條件下的集中空調系統(tǒng)設計工況能流圖，并通過能流對比分析，即可得到二者各能流的差異，可為該系統(tǒng)熱源的選擇，以及系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供可參考的依據(jù).

2.1 實際能流圖

下面將結合一具體的工程實例，來說明上述能流對比分析數(shù)學模型的具體應用.該工程位于廣州市，是一棟大型酒店，主要包括客房和行政辦公室；空調供熱總熱負荷為4 400 kW；空調供熱供回水溫度為60 ℃/50 ℃；冬季室外設計參數(shù)為5 ℃/70%，室內設計溫度為20 ℃/50%，設計新風量30 m3/(h·人)，空調供熱熱水系統(tǒng)為兩管制獨立系統(tǒng).兩種熱源條件下的空調系統(tǒng)供熱的主要設備設計參數(shù)見表1.

表1 兩種熱源條件下的集中空調供熱系統(tǒng)主要設備及其設備設計參數(shù)匯總

根據(jù)該工程的空調供熱各設計參數(shù)，從整體上探討兩種熱源條件下空調系統(tǒng)供熱的能流情況.根據(jù)相應的設計參數(shù)，并通過式(1)～(6)計算出兩種不同熱源系統(tǒng)供熱各個環(huán)路的能流值，并以空調采暖區(qū)域1kW熱負荷為基準進行折算，分別繪制了各自設計工況下的能流圖，如圖3和4所示.

圖3 以空氣源熱泵熱水機組為熱源集中空調供熱系統(tǒng)設計工況能流圖

圖4 以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)的設計工況能流圖

2.2 實際能流對比分析

兩種熱源條件下空調供熱系統(tǒng)的設計工況能流只在熱水制備環(huán)路上存在不同，其他環(huán)路的都相同.熱水制備環(huán)路，前者具體指制冷劑環(huán)路，后者具體指鍋爐燃料燃燒環(huán)路，從能流圖中的QRR(表示熱源部分的總能流)可以看出.以向空調供熱區(qū)域提供1 kW熱量為基準進行圖3和圖4的能流對比分析如下.

(1) 熱源部分能流對比分析.

從圖3和圖4中可以看出，在熱水制備環(huán)路上，兩種熱源條件下的空調系統(tǒng)都需要從外界提取熱量和存在輔助設備的耗電情況，前者是通過機組耗電從空氣中提取，后者通過鍋爐輔助設備耗電聯(lián)合燃料燃燒得到，而且后者存在燃燒熱損失.兩種熱源下的集中供熱系統(tǒng)熱源部分的總能流值分別為1.118 kW、1.268 kW.其中，前者包括通過空氣源熱泵熱水機組蒸發(fā)器從空氣中提取熱量0.868 kW，壓縮機耗電功率0.25 kW；后者包括熱水鍋爐的燃料燃燒總熱量1.226 kW，以及燃料燃燒熱損失0.15 kW.

(2) 主要能流對比分析.

兩種熱源條件下的其他環(huán)路能流情況都一樣，包括：新風負荷為0.40 kW，占熱負荷的40%，對空調系統(tǒng)供熱影響大；動力設備風機和水泵的能耗總和達0.23 kW，占23%，該部分能耗不容忽視；輸送過程中的各種損失之和為0.048 kW.

(3) 不同熱源集中空調供熱總能耗對比分析

以空氣源熱泵熱水機組為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)的總能耗(即將能流圖中的耗電功率C加起來)為0.48 kW，以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)的總能耗為0.272 kW，前者系統(tǒng)的總能耗遠遠大于后者.

2.3 節(jié)能措施探討

上述對兩種熱源條件下集中空調供熱系統(tǒng)的整體能流進行了對比分析.挖掘熱水制備環(huán)路各能流的差異，為熱源的優(yōu)選提供依據(jù)；針對其他能流環(huán)路，可就能流占主導部分提出有效節(jié)能措施.

2.3.1 熱源的選擇

(1) 兩種空調系統(tǒng)供熱設計工況下能源消耗的差異來源于熱源部分.從圖3和圖4中可以看出，兩種熱源條件下的能源消耗情況包括以熱量和耗電功率兩種形式，應將二者的能流均折算成同一條件下一次能源總消耗來進行比較.根據(jù)公式B1/B2=0.448COP[9](其中B1、B2分別指由熱水鍋爐供熱的燃料燃燒量和由電能驅動空氣源熱泵熱水機組的電廠燃料燃燒量，t/a)，經計算本案例中空氣源熱泵熱水機組COP設計值為4.47，可得B1=2B2，可知選擇空氣源熱泵熱水機組集中空調系統(tǒng)進行供熱可節(jié)省大量的能源，更具有經濟性.但空氣源熱泵熱水機組運行時，受氣候特性影響特別大，像華東華北等地區(qū)，環(huán)境溫度較低(≤5 ℃)，機組容易結霜，機組甚至停止運行[10].因此，實際工程應用中，一般將空氣源熱泵熱水機組與其他能源復合起來進行供熱，像電能、太陽能、地熱能、水源等，使得整個系統(tǒng)的性能得到大大的改善[11-13].

(2) 熱水制備環(huán)路中各部分能流的大小對熱源的選擇起重要作用.本案例中，二者總耗電功率分別為0.48 kW、0.272 kW，后者需要燃料燃燒熱1.226 kW，前者不存在；前者需要的耗電功率大于后者.因此，在相同條件下，若燃料充足而供電緊張，可選擇以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源；若電量充足，可選擇空氣源熱泵熱水機組為熱源，其中，供熱機組能耗占35%，占系統(tǒng)供熱總能耗(占熱負荷的48%)一半以上，實際工程中，應合理選擇機組型號以及控制機組的正常啟停與運行.

(3) 對環(huán)境質量要求高的地區(qū)應選擇以空氣源熱泵熱水機組為熱源進行空調系統(tǒng)供熱.本案例中，以燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的空調系統(tǒng)供熱存在燃料燃燒熱損失0.15 kW，會伴隨有害氣體的排放，對人類居住環(huán)境造成不良影響.若選擇鍋爐燃料燃燒進行供熱，應重視燃燒熱損失部分，讓燃料充分燃燒，減少有害氣體的排放.因此，對環(huán)境質量要求高的地區(qū)，應優(yōu)先考慮以空氣源熱泵熱水機組為熱源，并根據(jù)實際情況提出節(jié)能對策.

2.3.2 針對其他主要能流提出的節(jié)能措施

新風負荷、動力設備風機和水泵的耗電以及輸送過程中的各種損失對整個系統(tǒng)的能耗影響應加以重視.新風負荷的正負取決于室外新風焓值hXF與室內空氣焓值hN的相對大小，冬季工況下hXF

3 結語

(1) 分別建立了以空氣源熱泵熱水機組和燃料燃燒的熱水鍋爐為熱源的集中空調供熱系統(tǒng)整個環(huán)路的能流分析模型，并通過能流圖直觀的對比分析了兩種熱源條件下各部分能流的差異.

(2) 能流圖的對比分析法可以為空調供熱系統(tǒng)的優(yōu)選及所選系統(tǒng)的節(jié)能提供有用的信息，是空調系統(tǒng)設計選型及挖掘節(jié)能潛力的有效工具.

(3) 作為實例，用能流圖對比分析法分析了廣州某大型酒店空調系統(tǒng)供熱的能流情況，并重點對熱源的選擇及整個空調系統(tǒng)的節(jié)能提出了相應的建議.識別出影響整個空調系統(tǒng)能耗的主要因素是：新風負荷、供熱機組的能耗和輸配系統(tǒng)的能耗，并主要針對這幾個方面提出了相應的節(jié)能措施.

[1] 葉盛.空調冷熱源的選擇與評估[D].上海：同濟大學機械工程學院，2007.

[2] 王靖華, 汪波.空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬冷夏熱地區(qū)的應用探討[J].給水排水, 2007, 33(5) : 79-81.

Wang J H, Wang B.Application of air-source heat pump for hot water supplying system installed in area of temperature low in winter and high in summer[J].Water & Wastewater Engineering, 2007, 33(5) : 79-81.

[3] 胡俊生, 孟紅, 李真軍.幾種供熱熱源的特點與能耗分析[J].應用能源技術, 2010, 148(4) : 46- 49.

Hu J S, Meng H, Li Z J.Analysis on Features and Energy Consumption of Various heating source[J].Application of Energy Technology, 2010, 148(4) : 46- 49.

[4] 韓偉國, 江億, 郭非.多種供熱供暖方式的能耗分析[J]. 暖通空調, 2005, 35(11) : 106-110.

Han W G, Jiang Y, Guo F.Energy consumption analysis of several kinds of heating systems[J].HVAC, 2005, 35(11) : 106-110.

[5] Jonathan M Cullen, Julian M Allwood. The efficient use of energy : Tracing the global flow of energy from fuel to service[J]. Energy Policy , 2010, 38(1) : 75-81.

[6] Luis P L, Jose O, Ismael R M.The map of energy flow in HVAC systems[J].Applied Energy, 2011, 88(12) : 5020-5031.

[7] Mario S.The Sankey diagram in energy and material flow management Part I : History[J].Journal of Industrial Ecology, 2008, 12(2) : 173-185.

[8] Mario S.The Sankey diagram in energy and material flow management Part II : methodology and current applications[J].Journal of Industrial Ecology, 2008, 12(1) : 82-94.

[9] 車得福, 劉銀河.供熱鍋爐及其系統(tǒng)節(jié)能[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2008.

[10] 姚楊, 馬最良.空氣源熱泵冷熱水機組結霜工況研究現(xiàn)狀與進展[J].哈爾濱建筑大學學報, 2002, 35(5) : 66- 69.

Yao Y, Ma Z L.Frosting in winter for air source heat pump heat/chiller unit[J].Journal of Harbin University of C.E.& Architecture, 2002, 35(5) : 66- 69.

[11] 陳觀生, 李凡.水源熱泵型家用熱水器的實驗研究[J].廣東工業(yè)大學學報, 2002, 19(4) : 47- 49.

Chen G S, Li F.The experimental research of water Heat pump used as household water heater[J].Journal of Guangdong University of Technology, 2002, 19(4) : 47- 49.

[12] 俞喬力, 馬青春.空氣-太陽能-電能復合熱源熱泵型冷熱水機組[J].暖通空調, 2004, 34(12) : 99-102.

Yu Q L, Ma Q C.Heat pump type chilled and hot water unites with complex heat source of air, solar, and electrical energy[J].HVAC, 2004, 34(12) : 99-102.

[13] 卜其輝, 秦紅, 梁振南, 等.直膨式太陽能熱泵系統(tǒng)特性分析及優(yōu)化[J].廣東工業(yè)大學學報, 2010, 27(2) : 61- 64.

Bu Q H, Qin H, Liang Z N, et al. Characteristic analysis and optimization of direct-expansion solar-assisted heat pump system[J].Journal of Guangdong University of Technology, 2010, 27(2): 61- 64.

The Comparative Analysis of Energy Flow on Central Air Conditioning Systems in Heating Mode with Different Heat Sources

Lü Chong-hua, Liu Li-ru, Wang Xiao-xia

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

In order to meet the requirement of the heating thermal comfort and indoor air quality, the energy flow mathematical model for the central air conditioning system with air-source heat pump water chiller and fuel combustion boiler were established in sequence to finally determine global energy flow through analyzing the comparative energy flows of the consecutive loops which begin from extraction energy from the environment and provide it to the conditioning space. As a case study, the two energy flow diagrams of heating modes with different heat sources at a hotel in Guangzhou were drawn respectively, which can visualize each energy flow, energy balances, energy losses and their main differences. Recognizing the main energy flow of the two heat sources can provide useful messages for selection and energy saving of heating mode of conditioning system.

heating mode of air conditioning; air-source heat pump water chiller; heat water boiler; energy flow mathematical models; heat source selection; energy saving and lower consumption

2014- 03- 11

廣東省自然科學基金資助項目(S2012010009470)；國家留學基金資助項目(留金法[2013]5045)； 廣東工業(yè)大學2013年學生課外學術科技項目(S2012010009470)

呂崇花(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向為中央空調系統(tǒng)運行節(jié)能.

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.027

TU831

A

1007-7162(2015)03- 0141- 06