彭旭東，許 靜，邱澤晶，尹環(huán)英

(國(guó)家電氣設(shè)備檢測(cè)與工程能效測(cè)評(píng)中心(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

中國(guó)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正帶來(lái)環(huán)境劇烈惡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。能源短缺目前已成為中國(guó)最嚴(yán)重的問(wèn)題［1］。為了解決這些問(wèn)題，政府出臺(tái)了一系列政策鼓勵(lì)和支持節(jié)能環(huán)保技術(shù)的研究和推廣。在諸多節(jié)能技術(shù)中，熱泵技術(shù)作為一種新能源技術(shù)，以其能源效率高、環(huán)境友好性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速的發(fā)展［2］，已經(jīng)在多個(gè)省市，多種類(lèi)型的工程中得到了應(yīng)用［3－4］。在節(jié)能技改項(xiàng)目中，熱泵系統(tǒng)也因?yàn)槟茉闯杀拘　⑦\(yùn)行效果好而被節(jié)能服務(wù)公司和用能單位廣泛采用，大量的企業(yè)、酒店、賓館等采用熱泵系統(tǒng)代替燃煤(油)鍋爐實(shí)行節(jié)能技術(shù)改造。

雖然熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，但針對(duì)熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)評(píng)方法卻不多。國(guó)外的很多關(guān)于熱泵的運(yùn)行效率研究都集中于對(duì)多功能熱泵機(jī)組不同運(yùn)行模式下的標(biāo)準(zhǔn)研究［5］。國(guó)內(nèi)對(duì)熱泵系統(tǒng)的研究主要針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的性能、熱泵產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究［6－8］。文獻(xiàn)［9］中對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)開(kāi)展了全年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了能效分析。文獻(xiàn)［10］分析了水源熱泵系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)［11］中對(duì)多功能熱泵機(jī)組進(jìn)行了能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，給出了機(jī)組全年運(yùn)行的能效評(píng)定指標(biāo)APF的計(jì)算依據(jù)。

本文圍繞熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)評(píng)方法進(jìn)行了研究和分析，研究了從理論上測(cè)試熱泵系統(tǒng)效率的方法，分析了該測(cè)試方法在實(shí)際節(jié)能技改工程中應(yīng)用的局限性，并結(jié)合具體的工程項(xiàng)目，給出了熱泵系統(tǒng)代替鍋爐類(lèi)項(xiàng)目的節(jié)能量估算方法。

1 熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)試

熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)試，主要是通過(guò)測(cè)試熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱功率與額定輸入功率之比計(jì)算熱泵系統(tǒng)的能效比［12］。為了達(dá)到能效測(cè)評(píng)的目的，可按照?qǐng)D1所示的原理進(jìn)行測(cè)試。

圖1 熱泵機(jī)組測(cè)試原理圖

1.1 測(cè)試條件

熱泵系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)在工程竣工驗(yàn)收合格、投入正常使用后進(jìn)行。

熱泵系統(tǒng)制熱性能的測(cè)試應(yīng)在典型制熱季進(jìn)行，制冷性能的測(cè)試應(yīng)在典型制冷季進(jìn)行。對(duì)于冬、夏季均使用的地源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)分別對(duì)其制熱、制冷性能進(jìn)行測(cè)試。

熱泵機(jī)組制熱/制冷性能系數(shù)的測(cè)試工況應(yīng)盡量接近機(jī)組的額定工況，機(jī)組的負(fù)荷率宜達(dá)到機(jī)組額定值的80%以上;系統(tǒng)能效比的測(cè)試工況應(yīng)盡量接近系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況，系統(tǒng)的最大負(fù)荷率宜達(dá)到設(shè)計(jì)值的60%以上;室內(nèi)溫濕度檢測(cè)應(yīng)在建筑物達(dá)到熱穩(wěn)定后進(jìn)行。

應(yīng)同時(shí)對(duì)測(cè)試期間的室外溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄測(cè)試期間室外溫度的變化情況。

1.2 測(cè)試設(shè)備

熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)試主要圍繞COP進(jìn)行。主要的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試設(shè)備包括:

(1)水溫度測(cè)試儀

采用溫度計(jì)/電阻溫度計(jì)、熱電偶加電位差計(jì)，準(zhǔn)確度不低于±0.2℃。

(2)水流量測(cè)試儀

超聲波流量計(jì)，準(zhǔn)確度不低于測(cè)量值的±5%。

(3)溫濕度測(cè)試儀

各類(lèi)空氣溫度計(jì)，準(zhǔn)確度不低于±0.5℃;空氣濕度計(jì)，準(zhǔn)確度不低于±10%。

(4)功率

采用功率表、電力分析或電流電壓表，準(zhǔn)確度不低于測(cè)量值的±5%。

1.3 測(cè)試方法

圍繞熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試步驟分為:

(1)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的測(cè)試

測(cè)試參數(shù):室內(nèi)外溫濕度。

測(cè)試方法:根據(jù)建筑的平面布置情況，選取部分典型區(qū)域和房間，在典型區(qū)域和室外分別布置溫濕度測(cè)量?jī)x表，對(duì)測(cè)試期間室內(nèi)外溫濕度的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

測(cè)試周期:測(cè)試時(shí)間室內(nèi)溫、濕度檢測(cè)應(yīng)在建筑物達(dá)到熱穩(wěn)定后進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間為6 h。

(2)熱泵機(jī)組的性能測(cè)試

熱泵機(jī)組制熱/制冷性能系數(shù)是指熱泵機(jī)組的制冷/制熱量與輸入功率之比。

測(cè)試參數(shù):

熱泵機(jī)組用戶(hù)側(cè)的進(jìn)出口水溫、流量;

熱泵機(jī)組熱源側(cè)的進(jìn)出口水溫、流量;

機(jī)組輸入功率。

測(cè)試方法:參照GB/T 19409－2003《水源熱泵機(jī)組》［13］中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試周期:機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定后進(jìn)行，測(cè)試周期為1 h。

(3)熱泵系統(tǒng)的性能測(cè)試

典型季節(jié)系統(tǒng)能效比是指地源熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱量與系統(tǒng)輸入功率之比，這里的系統(tǒng)輸入功率主要是指熱泵機(jī)組以及與熱泵系統(tǒng)相關(guān)的所有水泵的輸入功率之和(不包括用戶(hù)末端設(shè)備)。

測(cè)試參數(shù):

系統(tǒng)熱源側(cè)進(jìn)出口水溫、流量;

系統(tǒng)用戶(hù)側(cè)進(jìn)出口水溫、流量;

熱泵機(jī)組消耗的電量;

水泵消耗的電量。

測(cè)試時(shí)間:熱泵系統(tǒng)的檢測(cè)應(yīng)在系統(tǒng)運(yùn)行正常后進(jìn)行，測(cè)試周期為2－3天。

上述理論方法為熱泵系統(tǒng)的性能測(cè)試提供了依據(jù)，包括測(cè)試儀器、測(cè)試參數(shù)、測(cè)試條件等，也為熱泵系統(tǒng)節(jié)能量計(jì)算提供了理論參考。在熱泵系統(tǒng)的節(jié)能技改中，原則上也需要按照上述理論方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行理論測(cè)量和精確計(jì)算。然而，在實(shí)際的能源審計(jì)及節(jié)能量審核現(xiàn)場(chǎng)中，受場(chǎng)地、環(huán)境、時(shí)間等各項(xiàng)因素的限制，難以按照實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試?yán)碚撨M(jìn)行熱泵系統(tǒng)的測(cè)試，但是，結(jié)合上述測(cè)試原理，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算，得到熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量。如熱泵機(jī)組用戶(hù)側(cè)的水量，可以根據(jù)酒店運(yùn)行的實(shí)際用水量進(jìn)行估算，而出水口的水溫，也可以通過(guò)洗浴適宜的水溫進(jìn)行測(cè)算。因此，根據(jù)熱泵機(jī)組性能測(cè)試的原理，可以得出適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)能量計(jì)算方法。

2 空氣源熱泵節(jié)能量計(jì)算實(shí)例

熱泵系統(tǒng)作為重要的節(jié)能項(xiàng)目，目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的、可操作性強(qiáng)的節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證方法，因此，研究和確定一套熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量計(jì)算方法非常有必要?？蔀槠髽I(yè)的節(jié)能技改及能源審計(jì)、合同能源管理等項(xiàng)目提供計(jì)算方法和數(shù)據(jù)參考。本論文以空氣源熱泵機(jī)組為例，闡述一種可行的空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量計(jì)算方法。該方法已經(jīng)用到了節(jié)能量審核的計(jì)算中，且得到了數(shù)據(jù)驗(yàn)證，是一種可供參考的方法。

實(shí)例:某連鎖酒店的四個(gè)分店(以分店1、分店2、分店3、分店4代替)以空氣源熱泵機(jī)組代替原有的燃油鍋爐(以柴油為熱源)，為酒店提供洗浴熱水。各分店的客房數(shù)如下:

表1 各分店的客房數(shù)

由于改造前的燃油鍋爐及改造后的空氣源熱泵機(jī)組都只為酒店提供洗浴熱水。因此本項(xiàng)目的節(jié)能量計(jì)算可以采用能量平衡的方法進(jìn)行［14］。根據(jù)能量平衡原理，改造前后能源消耗的熱量與能源轉(zhuǎn)換效率的乘積等于酒店提供的熱水的熱量。

式中 Q1——能源消耗所提供的熱量/J;

η——能源轉(zhuǎn)換過(guò)程的熱效率;

Q2——酒店洗浴所需熱水的熱量/J。

因此，項(xiàng)目改造前后能耗量均可按上述能量平衡公式進(jìn)行。則改造前所耗能源折標(biāo)煤Eb與改造后所耗能源折標(biāo)煤Ej的計(jì)算公式分別為

式中 Nmax——酒店的最大容客量/人;

δ——酒店的入住率;

P——酒店每人每天的最大給水量/L;

ρ——水的密度/kg·L－1;

c——水的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

ΔT——酒店需要加熱水的溫度/℃;

θ1——柴油的折標(biāo)煤系數(shù)/tce·t－1;

d——酒店熱系統(tǒng)的年運(yùn)行天數(shù)/天;

μ——熱工當(dāng)量;

β——蒸汽的熱量傳遞給熱水加熱過(guò)程的熱損失率;

η——燃油鍋爐的熱效率;

L——柴油的低位發(fā)熱量/kJ·kg－1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出改造前各個(gè)分店年耗柴油折標(biāo)煤情況，見(jiàn)表2。

表2 節(jié)能改造前能耗計(jì)算表

改造后耗電折標(biāo)煤Ej的計(jì)算公式為

式中 COP——熱泵機(jī)組的能效比;

θ2——熱量折電系數(shù)/kWh·kJ－1;

γ——電的折標(biāo)煤系數(shù)，單位:tce/萬(wàn) kWh。

得出節(jié)能改造后能耗計(jì)算如表3。

表3 節(jié)能改造后能耗計(jì)算表

因此，項(xiàng)目改造的節(jié)能量為

其中，Eb=930 tce，Ej=309 tce。則 ΔE=Eb－Ej=930 tce－309 tce=621 tce。

據(jù)酒店實(shí)際能耗運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出酒店改造實(shí)際運(yùn)行的節(jié)能量與采用上述方法計(jì)算的節(jié)能量相近?？梢?jiàn)，該方法計(jì)算熱泵系統(tǒng)節(jié)能量是一種行之有效的計(jì)算方法，可供類(lèi)似項(xiàng)目節(jié)能量計(jì)算參考。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提供了一種熱泵系統(tǒng)的能效測(cè)評(píng)方法，包括理論測(cè)試方法和適用于工程現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)能量估算方法。同時(shí)以空氣源熱泵系統(tǒng)替代燃油鍋爐為例，給出了該方法的實(shí)際案例分析。實(shí)際證明，該方法合理有效，可供能源審計(jì)、合同能源管理以及節(jié)能技改中，熱泵系統(tǒng)節(jié)能量估算。

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