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        多能源互補建筑節(jié)能設(shè)計的工程實例及節(jié)能分析

        2017-03-27 01:54:33王志星唐易達王振宇西南科技大學四川綿陽621010
        綠色建筑 2017年5期
        關(guān)鍵詞:源熱泵熱泵熱水

        王志星,唐易達,王振宇(西南科技大學,四川 綿陽 621010)

        本工程位于四川省綿陽市西南科技大學西 102 辦公樓。多品位能源應用的建筑面積為 1 200 m2,分別為位于地面二樓的計算機機房(CAAD 工作站),地下負一層的資料室。計算機機房作為教學制圖等用途,室內(nèi)面積約為 600 m2,冷負荷為 67.2 kW,熱負荷為 33.6 kW,濕負荷為3.27 kg/h。資料室位于負一層,室內(nèi)面積約為 600 m2,冷負荷較小,僅為 30.2 kW,熱負荷為 26.4 kW,濕負荷為1.64 kg/h。

        根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知,本工程地下土壤初始溫度值約為17.6 ℃,地下水流量約為 20 m2/h,土壤的導熱系數(shù)達到 3.0 以上,說明該測試點擁有豐富的地熱能資源;在空調(diào)季,太陽的月輻射強度處于 371.21~510.14 MJ/m2之間,屬于太陽輻射可用地區(qū);在采暖季,太陽月輻射強度在162.95~175.93 MJ/m2,說明可在天氣狀況好的情況下利用太陽能;夏季絕大多數(shù)時間空氣濕度都達到 75% 左右,空氣中的含濕量較大,空氣中蘊含較大的潛熱,說明該測試點擁有豐富的空氣能資源。

        1 方案設(shè)計

        由于計算機機房及閱覽室的除濕負荷較大,機組承擔的除濕任務較高,本工程采用溫濕度獨立控制的技術(shù)方案,空調(diào)形式采用風機盤管+獨立新風系統(tǒng),其中室內(nèi)風機盤管設(shè)計為干工況,用來承擔室內(nèi)空氣的冷負荷,新風經(jīng)過新風機組的冷卻減濕處理,形成“干燥”的空氣后送入室內(nèi),承擔室內(nèi)濕負荷??照{(diào)房間冷熱負荷則由空氣源熱泵承擔,熱泵機組的額定制冷量為 105 kW,制熱量為 121 kW。

        為提高空氣源熱泵機組冷凍水/熱水的利用效率,本工程對空氣源熱泵機組的冷凍水/熱水進行梯級利用,空氣源熱泵的冷凍水/熱水回水(12 ℃/35 ℃)作為室內(nèi)風機盤管的供水,風機盤管的供回水溫差取值為 5 ℃,也即是說,回到空氣源熱泵機組的冷凍水回水溫度由額定工況的 12 ℃ 變?yōu)?17 ℃(熱水回水溫度由額定工況的 35 ℃ 變?yōu)?30 ℃),增大空氣源熱泵冷凍水的供回水溫差,更好地提高能源利用的?效率[1]。多能互補空調(diào)方案工作流程,如圖1 所示。

        圖1 多能互補空調(diào)方案流程圖

        根據(jù)圖1 可知,在該方案中,包括太陽能集熱系統(tǒng)、地熱系統(tǒng)和空氣源回水梯級利用系統(tǒng),其中太陽能集熱系統(tǒng)和地熱系統(tǒng)為溶液調(diào)溫調(diào)濕機組提供冷熱來源,溶液調(diào)溫調(diào)濕機組實現(xiàn)新風除濕,新風送入空調(diào)房間承擔室內(nèi)濕負荷??諝庠椿厮菁壚孟到y(tǒng)為室內(nèi)風機盤管提供冷熱來源,室內(nèi)風機盤管處于干工況,用于承擔室內(nèi)空氣冷負荷。

        太陽能集熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、熱水箱、電輔助加熱器和循環(huán)水泵組成。當熱水箱溫度達到設(shè)計要求時,太陽能熱水被輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的再生單元,對再生單元的稀溶液進行加熱,稀溶液升溫并且溶液中的水分被蒸發(fā)。在此過程中,稀溶液再生為濃溶液。地熱系統(tǒng)由地源熱泵、地埋管和水泵等主要設(shè)備組成,機組的額定制冷量為14.8 kW,額定制熱量為 17.5 kW。當?shù)卦礈囟鹊陀?18 ℃時,地源熱泵機組不啟動,僅開啟循環(huán)水泵,通過開啟/關(guān)閉相應的閥門,將地源冷量輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元;當?shù)卦礈囟雀哂?18 ℃ 時,地源熱泵機組開啟,并通過開啟/關(guān)閉相應的閥門,將地源熱泵產(chǎn)生的冷量輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元(冬季采暖時,熱泵始終處于開啟狀態(tài))。溶液調(diào)溫調(diào)濕機組主要由除濕單元、再生單元和溶液泵等設(shè)備組成。除濕單元噴淋溴化鋰濃溶液,吸收空氣中的水蒸氣,降低新風含濕量,減濕處理后的新風送入室內(nèi)承擔室內(nèi)濕負荷;再生單元用于溶液的濃縮再生,使吸濕溴化鋰稀溶液再生為溴化鋰濃溶液,再生后的濃溶液再次進入除濕單元吸收空氣中的水蒸氣,如此周期性地循環(huán)[2-3]。

        2 太陽能-地熱能溶液調(diào)溫調(diào)濕機組研制

        太陽能-地熱能溶液調(diào)溫調(diào)濕機組是多品位能源互補建筑節(jié)能體系中的核心,機組性能的好壞與整個體系的節(jié)能效果高度相關(guān)。通過分析發(fā)現(xiàn),在除濕單元之前設(shè)置空氣預處理器有利于減小溶液循環(huán)量和溶液再生所需熱量,從而降低溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的運行能耗,并降低對太陽能的依賴。通過開啟/關(guān)閉預處理器,使溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的能量調(diào)節(jié)更為靈活[4-5]。同時,經(jīng)過研究分析,對空氣預處理器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化,使空氣預處理器的除濕量及除濕效率極大的提高。更為重要的是,優(yōu)化后的空氣預處理器能夠利用高溫冷源(18 ℃)對新風進行冷卻減濕預處理(冬季進行預熱處理),使空氣預處理器直接利用地熱能成為了可能,提高能量?效率的同時盡可能地減少地源熱泵的開啟時間,使整個系統(tǒng)更為節(jié)能[1]。

        在本工程設(shè)計研究成果的基礎(chǔ)上,委托了格瑞空調(diào)科技有限公司為本機組進行生產(chǎn)及部分匹配試驗,盡可能地提高機組的能效比。該機組的再生單元加熱量由太陽能集熱系統(tǒng)承擔,額定熱源供水溫度為 55 ℃,回水溫度為 50 ℃;額定冷源供水溫度為 18 ℃,回水溫度為 21 ℃;額定送風含濕量為 7 g/kg 干空氣;額定送風量為 500 m3/h。

        3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實施

        為了便于故障診斷及運行數(shù)據(jù)檢測,本工程設(shè)計研制了監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)包括太陽能集熱系統(tǒng)監(jiān)控、空氣源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測、地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)控及溶液調(diào)溫調(diào)濕機制監(jiān)控 4個子系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)置有溫度變送器、流量變送器、太陽輻射強度儀、電表和控制器,所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)實時傳送到控制室。當太陽輻射強度低于設(shè)定數(shù)值時,循環(huán)水泵停止運行;當太陽輻射強度高于設(shè)定值,循環(huán)水泵啟動,對熱水箱的熱水進行加熱。當熱水箱溫度低于 53℃ 且高于 42 ℃ 時,電輔助加熱器啟動;當熱水箱水溫低于42 ℃時,電輔助加熱器關(guān)閉。當熱水箱水溫達到 53 ℃時,熱水泵啟動,開始向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組再生單元輸配熱水??諝庠礋岜帽O(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置有流量變送器、溫度變送器和電表,實時監(jiān)測空氣源熱泵的溫度、流量和耗電量,并將監(jiān)測參數(shù)通過局域網(wǎng)向控制室傳送。

        地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置有流量變送器、溫度變送器、電表和控制器。當?shù)卦磦?cè)溫度低于 18 ℃ 時,控制器自動開啟相應的閥門,水泵啟動,熱泵關(guān)閉,地源冷源直接輸送到溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元和空氣預處理器;當?shù)卦磦?cè)溫度高于 18 ℃ 時,控制器自動啟閉相應的閥門,水泵開啟,熱泵開啟,地源熱泵向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元和空氣預處理器輸送冷量(冬季時,地源熱泵始終開啟,向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組供應熱量)。溶液調(diào)溫調(diào)濕機制監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置有溫濕度變送器、流量變送器、電表和控制器,監(jiān)測參數(shù)通過局域網(wǎng)向控制室傳送。當熱水箱熱水溫度處于 53~55 ℃ 之間時,空氣預處理器開啟;高于 55 ℃ 時,空氣預處理器關(guān)閉。當熱源或冷源溫度不能滿足要求時,自帶熱泵啟動,同時空氣預處理器開啟。監(jiān)控系統(tǒng)運行界面如圖2 所示。

        圖2 監(jiān)控系統(tǒng)運行界面

        4 系統(tǒng)性能檢測分析

        工程完成后,委托中國建筑科學研究院對多品位能源互補建筑節(jié)能系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性能檢測,檢測內(nèi)容主要包含機組 COP 值和系統(tǒng)能效等參數(shù)。

        4.1 室內(nèi)參數(shù)檢測

        夏季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果見表1,冬季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果見表2。

        表1 夏季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果

        表2 冬季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果

        4.2 多能互補能源系統(tǒng)性能測試結(jié)果分析

        4.2.1地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷性能系數(shù)

        地源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷能效比根據(jù)測試結(jié)果,按式(1)計算:

        式中:COPS——熱泵系統(tǒng)的制冷能效比;

        QS——系統(tǒng)測試期間的總制冷量,kW·h;

        ∑Ni——系統(tǒng)測試期間,所有熱泵機組累計消耗的電量,kW·h;

        ∑Nj——系統(tǒng)測試期間,所有水泵累計消耗的電量,kW·h。

        系統(tǒng)測試期間的總制冷量按式(2)計算:

        式中:Qs——系統(tǒng)測試期間的總制冷量,kW·h;

        qi——系統(tǒng)第i時段制冷量,kW;

        ΔTi——第i時段持續(xù)時間,h;

        Vi——系統(tǒng)第i時段用戶側(cè)的平均流量,m3/h;

        Δti——系統(tǒng)第i時段用戶側(cè)的進出口水溫差,℃;

        ρi——第i時段熱水平均密度,kg/m3;

        ci——第i時段熱水平均定壓比熱,kJ/(kg·℃)。

        ρi、ci可根據(jù)介質(zhì)進出口平均溫度由物性參數(shù)表查取。

        對熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)的供水溫度、回水溫度、水流量以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果,計算得到熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù),如表3 所示。

        表3 地源熱泵系統(tǒng)夏季性能系數(shù)測試結(jié)果

        4.2.2除濕系統(tǒng)夏季性能系數(shù)

        除濕系統(tǒng)的夏季制冷性能系數(shù),按式(3)計算:

        式中:COPSC——除濕系統(tǒng)的制冷能效比;

        QSC——系統(tǒng)測試期間的總制冷量,kW·h;

        ∑Ni——系統(tǒng)測試期間,所有壓縮機累計消耗的電量,kWh;

        ∑Nj——系統(tǒng)測試期間,所有水泵累計消耗的電量,kW·h。

        系統(tǒng)測試期間的總制冷量按式(4)計算:

        式中:qi——系統(tǒng)第 i 時段制冷量,kW;

        Gma——第 i 時段送風側(cè)空氣流量,m3/s;

        ha1——系統(tǒng)第 i 時段新風側(cè)空氣的焓值,kJ/kg干空氣;

        ha2——系統(tǒng)第 i 時段送風側(cè)空氣的焓值,kJ/kg干空氣;

        Va——第 i 時段送風側(cè)空氣比容,m3/kg;

        Wa——第 i 時段送風側(cè)空氣含濕量,g/kg干空氣。

        對除濕系統(tǒng)中除濕機組的進送風側(cè)空氣溫度、相對濕度、進送風側(cè)風速以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果,計算得到除濕系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)和除濕性能系數(shù),如表4 所示。

        表4 系統(tǒng)夏季制冷和除濕性能測試結(jié)果

        4.2.3地源熱泵系統(tǒng)冬季制熱性能系數(shù)

        熱泵系統(tǒng)的冬季制熱能效比根據(jù)測試結(jié)果,按式(5)計算:

        式中:COPS——熱泵系統(tǒng)的制熱能效比;

        QS——系統(tǒng)測試期間的總制熱量,kW·h;

        ∑Ni——系統(tǒng)測試期間,所有熱泵機組累計消耗的電量,kWh;

        ∑Nj——系統(tǒng)測試期間,所有水泵累計消耗的電量,kW·h。

        系統(tǒng)測試期間的總制熱量按式(6)計算:

        式中:Qs——系統(tǒng)測試期間的累計制熱量,kW·h;

        qi——系統(tǒng)第 i 時段制熱量,kW;

        ΔTi——第 i 時段持續(xù)時間,h;

        Vi——系統(tǒng)第 i 時段用戶側(cè)的平均流量,m3/h;

        Δti——系統(tǒng)第 i 時段用戶側(cè)的進出口水溫差,℃;

        ρi——第 i 時段熱水平均密度,kg/m3;

        ci——第 i 時段熱水平均定壓比熱,kJ/(kg·℃)。

        ρi、ci可根據(jù)介質(zhì)進出口平均溫度由物性參數(shù)表查取。對熱泵系統(tǒng)空調(diào)側(cè)的供水溫度、回水溫度、水流量以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果,計算得到熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù),詳見表5。

        表5 地源熱泵系統(tǒng)冬季性能系數(shù)測試結(jié)果

        4.2.4除濕系統(tǒng)冬季性能系數(shù)

        除濕系統(tǒng)的冬季制熱性能系數(shù),按式(7))計算:

        式中:COPSH——除濕系統(tǒng)的制熱能效比;

        QSH——系統(tǒng)測試期間的總制熱量,kW·h;

        ∑Ni——系統(tǒng)測試期間,所有壓縮機累計消耗的電量,kWh;

        ∑Nj——系統(tǒng)測試期間,所有水泵累計消耗的電量,kWh。

        系統(tǒng)測試期間的總制熱量按式(8)計算:

        式中:qi——系統(tǒng)第i時段制熱量,kW;

        Gma——第 i 時段送風側(cè)空氣流量,m3/s;

        ha1——系統(tǒng)第 i 時段新風側(cè)空氣的焓值,kJ/kg 干空氣;

        ha2——系統(tǒng)第 i 時段送風側(cè)空氣的焓值,kJ/kg 干空氣;

        Va——第 i 時段送風側(cè)空氣比容,m3/kg;

        Wa——第 i 時段送風側(cè)空氣含濕量,g/kg干空氣。

        對除濕系統(tǒng)除濕機組的進送風側(cè)空氣溫度、相對濕度、進送風側(cè)風速以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果,計算得到系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)和加濕性能系數(shù),如表6所示。

        表6 系統(tǒng)冬季制熱和加濕性能測試結(jié)果

        4.3 多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)電率

        4.3.1夏季節(jié)電率

        根據(jù)測試結(jié)果以及采用溫頻法,計算出多能互補能源系統(tǒng)年消耗一次能源量夏季為 11.04 t 標煤(折算)。參照 GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》,常規(guī)供冷方式的比較對象夏季選取系統(tǒng)能效為 2.3 的常規(guī)空調(diào),年消耗一次能源量為 35.08 t 標煤(折算)。由此計算得出該系統(tǒng)每年夏季節(jié)約 35.08-11.04=24.04 t 標煤。計算表如表7 所示。

        表7 夏季示范項目常規(guī)能源替代量計算表

        4.3.2冬季節(jié)電率

        根據(jù)測試結(jié)果以及采用度日法,計算出多能互補能源系統(tǒng)年消耗一次能源量冬季為 1.31 t 標煤(折算)。依據(jù) GB/T 50801—2013,常規(guī)供暖方式的比較對象冬季選取燃氣鍋爐(效率取 0.8),年消耗一次能源量為 2.35 噸標煤(折算)。由此計算得出該可再生能源示范項目每年節(jié)約 2.35-1.31=1.04 t 標煤,如表8 所示。

        表8 冬季示范項目常規(guī)能源替代量計算表

        4.4 多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)約費用

        4.4.1常規(guī)供冷方式年節(jié)約運行費用

        常規(guī)供冷方式年節(jié)約運行費用按式(9)計算:

        式中:Ntx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)累計耗電量,kW·h;

        Qtx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)總能耗,kgce。

        常規(guī)供冷方式總費用按式(10)計算:

        式中:Ctx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)總費用,元;

        Ntx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)累計耗電量,kW·h。

        4.4.2多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)約運行費用

        地源熱泵系統(tǒng)用電量根據(jù)式(11)計算:

        式中:Ns——多能互補能源系統(tǒng)累計耗電量,kW·h;

        Qs——多能互補能源系統(tǒng)總能耗,kgce。多能互補能源系統(tǒng)總費用按式(12)計算:

        式中:Csx——多能互補能源系統(tǒng)總費用,元;

        Nsx——多能互補能源系統(tǒng)累計耗電量,kW·h。

        4.4.3多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用

        多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用,如表9 所示。

        表9 多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用

        5 結(jié) 語

        (1) 多能互補建筑除濕系統(tǒng)夏季制冷能效比為 4.95,除濕能效比為 2.95,夏季綜合性能系數(shù)為 7.89;除濕系統(tǒng)冬季制熱能效比為 4.10,加濕能效比為 1.85,冬季綜合性能系數(shù)為 5.95。

        (2) 同常規(guī)能源系統(tǒng)相比,多能互補能源系統(tǒng)夏季節(jié)電率為 68.5%,冬季節(jié)電率為 44.2%,年節(jié)電率為 67.0%。

        (3) 同常規(guī)能源系統(tǒng)相比,多能互補能源系統(tǒng)夏季節(jié)約運行費用 68.5%,冬季節(jié)約運行費用 44.2%。

        參考文獻:

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