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        雙冷源新風(fēng)機(jī)組多工況運(yùn)行方式的研究

        2021-08-29 01:58:20趙羽張欽張愛華
        關(guān)鍵詞:冷源新風(fēng)源熱泵

        趙羽 張欽 張愛華

        中國建筑科學(xué)研究院有限公司

        0 引言

        雙冷源新風(fēng)機(jī)組,即采用兩種不同蒸發(fā)溫度的冷源,高溫冷源承擔(dān)系統(tǒng)大部分的室內(nèi)顯熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷,低溫冷源為輔助冷源,主要承擔(dān)濕負(fù)荷和小部分新風(fēng)負(fù)荷[1]。

        本文采用的新風(fēng)機(jī)組分為新風(fēng)和排風(fēng)通道,內(nèi)部帶有直膨式冷源,新風(fēng)先經(jīng)過與高溫冷源供水的預(yù)冷表冷器初步降溫除濕,后經(jīng)過蒸發(fā)器深度除濕,冷凝器排熱可再熱新風(fēng)或通過有組織排風(fēng)排至室外,送風(fēng)溫度可通過兩個(gè)冷凝器的調(diào)節(jié)閥開度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié),機(jī)組內(nèi)部構(gòu)造如圖1:

        圖1 新風(fēng)機(jī)組原理圖

        本文將采用地源熱泵機(jī)組作為高溫冷源和熱源,末端采用上述新風(fēng)機(jī)組(新風(fēng)量500 m3/h)和輻射空調(diào)系統(tǒng),探討新風(fēng)機(jī)組在不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行策略和費(fèi)用,并對(duì)比分析。新風(fēng)機(jī)組主要參數(shù)見表1:

        表1 新風(fēng)機(jī)組相關(guān)參數(shù)

        1 運(yùn)行方式的劃分

        1.1 氣象和運(yùn)行模式的劃分

        根據(jù)北京市近10 年全年室外氣象參數(shù),以室外干球溫度DB(℃)和相對(duì)濕度RH(%)作為劃分依據(jù),將其分為5 個(gè)氣象分區(qū)并對(duì)應(yīng)5 種運(yùn)行模式(見圖2和表2):I 和II 區(qū)對(duì)應(yīng)夏季工況,根據(jù)室外溫度的高低確定是否開啟輻射系統(tǒng),熱泵和新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置直膨機(jī)均運(yùn)行;III 和IV 區(qū)對(duì)應(yīng)過渡季工況,可自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)或在濕度高的“黃梅天”開啟新風(fēng)機(jī)組除濕并再熱,無需開啟熱泵機(jī)組;V 區(qū)對(duì)應(yīng)冬季制熱工況,熱泵機(jī)組開啟,新風(fēng)機(jī)內(nèi)置直膨機(jī)不啟動(dòng)。

        圖2 運(yùn)行模式在焓濕圖上的劃分

        表2 運(yùn)行模式的劃分

        1.2 不同運(yùn)行模式下新風(fēng)機(jī)組工況分析

        1.2.1 I 區(qū)

        該工況(圖3)適用于高溫高濕的天氣,由地源熱泵提供17 ℃高溫冷凍水,室外新風(fēng)經(jīng)過預(yù)冷表冷除濕和蒸發(fā)除濕后,溫度降為11.4 ℃,含濕量8 g/kg,一部分冷凝熱用于再熱新風(fēng)送入室內(nèi),一部分冷凝熱通過排風(fēng)排至室外。新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)潛熱和小部分顯熱負(fù)荷,大部分顯熱負(fù)荷由輻射末端平衡。

        圖3 I 區(qū)運(yùn)行工況示意

        1.2.2 II 區(qū)

        該工況(圖4)適用于室外溫度相對(duì)不高但相對(duì)濕度較高的天氣,新風(fēng)處理過程同I 區(qū)一致,熱泵和機(jī)組內(nèi)直膨冷源共同將新風(fēng)處理至8 g/kg。由于室內(nèi)顯熱負(fù)荷不高,因此不用開啟輻射末端,新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)顯熱和潛熱負(fù)荷,其再熱后的送風(fēng)溫度可通過設(shè)定的室溫反饋調(diào)節(jié),以滿足室內(nèi)顯熱負(fù)荷需求。

        圖4 II 區(qū)運(yùn)行工況示意

        1.2.3 III 區(qū)

        該工況適用于溫濕度均不高的過渡季,室外空氣質(zhì)量較差時(shí)開啟風(fēng)機(jī)過濾新風(fēng)保證室內(nèi)衛(wèi)生的需求即可。

        1.2.4 IV 區(qū)

        該工況(圖5)為室外溫度偏低但相對(duì)濕度較高的過渡季節(jié),多發(fā)于夏末秋初,室內(nèi)有除濕并供熱的需求,此時(shí)無需開啟風(fēng)冷熱泵機(jī)組,新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源對(duì)新風(fēng)除濕,冷凝熱全部或大部分用于再熱新風(fēng)。

        圖5 IV 區(qū)運(yùn)行工況示意

        1.2.5 V 區(qū)

        圖6 為V 區(qū)運(yùn)行工況示意。冬季新風(fēng)加熱至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)20 ℃,40%的等焓點(diǎn)后,后接濕膜加濕裝置,室內(nèi)熱負(fù)荷由輻射系統(tǒng)承擔(dān),大部分時(shí)段無需開啟機(jī)組內(nèi)部的直膨機(jī),僅當(dāng)出現(xiàn)極端天氣時(shí),其可作為補(bǔ)充熱源。

        圖6 V 區(qū)運(yùn)行工況示意

        雙冷源新風(fēng)機(jī)組在輻射空調(diào)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)在于:

        1)高溫冷源的利用,提高蒸發(fā)溫度,供水由原來的7 ℃可提高至17 ℃左右,系統(tǒng)能效比顯著提高。

        2)一套水系統(tǒng),可同時(shí)解決溫、濕度的解耦處理,系統(tǒng)簡單。

        3)內(nèi)冷式機(jī)組無需外接冷凍水排放冷凝熱,降低系統(tǒng)容量和負(fù)荷,新風(fēng)再熱溫度調(diào)節(jié)范圍較大。

        2 全年運(yùn)行能耗對(duì)比分析

        將本文所述地源熱泵+雙冷源新風(fēng)機(jī)組+輻射空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)別墅中常見的多聯(lián)機(jī)空調(diào)+市政熱力地暖的方式進(jìn)行對(duì)比。其中北京市現(xiàn)行能源計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為:

        1)居民用電電價(jià):0.48 元/kWh

        2)市政熱力熱計(jì)量收費(fèi):采暖費(fèi)用=基本熱費(fèi)×建筑面積+計(jì)量熱費(fèi)×用熱量。其中:市政熱力的基本熱費(fèi)為12 元/m2,計(jì)量熱費(fèi)為0.16 元/kWh。

        2.1 研究對(duì)象

        本文研究對(duì)象為一棟位于北京市的二層別墅建筑,套內(nèi)面積210 m2,新風(fēng)量500 m3/h,新風(fēng)換氣次數(shù)0.78 次/h。運(yùn)用動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬軟件模擬出的逐時(shí)建筑負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷見表3:

        表3 新風(fēng)、輻射系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

        全年新風(fēng)和輻射負(fù)荷不同負(fù)荷率下的時(shí)間占比如上圖7 所示:新風(fēng)冷負(fù)荷率以25%為界,當(dāng)新風(fēng)負(fù)荷率大于25%時(shí),對(duì)應(yīng)氣象分區(qū)的I 或II 區(qū)應(yīng)進(jìn)行除濕降溫的處理。0~25%時(shí)段對(duì)應(yīng)氣象分區(qū)的III 或IV區(qū)即過渡季節(jié)。

        圖7 全年不同新風(fēng)、輻射負(fù)荷率下的時(shí)間占比

        通過調(diào)整新風(fēng)再熱溫度可以承擔(dān)部分室內(nèi)顯負(fù)荷,對(duì)應(yīng)上表所示輻射冷負(fù)荷率約在60%以上的時(shí)段應(yīng)開啟輻射末端,小于60%時(shí)段可由新風(fēng)承擔(dān)。

        2.2 方案1:地源熱泵+雙冷源新風(fēng)機(jī)組+輻射空調(diào)的系統(tǒng)

        冷熱源采用地源熱泵機(jī)組,室外設(shè)垂直地埋孔共4口,單U 管徑 ?32 mm,有效埋深為120 m。地源熱泵機(jī)組冷熱裝機(jī)容量為16.6/19.1 kW,額定輸入功率3.39/4.69 kW,夏季供回水溫度17/20 ℃,冬季供回水溫度40/37 ℃。水泵流量5 m3/h,揚(yáng)程15 m,功率0.5 kW。空調(diào)水并聯(lián)兩路分別接入輻射分集水器和雙冷源新風(fēng)機(jī)組。內(nèi)置直膨機(jī)的能效比取為3.0。

        全年能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)如表4:按北京市居民用電取費(fèi)0.48 元/kWh 的標(biāo)準(zhǔn),全年運(yùn)行費(fèi)用為5548 元,單位面積運(yùn)行費(fèi)用26.4 元/m2a。通過對(duì)夏季I、II 分區(qū)下分項(xiàng)能耗的對(duì)比發(fā)現(xiàn):預(yù)冷表冷(即風(fēng)冷機(jī)組)及蒸發(fā)除濕的能耗比基本為2:1,此能耗分配相對(duì)合理,原則上應(yīng)盡量多的利用高溫冷源提高預(yù)冷表冷的比例,一方面其系統(tǒng)能效相對(duì)較高,另方面可降低直膨機(jī)出力過高造成的冷凝熱無法及時(shí)排放的問題。

        表4 方案1 全年運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)

        從表4 還可以看出,V 區(qū)能耗占比最大(59%),其主要原因是冬季新風(fēng)負(fù)荷過高,若將原設(shè)計(jì)的新風(fēng)量改為滿足人體衛(wèi)生需求最低線的250 m3/h,則將節(jié)約能耗2540 kW,全年運(yùn)行費(fèi)用整體將降至20.6 元/m2,降幅達(dá)到22%。

        2.3 方案2:多聯(lián)機(jī)空調(diào)+市政熱力地板采暖系統(tǒng)

        設(shè)多聯(lián)機(jī)綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)為規(guī)范[2]中的第3 等級(jí)3.2 W/W,則冬季無新風(fēng)的前提下,全年能耗及運(yùn)行費(fèi)用如表5 所示,單位面積年運(yùn)行費(fèi)用29.3 元/(m2a),較方案1 冬季250 m3/h 新風(fēng)量的運(yùn)行費(fèi)用增加了29.6%。

        表5 方案2 全年運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)

        3 結(jié)論

        1)雙冷源新風(fēng)機(jī)組可以充分利用高溫冷源,特別適合于地源熱泵和溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)能效比高,管路簡單,除濕可靠。

        2)針對(duì)全年室外溫濕度,劃分了5 個(gè)不同的工況,給出了熱泵主機(jī)、新風(fēng)機(jī)組、輻射末端的不同組合的運(yùn)行模式。

        3)將上述系統(tǒng)形式與傳統(tǒng)VRV+市政熱力的方式進(jìn)行對(duì)比,一方面方案1 的全年運(yùn)行費(fèi)用較低,另一方面這種溫濕度解耦處理的方式其舒適度是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無法比擬的,具有一定的推廣意義。

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