改进的BIN参数在水源热泵住宅中央空调系统中的应用

要：本文对美国ASHRAE改进的Bin能耗计算方法(Modified Bin Method)作了一些适合于我国华北地区民用住宅使用的修改后，根据天津市最近十二年的气象数据，计算了天津地区全天24小时和18:00～8:00之间两种情况下的全年Bin数据。

并在考虑了水源热泵的部分负荷特性对机组效率的影响之后，对水源热泵住宅中央空调系统的两种常见工作模式进行了全年能耗计算与分析。

关键词：水源热泵住宅中央空调 Bin 能耗分析部分负荷特性Application of the Modified BIN Method to WSHP Residential Central Air-conditioning System
Abstract: Both heating and cooling loads can be estimated using the Bin (temperature frequency) method，so the Modified Bin Method from ASHRAE was applied to this article. Modified to fit the condition of the residence in North China， two kinds of Bins concluding both the whole day and the night throughout one year were given out referring to the latest twelve years’ weather data of Tianjin. Then the energy calculation and analysis for two normal run modes of the Water Source Heat Pump (WSHP) residential central air-conditioning were done at the concept of partial load characteristic.
Keyword: Water Source Heat Pump， Residential Central Air-conditioning， Modified Bin Method， energy calculation and analysis， partial load characteristic
1.概述
住宅中央空调(Residential Central Air-conditioning)的概念最先来源于美国，它是一种通过风道或冷热水管道将中央空调处理机集中处理过的空气或冷热水送进位于不同房间的空调未端，补偿各房间的冷热损失，以达到各房间空气调节目的的空调形式。

随着我国目前城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，在黄河流域，采用经济、清洁的热泵中央空调系统，已经变得日益重要。

正是在此背景下，深井回灌的水源热泵(Water Source Heat Pump)方式有可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。

较为简便可行的水源热泵住宅中央空调系统的全年能耗分析将对该空调系统形式在住宅空调方面的发展、系统的的优化设计和运行管理以及用户对水源热泵中央空调系统的认同与选购都有着很重要的意义。

本文将美国ASHRAE改进的Bin能耗计算方法(Modified Bin Method)引入水源热泵住宅中央空调系统的能耗分析与计算，使得该系统的能耗分析与计算变得更为简单。

2.建筑物全年负荷计算2.1计算方法简
介
空调系统全年能耗分析必须以建筑物全年负荷计算为基础。

关于建筑物全年负荷计算有两种方法：一是建立建筑物热过程的动态模型，在计算机上作全年或某时间段的逐时模拟，逐时计算法是最复杂，也是最准确的一种能耗计算法，它是根据室外逐时的气象数据，室内设计参数，逐时计算出建筑的能耗。

其代表软件有:美国政府的DOE2，美国军方的BLAST和室内环境温度和能耗模拟软件DEROB。

二是各种简化计算方法，如度日法、扩大度日法、当量运行小时法、温频法(Bin)等。

与动态模拟相比，后者精度稍差，但比较简单，当建筑物用途及系统恒定时，用这种方法是合理的［1］［2］［4］。

度–日法是最简单的方法，但通常产生的结果较差，它不能在运行效率取决与室外环境的系统中运行，热泵就是一个很好的例子。

本文采用的改进的温湿频参数(Modified Bin Method)法同属于简化计算法，但是它将室外工况和部分负荷工况所产生的效果考虑在内，这种方法具有足够的精度满足水源热泵系统的要求［4］。

尤其，改进的Bin方法与其他方法比较，更侧重于能耗的分析与计算。

该方法可以在各种负荷状态(而不只是在设计负荷条件)下，将设备的运行效率、启停状态的影响以及再热量、全热回收等因素考虑在内，进行较为准确的能耗分析。

本文结合我国气象数据的特点，对
ASHRAE改进的温频参数(Bin)法做了如下调整：
1)Bin数据的温度间隔取为两度，提高了计算精度；
2)用含湿量代替湿球温度，这样在计算潜热负荷时不用再进行由湿球温度到含湿量的换算；
3)由于我国大部分地区冬夏季空调参数相差很大，结合住宅空调运行特点，分别计算了天津地区24小时和
18:00~8:00的两种Bin数据。

其中湿球温度直接来源于天津地区室外气象数据，它的采用使得计算潜冷负荷和潜热负荷时节省了相对湿度向湿球温度转换的步骤。

2.2负荷计算
本文仅就与温频参数相关的太阳负荷和围护结构热传导带来的室内负荷进行详细分析，室内负荷和新风负荷可参阅有关空调设计手册。

2.2.1通过窗户的太阳负荷
(1)
式中：
QSOLj—通过窗户的太阳负荷，(W/m2)，j等于7或者1；
ｎ—建筑物所有外窗朝向数；
MSHGFi—朝向i月最大太阳数，(W/m2)
AGi—朝向i的窗户的总面积，(m2)
Cs—朝向i的遮阳系数，Cs=0.93；
CLFTOTi—朝向i在24小时内太阳冷负荷系数之和；
KT—月平均日照率；
T—空调系统在t℃时的运行小时数，(hr)；
A—建筑物的空调面积，(m2)；
其中，QSOL与室外气温T之间存在着线性关系：
(2)
式中：
tc―峰值冷负荷温度，天津地区为35℃；th―峰值热负荷温度，天津地区为-11℃)。

2.2.2围护结构热负荷
围护结构热负荷由两部分构成：
1)通过屋面、墙体、玻璃窗由室内外温差引起的稳定传热部分：
(3)
式中：
TL—由室内外温差引起的围护结构传导冷热负荷
(W/m2)；
ｎ—建筑物的传导表面数；
Ai—第i个围护结构表面的面积(m2)；
Ki—第i个表面的传热系数(W/m2·℃)；
t—室外空气温度(℃)；
tn—室内设定温度(℃)，制冷工况26℃，采暖工况20℃，防冻工况10℃。

2)通过屋面、墙体和窗户由投射在外表面上的日射引起的不稳定传热部分：
(4)
式中：
QTSj—太阳日射形成的传导冷负荷(W/m2)，j等于7或者1；
CLTDS—太阳日射形成的墙体冷负荷温差(℃)；
KC—墙体外表面颜色修正系数，深色调取1.0；
其中QTS与室外空气温度之间存在着线性关系：
(5)2.3天津地区温频(Bin)数计算
根据天津地区最近十二年的气象资料，以2℃温度差作为一个温频段，整理得到天津地区温频参数。

表1为全天24小
时的温频值，表2为18:00～8:00之间的温频值。

天津地区24小时Bin数北纬39°06’东经117°10’海拔3.3m 表1
-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 14
46 147 244 446 555 615 424 385 303
301 324 407 0.45 0.8 1.1 0.68 1.6
1.9
2.2 2.5 2.7
3.3 4
4.6
5.4续表1
15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 429 456 510
597 608 628 524 401 228 112 17 6
7.5 8.1 10 12 12.4 14.4 14.2 15 14 11.4天津地区18:00–8:00 Bin数北纬39°06’东经117°10’海拔3.3m 表2 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9
11 13 9 37 111 189 304 380 385 225
183 157 183 212 256 0.43 0.9 1.1
1.2 1.7
2.1 2.4 2.5
3.3 3.8
4.4
5.1 5.9续表2 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
35 272 296 302 378 385 348 285 125
41 7 4 6.7 8.2 9.3 11.7 13.1 14.4 15.7
15.9 16.2 14.5 12.23.住宅建筑能耗分析与计算实例3.1建筑概况
为具有代表性，本文选用了一户位于天津市某高档水源
热泵系统住宅小区的标准户型住宅，户型为三室两厅、双卫双厕空调面积200平米。

空调机组选用我们自己开发的水源热泵中央空调机组。

该建筑基本情况如下：
1) 夏季室内设计参数tn=26℃， dn=12.7g/kg ；
2)冬季室内设计参数：正常运行tn=20℃， dn=7.4g/kg；防冻运行：tn=10℃，dn=3.8 g/kg；
3)外墙：内面抹灰200mm加气混凝土，外墙南、北两面面积分别是45m2，36m2；
4)窗户：单层5mm厚玻璃塑钢窗，南窗10m2，北窗8m2；传热系数K=5.8W/m2℃·K
5)窗内挂中间色窗帘；
6)*门窗等缝隙引入新风，新风渗透量0.5次/h；
7)室内负荷：灯具7.5W/m2，空调期间同时使用系数0.75，非空调期间同时使用系数为0；考虑设备均在卫生间或厨房，设备负荷12W/m2；人员：空调期间全热负荷为111х
5/200=2.8W/m2。

3.2能耗计算及其分析
本文分两种运行模式进行计算(模式二只给出了计算结果)，其他住宅形式的计算过程读者可仿照本计算过程自己完成：
模式一：冬季空调全天运行，白天无人时间(8:00～18:00)
为低负荷防冻运行；夏季运行时间t=10小时;
模式二：冬夏季全天24小时均为正常运行。

3.2.1通过窗户的太阳负荷QSOL将表3数值代入(1)式得到计算结果：
QSOL7=3.94W/m2，QSOL1=3.43W/m2，代入式(2)得到关系式：
QSOL=0.011t+3.55
(6)
3.2.2通过墙体和窗户的传热负荷
1)稳定传热部分
夏季：TCL=0.828t-21.53；
(7)
冬季18:00~8:00：THL=-0.828t+16.56；
(8)
冬季8:00~18:00：THL=-0.828t+8.28；
(9)
式得如下关系式：
QTS=-0.0274t+2.50；
(10)
3.2.3室内负荷(计算方法见文献［7］)：
7.5x0.75+12+2.8=20.42W/m2
(11)
3.2.4渗透风负荷，(计算方法见文献［7］)显冷负荷：
QVCS=0.442t-11.49；
(12)
显热负荷：QVHS=-0.442t+8.84；
(13)
潜冷负荷：QVL=1.08d-13.72；
(14)
潜热负荷(室内温度20℃)：QVH1=-1.08d+8.0；
(15)
潜热负荷(室内温度10℃)：QVH1=-1.08d+4.1；
(16)3.3建筑物能耗计算
1)供冷负荷(18:00~8:00)：由(6)、(8)、(11)、(12)、(13)叠加得到室内显冷负荷随室外温度变化的关系式：
QCL=1.25t-6.55
(17)
2)正常运行期间(18:00~8:00)供热负荷：由(6)、(9)、(11)、(14) 叠加得到室内热负荷随室外温度变化的关系式(室内负荷作为安全因素)：
QHL1=-1.25t+19.35
(18)
3)防冻运行期间(8:00~18:00)供热负荷：由(6)、(10)、(11)、(14)叠加，得到室内热负荷随室外温度变化的关系式：
QHL2=-1.25t+11.07
(19)
将表1和表2中各BIN段相对应的室外空气温度和相对湿度分别代入(14)～(19)各式，即可得到各频段的冷负荷和供暖热负荷，冷热负荷乘上各对应频段的小时数即得到制冷总耗冷量和供暖耗热量。

(天津地区开始制冷时的室外温度取23℃，开始采暖时的室外温度取5℃)。

总耗冷量计算表(18 :00~8 :00)
根据表5～7可得到运行模式一下该标准住宅的年能耗量：
耗冷量总计30.32+2.32＝32.64kWh/m2；耗热量总计47.60+13.14=60.74kWh/m2。

以同样的方法可以得到模式二下全年能耗量：耗冷量总计70.60kWh/m2；耗热量总计75.69kWh/m2。

3.4空调负荷与室外温度的线性关系图表
右图1反映了以上各空调负荷与室外空气温度的线性关系。

4.水源热泵住宅中央空调全年能耗计算方法
根据由改进的BIN方法计算出的建筑能耗，初步确定所需设备的能耗量，再根据设备厂家提供的设备详细数据，计算出实际的设备输入功率。

本文使用的热泵机组为我们和天大胜远空调公司合作开发的住宅式水源热泵机组，采用谷轮公司ZR47K3-PFJ压缩机。

4.1设备选择(见表8)
1)该小区采取集中供应冷却水的方式，地源水循环水泵集中设置，小区住户分摊地源水循环水泵的运行费用。

本文为便于进行能耗分析，采用分摊地源水循环水泵能耗的方式进行计算。

2)用户系统房间装设风机盘管。

水源热泵空调系统设备
表8
(热泵机组测试条件：制热时蒸发器进出口45/50℃，冷凝器进出口17/7℃；制冷时蒸发器进出口12/7℃，冷凝器进出口17/27℃)4.2部分负荷特性
由于全年水源热泵大部分时间是在部分负荷下运行，必须考虑由于部分负荷运行所引起的效率降低的问题。

部分负荷(PLF)因素定义如下：
＝1-CD(1-Xr)
(20)
式中:
CD—衰变因子，如果设备制造商没有对设备进行测试或是给出一个更低的值时，CD=0.25；
Xr—设备理论运行时间系数，即建筑负荷与设备实际容量之比。

如果设备容量小于建筑负荷，即Xr大于1，由(20)知，PLF将大于1，此时表示设备连续满负荷运行，因此设定PLF=1.0。

4.3设备实际运行时间的计算
实际运行时间系数：
Xa=Xr/PLF
(21)
在某个温频段设备实际运行时间r就等于该温频小时数乘以Xa 见表9～11。

夏季(18：00～8：00)
表9
Bin 23 25 27 29 31 33 35
实际运行时间r(h) 207 215 197 93 33 6 3冬季正常采暖运行(18：00～8：00)
表1Bin -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5
实际运行时间r(h) 7 26 72 113 186 213 195 103 72冬季防冻采暖运行(8：00～18：00)
表11Bin -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5
实际运行时间r(h) 3 7 15 21 57 57 61 41 29
总结以上表8～11，得到200平米空调面积在运行模式一下的全年热泵机组、循环水泵及风机盘管能耗量为：(2420+500+200+65+250)*754/1000+(3460+500+200+65+ 250)*(986+291)/1000
=8304kWh
以同样的方法可以得到模式二全年能耗量为：
(2420+500+200+65+250)*1506/1000+(3460+500+200+65 +250)*1602/1000
=12342kWh。

将以上全年能耗量乘上天津地区的能源价格即为该运行
模式下住宅水源热泵中央空调系统全年的运行费用。

5. 水源热泵住宅中央空调全年能耗分析
5.1两种运行模式下全年对应各BIN值的能耗量比较(见图
2、图3)模式一全年对应各BIN值的能耗量比较
图2模式二下全年对应各BIN值的能耗量比较
图3
由表5～7以及图
2、3得出如下结论：
1)华北地区全年能耗量以冬天为主，在模式一运行工况下，冬季能耗量（60.74kWh/m2）几乎是夏季能耗量（32.64 kWh/m2）的两倍，实现建筑节能时可重点从实现冬季的节能出发；
2)在模式二运行工况下，冬夏季的能耗量基本持平，在天津地区要想实现建筑节能就应该从全年运行工况出发加以考虑；5.2在(17)、(18)、(19)三式的计算过程中知道，对住宅建筑来说，由于室内负荷在全部负荷中占的比例很大，室内负荷的变化对建筑能耗有很大影响。

例如，如果室内设备负荷为20W/m2，(11)式将变成28.4 W/m2，相应的，(17)式将变成：QCL=1.25t+3.87；也就是说夏季理论开机时间(室内
空间总的热量传递平衡为正值)将由原来的室外温度5.2℃提前到－3℃，提前了夏季开机时间，无疑加大了夏季住宅能耗。

但室内负荷对冬季则是有利的，该部分热量应该尽量实现夏季排放到室外，冬季则采用热回收装置，延迟冬夏季开机时间，实现住宅建筑的节能。

5.3由于住宅式水源热泵全年多数时间都在部分负荷下运行，压缩机运行时间远远少于实际空调时间，必须考虑部分负荷因素对热泵机组带来的影响。

本文引入了部分负荷因素的概念，目的就是尽量准确的估计水源热泵机组的实际输入功率，优化机组的设计以及用户准确估计所选住宅水源热泵系统的运行费用，实现住宅建筑的节能。

6．结论
6.1由于民用住宅建筑的能耗计算可以细化到每户住宅，因此采用BIN方法进行能耗计算时可以大大减小工作繁重程度，使得较为准确的手工计算成为可能。

采用BIN方法计算得到每户住宅的实时冷热负荷，然后通过系统模拟得到设备负荷，根据设备的实际工作特性，最终计算出设备能耗量。

6.2取天津地区能源价格0.41元/kWh，对于本文采用的住宅实例（墙体传热系数0.8 W/m2·K，窗户传热系数6.4 W/m2·K），两种运行模式的全年运行费用分别是:
模式一：8304*0.41/200=17元/m2·yr
模式二：12342*0.41/200=25.3元/m2·yr
考虑节能建筑（墙体传热系数0.6 W/m2·K，窗户传热系数4～4.7 W/m2·K），水源热泵住宅中央空调系统的运行费用将会进一步降低。

6.3本文只考虑了地源水循环水泵能耗的实际运行费用，若考虑地源水循环水泵的管理维护费用，用户实际年运行费用可能会略有增加。

6.4运用改进的BIN方法，可以对各种住宅形式、各种运行方式（比如考虑周末，假期等对全年能耗的影响）进行能耗分析和计算。

它相对一些大型模拟软件来讲，更适合于一般用户的空调能耗和空调费用的估算。

参考文献
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