226 湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析方法研究

湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析
方法研究
福建工程学院范亚明许媛媛
摘要本文提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比。

分析结果表明：（1）湖库塘水源热泵系统的季节性能比均高于空气源热泵机组。

（2）对于湖库塘开式水源热泵系统，室外循环水泵能耗的存在较大的影响，应该在实际工程应用中采取措施降低循环水泵能耗。

关键字水源热泵，湖库塘源，全年能耗
Annual energy consumption calculation model of open-loop lake-source heat pump
Fan Ya-ming Xu Yuan-yuan
Department of Environmental and Equipment Engineering, Fujian University of Technology Abstract: In this paper the annual energy consumption calculation model of open-loop lake-source heat pump is established. And the comparison of annual energy use of lake-source heat pump system with air source heat pump system is presented. SEER of lake-source heat pump system in winter and summer are higher than air-source heat pump system. It prove that open loop lake source heat pump is more energy efficient than air-source heat pump. However, SEER of open-loop water source heat pump systems used with lake decrease in winter and summer included by water pump. So, it is necessary to decrease the energy consumption of water pump for higher energy efficiency of open-loop lake source heat pump system.
Keywords:Lake -source heat pump; Annual energy consumption; Open-loop;
0 研究背景与意义
与传统冷热源技术相比，作为一项有效利用低品质自然冷源的制冷供热技术，湖库塘开式水源热泵系统的缺点是初投资大。

因此湖库塘开式水源热泵系统是否具有经济竞争力、是否是技术可行的节能措施，是决定其推广应用的关键问题。

目前国内外通常利用简化方法对具体空调冷热源工程进行经济分析：首先估算冷热源工程初投资、然后模拟计算空调冷热源系统运行费用、最后进行总的技术经济分析比较。

而空调系统冷热源能耗分析与计算[1-3]是以上经济分析的关键。

并且，空调系统冷热源能耗分析对建筑设计和空调系统设计的节能优化、以及空调系统的运行管理都有着重要指导意义[4]。

由于湖库塘开式水源热泵系统包括热泵机组和湖库塘取排水两个部分，并且两者交互影响。

因此本文在研究湖库塘取排水温度模型[5-6]和水源热泵机组性能模型[6]的基础上，提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比，分析有利于湖库塘开式水源热泵系统的有效途径，为其推广应用奠定理论指导基础。

1湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算方法
湖库塘开式水源热泵系统的全年能耗分析由建筑全年冷热负荷、热泵机组全年能耗和湖
库塘全年水温变化三方面的分析计算耦合而成。

由于整个空调系统的能耗包括冷热源设备侧能耗和空调用户端能耗两大部分，为了简化研究分析，假定空调用户端能耗在各种冷、热情况下基本相同，主要侧重考虑冷热源设备侧的能耗差异。

湖库塘开式水源热泵系统的冷热源设备侧能耗大致由水源热泵机组能耗和湖库塘循环水泵能耗两部分构成。

1.1 湖库塘开式水源热泵系统运行特点分析
为了将建筑物的各房间维持在设定温湿度，湖库塘开式水源热泵为建筑的空调末端提供冷、热源。

在夏季工况下，热泵机组将建筑冷负荷、机组的输入功率转移到湖库塘中；在冬季工况下，热泵机组从湖库塘中获取的热量应等于建筑热负荷减去压缩机功率。

与第湖库塘开式水源热泵满负荷运行工况相比，在全年实际情况中，由于建筑冷热负荷逐时变化，水源热泵机组全年大部分时间在部分负荷下运行。

1.2 湖库塘开式水源热泵系统全年能耗计算流程
由上述运行特点分析可知，湖库塘开式水源热泵系统的能耗需联立求解建筑物的冷热负荷、热泵机组的性能和湖库塘传热性能的耦合关系，其各部分的相互关系如图1。

图1 湖库塘开式水源热泵系统能耗分析示意图
1.2.1 热泵机组能耗计算方法
由于热泵机组大部分时间是在部分负荷下运行，机组的实际能耗除了与与冷水、冷却水的供水状态相关外，还取决于机组的部分负荷性能参数。

为简化研究，本文采用部分负荷系数的概念，计算热泵机组的满负荷运行时间，从而确定在部分负荷下水源热泵机组的能耗。

部分负荷系数f 为热泵机组的理论运行时间与实际运行时间的比值，定义如下[7]
： 1(1)D i f C X =-- （1）
式中：D C 为衰变因子，如缺乏机组的测试数据时，0.25D C =；i X 为热泵机组的理论运行时间系数，即建筑负荷与机组实际容量之比。

当机组容量小于建筑负荷时，即i X >1时，表示设备连续满负荷运行，因此1f =。

热泵的实际运行时间系数/r i X X f =，因此热泵实际在每小时的满负荷运行时间为r X 小时。

热泵机组的能耗计算，首先确定水源热泵机组逐时的供冷和供热容量，以及对应的输
X，即为逐时的热泵机组压缩机能耗。

入压缩机功率，然后将压缩机功率乘以
r
1.2.2湖库塘循环水泵能耗计算方法
X的乘积。

湖库塘循环水泵的逐时能耗即为水泵功耗与实际运行时间系数
r
2工程实例的能耗计算分析
2.1 建筑概况
建筑为位于重庆的3层办公楼，每层8间办公室，示意图见图2。

建筑南北朝向，层高3m，建筑面积为294m2。

每间办公室3人工作，考虑加班，空调运行时间为8:00～18:00。

建筑的围护结构如下：建筑外墙采用240mm砖墙，内外抹灰；屋面采用120mm钢筋混凝土空心板加防水层，作简单通风空气层隔热；外窗采用单层5mm厚玻璃铝合金窗。

室内设计条件：夏季室内计算温度26℃，相对湿度50～60％；冬季室内计算温度16℃,相对湿度50～60％；换气次数1.0次/h。

图2 DOE2的建筑示意图
2.2 建筑冷热负荷计算结果
利用冷负荷系数法计算该建筑的每个房间的8:00～18:00逐时冷负荷，然后每个房间逐时累加，得到整个建筑的逐时冷负荷和最大冷负荷。

并按稳态传热法计算空调热负荷，建筑冷热负荷计算结果汇总见表1。

表1 建筑逐时冷、热负荷
时刻
8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 （ ）
26111 27769 29084 30390 30095 30714 32523 33403 33842 34078 32306 冷负荷
（w）
27337
热负荷
（w）
2.3 湖库塘水源热泵系统设计
湖库塘水源热泵空调系统包括水－水热泵机组、湖库塘和室内风机盘管加新风系统。

不论是湖库塘水源热泵空调系统还是空气源热泵空调系统，室内的空调方式都采用风机盘管加新风机组形式。

由于两种空调方案的室内侧设备相同，因此以下的设备选型和系统能
耗比较侧重介绍两者不同之处，即热泵机组与室外侧设备。

由上可知，建筑的总设计冷负荷为34.078kw ，考虑安全系数1.05，因此选用某厂家全封闭涡旋式水－水热泵机组一台，型号为HSSWR45(S)E 。

主要性能参数如表7.2所示。

表2 水－水热泵机组性能参数
型号 制冷工况
制热工况
制冷量(KW)
输入功率(KW)
制热量(KW)
输入功率(KW)
HSSWR45(S)E
35.8
8.3
53.4
10.9
池塘具体参数如下：水面长126m ，宽35m ，最深水深为7m ，侧壁为45°倾斜。

采用重叠式取排水方式（见图3），取水口高度/20H h =；取水位置/ 5.8z h ∆=[6]。

根据水源热泵机组室外水源侧流量为7.7m 3
/h ，及室外侧最不利环路的阻力损失，因此选用一台KQDP40-8-8离心泵，流量为6～10 m 3/h ，扬程为20.4～27m ，转速为2900r/min ，电机功率为1.5kW 。

图3 重叠式取排水布置图
2.4 空气源热泵系统设计
根据建筑总冷负荷，选用空气源热泵机组一台，型号为MAC1200R ，主要性能参数如表2所示。

表7 空气－水热泵机组性能参数
型号 制冷工况
制热工况
制冷量(KW)
输入功率(KW)
制热量(KW)
输入功率(KW)
2.5 湖库塘水源热泵系统的能耗分析
如前所述，本文只比较湖库塘水源热泵机组的压缩机能耗、室外侧循环水泵能耗与空气源热泵机组的压缩机能耗、风机能耗之间的差异。

湖库塘水源热泵系统的能耗计算步骤如下：
① 利用DOE2软件计算建筑的逐时冷、热负荷；
② 假定热泵机组的进水温度EWT ，调用第六章的热泵机组模型[6]
，计算在该进口温度EWT 下热泵机组的满负荷制冷量e Q 或制热量c Q 以及压缩机功率N
[7-14]。

然后根据建筑冷热
负荷和机组的制冷、制热容量计算热泵的实际运行时间系数r X ；
③ 由制冷量e Q 及压缩机功率N 可得到夏季冷凝器的排热量c Q ；或得到冬季蒸发器的取热量e Q ；
④ 在逐时计算中，当r X <1时，热泵机组为间歇运行，即假定在前面的r X 时间内，排放到湖库塘的夏季热量为c Q ；排放的冬季冷量为e Q ；在剩余时间内，湖库塘处于自然状态，无冷热量的排放；
⑤ 根据重叠式取排水方式下的水温模型[6]
，利用加载UDF 模块的FLUNT 软件，求解湖库塘的水温分布，然后可得出湖库塘取水口处的温度r EWT ，将计算的取水温度r EWT 与假定的热泵进水温度EWT 进行对比，如果满足公式2，则计算结束，否则用r EWT 替代EWT ，回到步骤（2）重复计算，直至满足条件；
r EWT EWT
EWT
ε-=<1e-5 （2）
⑥ 然后计算对应时刻的热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗[6] [15-16]
；最后对热
泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外循环水泵的能耗求和，即为湖库塘
水源热泵系统的全年能耗，具体结果如表3。

表3 湖库塘水源热泵系统全年能耗计算结果
月份 12月 1月 2月 6月 7月 8月 冷/热负荷（kWh ） 6170 6171 4504 5574 8017 8568 供冷/热量（kWh ） 7395.35 7326.45 5448.08 6457.91 8989.21 9554.63 压缩机能耗（kWh ） 1702.61
1758.85 1305.09 1270.98 1926.85 2137.87 水泵能耗（kWh ） 269.37 281.51 208.75 284.12 404.49 435.46 总能耗（kWh ） 1971.98 2040.35 1513.85 1555.09 2331.34 2573.34 水泵能耗比率 13.66% 13.80% 13.79% 18.27% 17.35% 16.92% EER （无水泵） 4.34 4.17 4.17 5.08 4.67 4.47 EER
3.75
3.59 3.60
4.15
3.86 3.72
冬/夏供热冷（KWh ） 20169.88 25001.75 压缩机能耗（KWh ） 4766.55 5335.70 冬/夏能耗（KWh ） 5526.18 6459.77 SEER （无水泵）
4.23 4.69 SEER
3.65
3.87
2.6 空气源热泵系统的能耗分析
由于缺乏空气源热泵机组的性能模拟程序，因此利用样本上的机组全负荷特性以及热泵的实际运行时间系数r X 方法进行全年能耗分析。

空气源热泵系统的能耗计算步骤如下： ① 利用DOE2软件计算建筑的逐时冷、热负荷；
② 根据室外空气温度，由热泵机组的全性能曲线，得到该工况下的热泵机组的满负荷制冷量e Q 或制热量c Q 以及压缩机功率N 。

然后根据建筑冷热负荷和机组的制冷、制热容量计算热泵的实际运行时间系数r X ；
③ 然后计算对应时刻的热泵机组压缩机功率N 和实际运行时间系数r X 的乘积，即为
X的乘积，即为室外风机的能热泵压缩机的能耗；计算室外风机功率和实际运行时间系数
r
耗；最后对热泵系统运行时间段内的所有热泵机组压缩机能耗和室外风机的能耗求和，即为空气源热泵系统的全年能耗和性能参数，具体结果详见表4.
表4 空气源热泵系统全年能耗计算结果
月份12月1月2月6月7月8月
冷/热负荷（kWh）6170 6171 4504 5574 8017 8568 供冷/热量（kWh）7280.84 7224.68 5405.32 6464.42 9004 9585.52 压缩机能耗（kWh）2113.82 2144.4 1540.53 1745.21 2614 2839.11 风机能耗（kWh）203.98 207.21 148.5 186.34 265.44 284.13 总能耗（kWh）2317.80 2351.61 1689.03 1931.55 2879.44 3123.24 风机能耗比率（％）8.80% 8.81% 8.79% 9.65% 9.22% 9.10% EER（无水泵） 3.44 3.37 3.51 3.70 3.44 3.38 EER 3.14 3.07 3.20 3.34 3.12 3.06 冬/夏供热冷（KWh）19910.84 25053.94
压缩机能耗（KWh）5798.75 7198.32
冬/夏能耗（KWh）6358.44 7934.23
SEER（无水泵） 3.43 3.48 SEER 3.14 3.18
2.7 湖库塘水源热泵系统与空气源热泵系统全年能耗比较
根据表3和表4，通过分析可得，在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为13.66％～18.27％；而在空气源热泵系统中，风机能耗占热泵总能耗的比例相对较小，大约为8.8％～9.65％。

若只考虑压缩机能耗时，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季增加23.32％，在夏季增加34.77％。

但考虑水泵能耗后，相对空气源热泵机组，湖库塘水源热泵机组能效比EER在冬季只增加16.24％，在夏季增加21.7％。

3 结论
本文提出一种简单可行的湖库塘开式水源热泵系统全年能耗分析方法，然后以小型办公建筑为实例，进行具体的全年能耗分析，最后与空气源热泵的能耗相对比。

分析结果表明：
（1）湖库塘水源热泵系统的季节性能比均高于空气源热泵机组。

与空气源热泵相比，考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统冬季供热季节能效比SEER提高16.24％，夏季供冷季节性能比SEER提高21.7％；
（2）在冬季时，在每个月时湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；在夏季时，在每个月时湖库塘水源热泵对应的EER值都大于空气源热泵的EER值；与空气源热泵相比，湖库塘水源热泵性能更稳定、更有利；
（3）在湖库塘开式水源热泵系统中，水泵能耗占热泵总能耗的比例较大，大约为13.66％～18.27％，当考虑水泵能耗后，湖库塘水源热泵系统能效比在夏季降低21.19％，在冬季降低15.89％。

因此说明对于湖库塘开式水源热泵系统，室外循环水泵能
耗的存在较大的影响，应该在实际工程应用中采取措施降低循环水泵能耗。

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