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空气源热泵供暖系统用户侧变流量运行特性

更新时间:2009-03-28

空气源热泵是将空气作为热泵机组的低温热源,基于逆卡诺循环原理,通过消耗少量电能,将空气中的低温热能转化为高温热能的技术[1]。许多学者对热泵(包括地源热泵、水源热泵、空气源热泵等)供暖系统运行能耗的研究表明,用户侧水泵变流量运行更加节能[2-4]。本文针对济南市某住宅楼,利用TRNSYS模拟软件模拟供暖期逐时热负荷,并建立空气源热泵供暖系统(以下简称热泵供暖系统)能耗模型,分析对比供暖严寒期用户侧水泵分别采取定流量、变流量运行方式时的热泵供暖系统能效比、耗电量。

1 建筑概况与系统流程

1.1 建筑概况

济南市某住宅楼,总供暖面积为4 650 m2,总高度为19.8 m,建筑为6层,每层高度为3.3 m,室内采用地板辐射供暖系统。围护结构传热系数见表1。各朝向的窗墙比分别为:东向为0.14,西向为0.12,南向为0.52,北向为0.47。

 

1 围护结构的传热系数

  

围护结构传热系数/(W·m-2·K-1)外门2.60外墙0.46外窗2.50屋面0.48地面0.38

1.2 热泵供暖系统流程

热泵供暖系统流程见图1。2台空气源热泵机组并联运行,热泵机组出水由机组侧水泵加压后经集水器进入水箱。用户侧水泵将水箱上部热水抽出后供给用户,经室内地面辐射供暖系统散热后回到水箱。水箱底部冷水经分水器进入热泵机组进行加热。热泵机组、机组侧水泵、分集水器、水箱及用户侧水泵均安装在建筑地下室。

  

图1 热泵供暖系统流程

2 热负荷模拟与设备选型

2.1 热负荷模拟模型

采用TRNSYS软件,对供暖期(11月16日至12月31日,7 656~8 760 h;次年1月1日至3月15日,1~1 776 h)逐时热负荷进行模拟计算。通过Simulation Studio(仿真平台)选择气象组件(Weather data)、时间控制组件(Type14h)及多区域建筑组件(Building)、计算组件(Equa)等,然后进行组件连接、组件参数输入,从而搭建负荷动态模拟计算模型。采用TRNSYS软件建立的负荷模拟模型(软件截图)见图2。

  

图2 采用TRNSYS软件建立的负荷模拟模型(软件截图)

气象组件(Weather data):选用Meteonorm气象软件,在Meteonorm气象软件中输入项目所在地,即可综合1991—2010年的历史气象数据得到目的地典型年的8 760 h的逐时气象数据,将数据导入气象组件(Weather data),通过软件自动加载的太阳辐射量组件(Radiation)、有效天空温度组件(Sky temp)、空气焓湿量调用组件(Psychrometrics)与多区域建筑组件(Building)建立联系。

第二,对立认同对立认同是基于双方共同的对立面而达成的彼此认同。这个对立面可以是人、物或者生存环境等,这体现了伯克不受古典修辞学的束缚,将新修辞学与人的生存环境的哲学思考相联系的超前思维。例如,两个不同发展路线的国家,面对共同的对立面时,原本彼此关系生疏的双方超越发展路线的分歧,达成共谋发展的合作认同。对立认同中的对立关系普遍存在于人类社会中,这就要求我们在现实生活中不断对周围的环境审时度势后做出认知判断,再采取恰当的行动。

供暖期逐时热负荷模拟结果见图3。由模拟结果可知,供暖期最大热负荷为220.5 kW,对应室外温度为-10.95 ℃。供暖室外计算温度(-7.4 ℃)条件下,热负荷为167.5 kW。

时间控制组件(Type14h):负责对模拟时间进行控制,对于本文,将模拟时间控制在供暖期。

计算组件(Equa):根据时间控制组件(Type14h)对模拟时间的控制,对由多区域建筑组件(Building)计算得到的全年建筑负荷进行筛选,获得供暖期逐时热负荷。

天气文件组件(Type15-2):仍采用Meteonorm气象软件得到项目所在地典型年逐时气象数据,并将气象数据导入天气文件组件(Type15-2)。

2.2 输入参数

TRNSYS软件采用反应系数法对建筑围护结构传热量进行计算[5],并综合考虑太阳辐射得热量,室内热扰考虑照明装置发热量、电气设备发热量、人体散热量等热扰,进而计算得到热负荷。

供暖室内设计温度为16 ℃,相对湿度为50%,室内风速小于0.3 m/s,人均居住面积为25 m2/人,渗透换气次数设定为0.5 h-1,全天24 h供暖。室内热扰的分时数据见表2,在表2中,第8 h表示[7:00,8:00),第12 h表示[11:00,12:00),以此类推。

2.3 热负荷模拟结果

多区域建筑组件(Building):负责计算建筑负荷(可计算全年建筑负荷),该组件通过调用TRNBuild建立多区域(指建筑热区)建筑负荷模型,并根据房间功能对建筑进行热区划分及对不同功能房间的室内设计参数进行设置。

 

2 室内热扰的分时数据

  

时段第8 h~第12 h第13 h~第18 h第19 h~第23 h第24 h~次日第7 h照明装置发热量/(W·m-2)55100电气设备发热量/(W·m-2)12.512.512.56.0人体散热量/(W·人-1)50505050

  

图3 供暖期逐时热负荷

2.4 设备选型

① 热泵机组

末端荷载组件(Type682):由组件Type9e导入逐时热负荷,计算出逐时质量流量导入变频水泵组件(Type270)。

② 水泵与水箱

考虑裕量系数1.15,水泵质量流量qm的计算式为:

 

(1)

式中 qm——热水质量流量,t/h

Φd——热负荷,kW

cp——水的比定压热容,kJ/(kg·K),取4.186 kJ/(kg·K)

Δt——供回水温差,℃

热泵机组与用户的供回水温差均取5 ℃,机组侧与用户侧设计热负荷均为167.5 kW。由式(1)可计算得到,机组侧、用户侧热水设计质量流量均为33.13 t/h。

对于机组侧,考虑机组、分集水器、管道沿程及局部阻力后,单台热泵机组配套水泵的参数选为:质量流量为17 t/h,扬程为20 m,电功率为1.79 kW。对于用户侧,考虑管道沿程及局部阻力、最不利用户室内地面辐射供暖系统阻力、建筑高程,用户侧水泵的参数选为:质量流量为35 t/h,扬程为61.5 m,电功率为10.85 kW。水箱容积按可容纳0.5 h的机组侧热水质量流量进行选取,并适当放大,最终水箱容积选取为20 m3

高频扭转冲击钻井是一种能大幅提高钻井效率的新兴钻井技术[1],该技术可将流体的液压能转化成周向的、高频的机械能并直接施加给钻头[2],实时释放积聚的钻杆扭矩,从而大幅减少或消除钻头的黏滑振动,在保证井身质量的同时提高机械钻速、延长钻具寿命。该技术应用前景广阔,但由于国外的技术垄断和国内对其破岩机理认识不清,使高频扭转冲击钻井技术还未能在国内实现推广应用,因此,开展液压式扭转冲击钻井技术及配套工具研究对于提高我国深部硬地层钻井技术水平意义重大。

3 能耗模拟

3.1 运行策略

在能耗模拟时段(供暖严寒期240~408 h),对于用户侧水泵定流量运行方式,用户侧水泵按设计流量运行。相对于用户侧水泵定流量运行,用户侧变流量运行根据逐时室外温度变化引起的热负荷变化,自动调整流量。

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热泵机组运行数量按以下规则控制:一定室外温度下,当热负荷大于1台热泵机组的制热量能力时启动2台热泵机组,反之启动1台热泵机组。热泵机组的启停根据热泵机组回水温度控制,当热泵机组回水温度高于40.5 ℃时停机,当热泵回水温度低于39.5 ℃时开机。

现代有轨电车与地铁具有很大的区别,现代有轨电车发展时间比较短,驾驶员的培训还处于初级阶段,各方面设备与技术不太成熟,学员取得驾驶证之后,还需要进行二次培训,主要原因在于以下几点:

3.2 能耗模型

笔者利用TRNSYS软件分别搭建用户侧水泵采取定流量、变流量运行时的能耗模型(软件截图),分别见图4、5。能耗模型可用于模拟用户侧水泵定流量、变流量运行方式下,用户侧供回水温度、热泵机组制热性能系数、热泵供暖系统能效比及耗电量。

能耗模型在TRNSYS软件中主要调用以下组件:天气文件组件(Type15-2)、热泵机组组件(Type941)、水箱组件(Tank)、集水器组件(Type11h)、分水器组件(Type11f)、末端荷载组件(Type682)、定频水泵组件(Type114)、变频水泵组件(Type270)、热泵机组启停控制器组件(Controller)以及其他计算组件和输出组件。

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水箱组件(Tank):选用分层水箱模型,设定水箱由6层等体积水层组成,每层高度为0.5 m,水箱容积为20 m3

由逐时气象参数可知,典型年供暖期低于供暖室外计算温度-7.4 ℃的时间共103 h。根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定的供暖室外计算温度应采用历年平均不保证5 d的日平均温度,该项目的热泵机组按照供暖室外计算温度-7.4 ℃下的热负荷(以下称为设计热负荷)167.5 kW进行选型。选取2台热泵机组,单台制热能力为84.2 kW,输入电功率为34.1 kW。

热泵机组启停控制器组件(Controller):根据运行策略,控制热泵机组的工作数量及启停。

  

图4 用户侧水泵采取定流量运行方式时的能耗模型(软件截图)

  

图5 用户侧水泵采取变流量运行方式时的能耗模型(软件截图)

4 模拟结果与分析

① 模拟对象

积极落实中央对地方金融机构的财政奖补和税收优惠政策。要加大地方财政资金投入力度,落实“引金入市(县)”、金融机构支持地方经济发展考核激励、贷款贴息、融资担保、政策性保险等财政奖补政策;深入推进社会信用体系建设,营造良好金融生态环境,增强对金融资源的吸引力[5]。

笔者选取供暖严寒期(240~408 h)作为模拟时间,对热泵供暖系统能效比、耗电量进行模拟计算。

式中 I——热泵供暖系统能效比

 

(2)

热泵供暖系统能效比I的计算式为:

Q——热泵供暖系统供热量,kW·h

E——热泵供暖系统耗电量,kW·h

热泵供暖系统供热量以用户侧供暖热水的逐时质量流量及供回水温差计算,为方便计算,单位以kW·h计。热泵供暖系统耗电量包括热泵机组、机组侧水泵、用户侧水泵的耗电量。

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② 模拟结果与分析

从今年9月1日起,无论是小汽车、货车还是中型客车,都将在全国范围内实行“通检”!申请人无需办理委托检验手续。

模拟时间内,用户侧水泵采取定流量运行方式时,热泵供暖系统供热量为27.38 MW·h,耗电量为11.29 MW·h(热泵机组耗电量8.03 MW·h,机组侧水泵耗电量1.00 MW·h,用户侧水泵耗电量2.26 MW·h)。用户侧水泵采取变流量运行方式时,热泵供暖系统供热量为27.38 MW·h,耗电量为9.89 MW·h(热泵机组耗电量8.50 MW·h,机组侧水泵耗电量1.01 MW·h,用户侧水泵耗电量0.38 MW·h)。由式(2)可计算得,两种运行方式的热泵供暖系统能效比分别为2.43、2.77。由此可知,用户侧水泵采取变流量运行方式时,热泵供暖系统的能效比更高,耗电量更低。

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5 结论

采用TRNSYS模拟软件,对济南市某住宅楼供暖期逐时热负荷进行模拟。采用空气源热泵机组作为热源,根据热负荷对热泵机组进行选型。采用TRNSYS模拟软件建立热泵供暖系统能耗模型,在严寒期,分别模拟计算用户侧水泵采取定流量、变流量运行方式时(采用定流量运行时,用户侧水泵按设计流量运行;采用变流量运行时,用户侧水泵按用户热负荷、供回水温差计算到的实际流量变频运行)热泵供暖系统的能效比、耗电量。两种运行方式的热泵供暖系统能效比分别为2.43、2.77。用户侧水泵采取定流量运行方式时,热泵供暖系统供热量为27.38 MW·h,耗电量为11.29 MW·h(热泵机组耗电量8.03 MW·h,机组侧水泵耗电量1.00 MW·h,用户侧水泵耗电量2.26 MW·h)。用户侧水泵采取变流量运行方式时,热泵供暖系统供热量为27.38 MW·h,耗电量为9.89 MW·h(热泵机组耗电量8.50 MW·h,机组侧水泵耗电量1.01 MW·h,用户侧水泵耗电量0.38 MW·h)。用户侧水泵采取变流量运行方式时,热泵供暖系统的能效比更高,耗电量更低。

参考文献

[1] 闫丽红,王景刚,鲍玲玲,等. 低温空气源热泵研究新进展[J]. 建筑节能,2016(8):6-8.

[2] 杨少刚. 基于TRNSYS地埋管地源热泵变流量系统仿真研究(硕士学位论文)[D]. 济南:山东建筑大学,2016:24-78.

[3] 藕俊彦,王芳,余大维,等. R417A喷气增焓热泵热水器低温环境下的变流量特性分析[J]. 流体机械,2016(9):82-87.

[4] 魏波,马良栋,张吉礼. 部分负荷下冷冻水变流量对水源热泵机组性能影响分析[J]. 建筑热能通风空调,2012,31(1):1-5.

[5] 孙德宇. 空调负荷计算方法及软件比对分析研究(硕士学位论文)[D]. 北京:中国建筑科学研究院,2011:69-74.

 
宋小曼,杨丽,王伟洁
《煤气与热力》 2018年第05期
《煤气与热力》2018年第05期文献

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