改進(jìn)-BIN參數(shù)在水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)中-應(yīng)用

1、改進(jìn)-BIN參數(shù)在水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)中-應(yīng)用            要： 本文對(duì)美國(guó)ASHRAE改進(jìn)的Bin能耗計(jì)算方法(Modified Bin Method)作了一些適合于我國(guó)華北地區(qū)民用住宅使用的修改后，根據(jù)天津市最近十二年的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算了天津地區(qū)全天24小時(shí)和18:008:00之間兩種情況下的全年Bin數(shù)據(jù)。并在考慮了水源熱泵的部分負(fù)荷特性對(duì)機(jī)組效率的影響之后，對(duì)水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的兩種常見(jiàn)工作模式進(jìn)行了全年能耗計(jì)算與分析。 關(guān)鍵詞： 水源熱泵 住宅中央

2、空調(diào) Bin 能耗分析 部分負(fù)荷特性Application of the Modified BIN Method to WSHP Residential Central Air-conditioning SystemAbstract: 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

3、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 (W

4、SHP) 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.概述住宅中央空調(diào)(Residential Central Air-conditioning)的

5、概念最先來(lái)源于美國(guó),它是一種通過(guò)風(fēng)道或冷熱水管道將中央空調(diào)處理機(jī)集中處理過(guò)的空氣或冷熱水送進(jìn)位于不同房間的空調(diào)未端,補(bǔ)償各房間的冷熱損失,以達(dá)到各房間空氣調(diào)節(jié)目的的空調(diào)形式。隨著我國(guó)目前城市環(huán)境問(wèn)題的日益重視和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,在黃河流域,采用經(jīng)濟(jì)、清潔的熱泵中央空調(diào)系統(tǒng),已經(jīng)變得日益重要。正是在此背景下,深井回灌的水源熱泵(Water Source Heat Pump)方式有可能成為滿足這種需求的住宅供熱空調(diào)方式。較為簡(jiǎn)便可行的水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗分析將對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)形式在住宅空調(diào)方面的發(fā)展、系統(tǒng)的的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理以及用戶對(duì)水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的認(rèn)同與選購(gòu)都有著很重要的意義。本

6、文將美國(guó)ASHRAE改進(jìn)的Bin能耗計(jì)算方法(Modified Bin Method)引入水源熱泵住宅中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析與計(jì)算,使得該系統(tǒng)的能耗分析與計(jì)算變得更為簡(jiǎn)單。2.建筑物全年負(fù)荷計(jì)算2.1計(jì)算方法簡(jiǎn)介空調(diào)系統(tǒng)全年能耗分析必須以建筑物全年負(fù)荷計(jì)算為基礎(chǔ)。關(guān)于建筑物全年負(fù)荷計(jì)算有兩種方法：一是建立建筑物熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型,在計(jì)算機(jī)上作全年或某時(shí)間段的逐時(shí)模擬,逐時(shí)計(jì)算法是最復(fù)雜,也是最準(zhǔn)確的一種能耗計(jì)算法,它是根據(jù)室外逐時(shí)的氣象數(shù)據(jù),室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),逐時(shí)計(jì)算出建筑的能耗。其代表軟件有:美國(guó)政府的DOE2,美國(guó)軍方的BLAST和室內(nèi)環(huán)境溫度和能耗模擬軟件DEROB。二是各種簡(jiǎn)化計(jì)算方法,如度

7、日法、擴(kuò)大度日法、當(dāng)量運(yùn)行小時(shí)法、溫頻法(Bin)等。與動(dòng)態(tài)模擬相比,后者精度稍差,但比較簡(jiǎn)單,當(dāng)建筑物用途及系統(tǒng)恒定時(shí),用這種方法是合理的124。度日法是最簡(jiǎn)單的方法，但通常產(chǎn)生的結(jié)果較差，它不能在運(yùn)行效率取決與室外環(huán)境的系統(tǒng)中運(yùn)行，熱泵就是一個(gè)很好的例子。本文采用的改進(jìn)的溫濕頻參數(shù)(Modified Bin Method)法同屬于簡(jiǎn)化計(jì)算法，但是它將室外工況和部分負(fù)荷工況所產(chǎn)生的效果考慮在內(nèi)，這種方法具有足夠的精度滿足水源熱泵系統(tǒng)的要求4。尤其，改進(jìn)的Bin方法與其他方法比較，更側(cè)重于能耗的分析與計(jì)算。該方法可以在各種負(fù)荷狀態(tài)(而不只是在設(shè)計(jì)負(fù)荷條件)下，將設(shè)備的運(yùn)行效率、啟停狀態(tài)的影響以

8、及再熱量、全熱回收等因素考慮在內(nèi)，進(jìn)行較為準(zhǔn)確的能耗分析。本文結(jié)合我國(guó)氣象數(shù)據(jù)的特點(diǎn),對(duì)ASHRAE改進(jìn)的溫頻參數(shù)(Bin)法做了如下調(diào)整：1)Bin數(shù)據(jù)的溫度間隔取為兩度,提高了計(jì)算精度；2)用含濕量代替濕球溫度,這樣在計(jì)算潛熱負(fù)荷時(shí)不用再進(jìn)行由濕球溫度到含濕量的換算；3)由于我國(guó)大部分地區(qū)冬夏季空調(diào)參數(shù)相差很大,結(jié)合住宅空調(diào)運(yùn)行特點(diǎn),分別計(jì)算了天津地區(qū)24小時(shí)和18:00"8:00的兩種Bin數(shù)據(jù)。其中濕球溫度直接來(lái)源于天津地區(qū)室外氣象數(shù)據(jù)，它的采用使得計(jì)算潛冷負(fù)荷和潛熱負(fù)荷時(shí)節(jié)省了相對(duì)濕度向濕球溫度轉(zhuǎn)換的步驟。2.2負(fù)荷計(jì)算(1) 式中：QSOLj通過(guò)窗戶的太陽(yáng)負(fù)荷,(W/m2

9、),j等于7或者1；建筑物所有外窗朝向數(shù)；MSHGFi朝向i月最大太陽(yáng)數(shù),(W/m2)AGi朝向i的窗戶的總面積,(m2)Cs朝向i的遮陽(yáng)系數(shù)，Cs=0.93；CLFTOTi朝向i在24小時(shí)內(nèi)太陽(yáng)冷負(fù)荷系數(shù)之和；KT月平均日照率；T空調(diào)系統(tǒng)在t時(shí)的運(yùn)行小時(shí)數(shù),(hr)；A建筑物的空調(diào)面積,(m2)；其中,QSOL與室外氣溫T之間存在著線性關(guān)系：(2) 式中：tc峰值冷負(fù)荷溫度,天津地區(qū)為35；th(3)     2007-05-12        式中：TL由室內(nèi)外溫差引起的

10、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)冷熱負(fù)荷(W/m2)；建筑物的傳導(dǎo)表面數(shù)；Ai第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的面積(m2)；Ki第i個(gè)表面的傳熱系數(shù)(W/m2·)；t室外空氣溫度()；tn室內(nèi)設(shè)定溫度(),制冷工況26,采暖工況20,防凍工況10。2)通過(guò)屋面、墻體和窗戶由投射在外表面上的日射引起的不穩(wěn)定傳熱部分：(4) 式中：QTSj太陽(yáng)日射形成的傳導(dǎo)冷負(fù)荷(W/m2),j等于7或者1；CLTDS太陽(yáng)日射形成的墻體冷負(fù)荷溫差()；KC墻體外表面顏色修正系數(shù),深色調(diào)取1.0；其中QTS與室外空氣溫度之間存在著線性關(guān)系： (5) 2.3天津地區(qū)溫頻(Bin)數(shù)計(jì)算根據(jù)天津地區(qū)最近十二年的氣象資料,以2溫度差作為一個(gè)溫

11、頻段,整理得到天津地區(qū)溫頻參數(shù)。表1為全天24小時(shí)的溫頻值,表2為18:008:00之間的溫頻值。天津地區(qū)24小時(shí)Bin數(shù)北緯39°06東經(jīng)117°10 海拔3.3m 表1 干球溫度()-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 小時(shí)數(shù)(h)14 46 147 244 446 555 615 424 385 303 301 324 407 平均含濕量(g/kg)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 續(xù)表1干球溫度()15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 小

12、時(shí)數(shù)(h)429 456 510 597 608 628 524 401 228 112 17 平均含濕量(g/kg)6 7.5 8.1 10 12 12.4 14.4 14.2 15 14 11.4 天津地區(qū)18:008:00 Bin數(shù)北緯39°06東經(jīng)117°10海拔3.3m表2干球溫度()-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 小時(shí)數(shù)(h)9 37 111 189 304 380 385 225 183 157 183 212 256 平均含濕量(g/kg)0.43 0.9 1.1 1.2 1.7 2.1 2.4 2.5 3.3 3.8

13、4.4 5.1 5.9 續(xù)表2干球溫度()15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 小時(shí)數(shù)(h)272 296 302 378 385 348 285 125 41 7 4 平均含濕量(g/kg)6.7 8.2 9.3 11.7 13.1 14.4 15.7 15.9 16.2 14.5 12.2     3.住宅建筑能耗分析與計(jì)算實(shí)例3.1建筑概況為具有代表性,本文選用了一戶位于天津市某高檔水源熱泵系統(tǒng)住宅小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)戶型住宅,戶型為三室兩廳、雙衛(wèi)雙廁空調(diào)面積200平米?？照{(diào)機(jī)組選用我們自己開(kāi)發(fā)的水源熱泵中央空調(diào)機(jī)組。該建筑基本情

14、況如下：1) 夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)tn=26, dn=12.7g/kg ；2)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)：正常運(yùn)行tn=20, dn=7.4g/kg；防凍運(yùn)行：tn=10，dn=3.8 g/kg；3)外墻：內(nèi)面抹灰200mm加氣混凝土,外墻南、北兩面面積分別是45m2,36m2；4)窗戶：?jiǎn)螌?mm厚玻璃塑鋼窗,南窗10m2,北窗8m2；傳熱系數(shù)K=5.8W/m2·K5)窗內(nèi)掛中間色窗簾；6)*門窗等縫隙引入新風(fēng),新風(fēng)滲透量0.5次/h；7)室內(nèi)負(fù)荷：燈具7.5W/m2,空調(diào)期間同時(shí)使用系數(shù)0.75,非空調(diào)期間同時(shí)使用系數(shù)為0；考慮設(shè)備均在衛(wèi)生間或廚房，設(shè)備負(fù)荷12W/m2；人員：空調(diào)期間全熱負(fù)荷

15、為1115/200=2.8W/m2。 3.2能耗計(jì)算及其分析2,QSOL1=3.43W/m2,代入式(2)得到關(guān)系式：QSOL=0.011t+3.55(6) 冬季18:00"8:00：THL=-0.828t+16.56；(8) 冬季8:00"18:00：THL=-0.828t+8.28；(9)     2007-05-12        2顯熱負(fù)荷：QVHS=-0.442t+8.84；(13) 潛冷負(fù)荷：QVL=1.08d-13.72；(14)潛熱負(fù)荷(室

16、內(nèi)溫度20)：QVH1=-1.08d+8.0；(15)潛熱負(fù)荷(室內(nèi)溫度10)：QVH1=-1.08d+4.1；(16) 3.3建筑物能耗計(jì)算1)供冷負(fù)荷(18:00"8:00)：由(6)、(8)、(11)、(12)、(13)疊加得到室內(nèi)顯冷負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式： QCL=1.25t-6.55(17)2)正常運(yùn)行期間(18:00"8:00)供熱負(fù)荷：由(6)、(9)、(11)、(14) 疊加得到室內(nèi)熱負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式(室內(nèi)負(fù)荷作為安全因素)：QHL1=-1.25t+19.35(18)3)防凍運(yùn)行期間(8:00"18:00)供熱負(fù)荷：由(6)、(10

17、)、(11)、(14)疊加,得到室內(nèi)熱負(fù)荷隨室外溫度變化的關(guān)系式：QHL2=-1.25t+11.07(19)將表1和表2中各BIN段相對(duì)應(yīng)的室外空氣溫度和相對(duì)濕度分別代入(14)(19)各式,即可得到各頻段的冷負(fù)荷和供暖熱負(fù)荷,冷熱負(fù)荷乘上各對(duì)應(yīng)頻段的小時(shí)數(shù)即得到制冷總耗冷量和供暖耗熱量。(天津地區(qū)開(kāi)始制冷時(shí)的室外溫度取23,開(kāi)始采暖時(shí)的室外溫度取5)?？偤睦淞坑?jì)算表(18 :00"8 :00) 根據(jù)表57可得到運(yùn)行模式一下該標(biāo)準(zhǔn)住宅的年能耗量：耗冷量總計(jì)30.32+2.3232.64kWh/m2；耗熱量總計(jì)47.60+13.14=60.74kWh/m2。以同樣的方法可以得到模式二下

18、全年能耗量：耗冷量總計(jì)70.60kWh/m2；耗熱量總計(jì)75.69kWh/m2。3.4空調(diào)負(fù)荷與室外溫度的線性關(guān)系圖表右圖1反映了以上各空調(diào)負(fù)荷與室外空氣溫度的線性關(guān)系。 4.水源熱泵住宅中央空調(diào)全年能耗計(jì)算方法根據(jù)由改進(jìn)的BIN方法計(jì)算出的建筑能耗，初步確定所需設(shè)備的能耗量，再根據(jù)設(shè)備廠家提供的設(shè)備詳細(xì)數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際的設(shè)備輸入功率。本文使用的熱泵機(jī)組為我們和天大勝遠(yuǎn)空調(diào)公司合作開(kāi)發(fā)的住宅式水源熱泵機(jī)組，采用谷輪公司ZR47K3-PFJ壓縮機(jī)。 4.1設(shè)備選擇(見(jiàn)表8) 1)該小區(qū)采取集中供應(yīng)冷卻水的方式,地源水循環(huán)水泵集中設(shè)置,小區(qū)住戶分?jǐn)偟卦此h(huán)水泵的運(yùn)行費(fèi)用。本文為便于進(jìn)行能耗分析,采用分?jǐn)偟卦此h(huán)水泵能耗的方式進(jìn)行計(jì)算。2)用戶系統(tǒng)房間裝設(shè)風(fēng)機(jī)盤管。 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備表8 熱泵機(jī)組水源循環(huán)水泵(分?jǐn)傊?用戶循環(huán)水泵風(fēng)機(jī)盤管(總和)制冷工況制熱工況制冷工況制熱工況輸入功率(W)2420346050020065250輸出冷（熱）量(W)1140012700-(熱泵機(jī)組測(cè)試條件：制熱時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)出口45/50,冷凝器進(jìn)出口17/7；制冷時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)