摘要：结合工程实例，对天津地区某办公建筑分别采用带有辅助热源的水环热泵、空气源热泵空调系统进行供冷、供热的工艺流程进行了比较。分析了负荷率对两种空调系统功耗的影响，比较了两种空调系统的系统造价及运行费用。负荷率为80%～100%时，水环热泵空调系统的功耗升高速率较快。水环热泵空调系统的系统造价及运行费用均低于空气源热泵空调系统。
关键词：水环热泵；空气源热泵；系统造价；运行费用
Comparative Analysis of Energy Saving between Water Loop Heat Pump and Air-source Heat Pump
YU Qidong
Abstract：Combined with an engineering case，the cooling and heating process flows of water loop heat pump air-conditioning system with auxiliary heat source and air-source heat pump air-conditioning system used in an office building in Tianjin are compared.The influence of load rate on the power consumption of two air-conditioning systems is analyzed.The manufacturing cost and operation cost of two air-conditioning systems are compared.The power consumption of water loop heat pump air-conditioning system is increased faster at the load rate of 80% to 100%.The manufacturing cost and operation cost of water loop heat pump air-conditioning system are less than those of air-source heat pump air-conditioning system.
Key words：water loop heat pump；air-source heat pump；system manufacturing cost； operation cost
低碳、节能、环保既是21世纪世界经济发展的主题，也是我国经济长期可持续发展的模式。水环热泵作为一种节能装置，在工程中应用价值也越来越高。已有学者对水环热泵空调系统在京津地区单体建筑中的节能性进行了分析研究，结果表明：水环热泵空调系统在没有明显内外区划分的单体建筑中也具有节能性[1]。本文结合天津地区某工程实例，对水环热泵空调系统与空气源热泵空调系统的运行能耗、系统造价及运行费用进行对比分析。
1 系统工艺流程及差别分析
① 水环热泵空调系统
水环热泵空调系统是用水环路将小型水源热泵(水环热泵机组)并联在一起，构成以回收建筑物内部余热为主要特征的供热与供冷空调系统。这种系统要求建筑物内部具有可回收的余热，通过循环水将这些余热分配到需热区域，在不需要外界任何能量情况下，不同区域的水环热泵机组可同时从循环水中取热与放热，实现同时供热与供冷的效果。水环热泵空调系统工艺流程见图1。
水环热泵空调系统中两个关键的部分为循环水系统和水环热泵机组。循环水系统作为水环热泵空调系统中各水环热泵机组的能量载体，流动的不是冷水或热水，而是常温的循环水。在供热时，循环水为水环热泵机组提供热源，不足的热量由辅助加热设备补充。在供冷时，循环水为水环热泵机组提供冷源，而多余的热量则由冷却塔排出。水环热泵机组是水-空气热泵机组的一种，各机组均能单独实现供热和供冷功能，机组直接将循环水作为热源和热汇，直接与室内空气进行热交换，承担室内负荷。
循环水温度通常维持在15～35℃，循环水的温度范围是循环水系统控制的重要依据。当循环水温度高于设计上限时，冷却塔开启，循环水通过冷却塔散热。当循环水温度低于设计下限时，辅助加热设备投入使用，对循环水进行加热，由此保证循环水温度处于设计范围内，从而保证水环热泵机组的高效运行。通常，在夏季，水环热泵空调系统中各水环热泵机组均按供冷工况运行，向循环水放热，此时需要开启冷却塔散热。在冬季，系统中大部分水环热泵机组按供热工况运行，从循环水吸热，而一些位于建筑物内区的机组由于房间常年需要供冷而按供冷工况运行，向循环水放热。当系统中供冷机组的放热量不足以补充供热机组的吸热量时，循环水温度将下降，当下降到设计下限时，辅助加热设备开启。当放热量大于吸热量时，循环水温度将上升，当上升到设计上限时，冷却塔开启。在过渡季节，水环热泵空调系统中供冷机组的放热量与供热机组的吸热量经常处于相当的水平，此时循环水温度自动维持在设计范围内，无需开启冷却塔或辅助加热设备。
② 空气源热泵空调系统
空气源热泵空调系统工艺流程见图2。冬季，空气源热泵空调系统通过空气源热泵提取室外空气的热量，再通过末端风机盘管释放到建筑物内部房间中。对于采用两管制风机盘管的空调系统，空气源热泵空调系统不能实现不同区域同时供热与供冷。空气源热泵由于采用了空气循环式散热方式，因此不需要设置冷却塔，但受室外气象条件(主要指温度与相对湿度)影响很大。冬季室外温度降低时，由于蒸发器结霜常导致空气源热泵制热量剧烈下降，机组甚至无法启动。为了解决这个问题，需要增设辅助加热设备(电加热水箱)以保证空调系统冬季的安全运行。
③ 差别分析
相对于传统供热空调系统，上述两种空调系统都具有节能性，但所采用的节能方式不同。空气源热泵空调系统是利用热泵机组将室外空气中的热量转移到室内房间，从而达到节能环保效果。而水环热泵空调系统则是利用循环水将建筑物内部所产生的余热进行合理分配，从而达到节能与环保效果的节能技术。这种技术最突出的特点是在不需要任何外加冷热源的条件下，通过建筑物内部的能量回收与转移，实现不同区域供热与供冷，既满足不同区域房间热舒适度，又实现了节能与环保的效果。
2 工程概况与空调系统方案
2.1 工程概况
该工程位于天津，为两层单体办公建筑，总建筑面积约1000m2。天津地区室外气象参数：夏季空调室外计算干球温度为33.4℃，夏季空调室外计算湿球温度为26.9℃，冬季供暖室外计算温度为-9℃，夏季室内设计温度为27℃，冬季室内设计温度为21℃。建筑总冷负荷为105.5kW，总热负荷为70kW。
2.2 空调系统方案
① 方案1
空气源热泵空调系统。采用2台YCAC75(H)空气源热泵机组，总制冷量为126kW，总制热量为134kW，制冷工况下输入功率为46kW，制热工况下输入功率为47.5kW。共选用24台风机盘管作为末端设备，总功率为2.72kW。采用电加热水箱作为空气源热泵系统冬季的辅助热源，补偿加热量按系统热负荷50%考虑，取35kW。
② 方案2
水环热泵空调系统。采用23台SHR系列单元式水环热泵机组，总制冷量为105.5kW，总制热量为120.8kW，制冷工况下输入功率为23.5kW，制热工况下输入功率为25.2kW。采用电加热水箱作为水环热泵空调系统冬季辅助热源，补偿加热量按系统热负荷70%考虑，取50kW。
在5种负荷率100%、80%、60%、40%、20%下，对两种方案夏冬季的运行能耗进行测试。两种方案夏、冬季运行能耗的测试数据分别见表1、2。
表1 两种方案夏季运行能耗测试数据
|
负荷率/%
|
运行时间/h
|
机组功率/kW
|
循环泵功率/kW
|
冷却塔功率/kW
|
风机盘管功率/kw
|
耗电量/(kW·h)
|
||||
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
|||
|
100
|
75
|
32.20
|
16.46
|
2.2
|
0.O0
|
1.50
|
2.72
|
0.00
|
2784
|
1512
|
|
80
|
375
|
23.94
|
9.24
|
0.80
|
2.18
|
10620
|
4590
|
|||
|
60
|
600
|
18.00
|
6.91
|
0.63
|
1.63
|
13098
|
5844
|
|||
|
40
|
300
|
12.88
|
4.61
|
0.42
|
1.O9
|
4851
|
2169
|
|||
|
20
|
150
|
9.05
|
2.30
|
0.21
|
0.54
|
1769
|
707
|
|||
表2 两种方案冬季运行能耗测试数据
|
负荷率/%
|
运行时间/h
|
机组功率/kW
|
循环泵功率/kW
|
辅助热源功率/kw
|
风机盘管功率/kW
|
耗电量/(kW·h)
|
||||
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
方案1
|
方案2
|
|||
|
100
|
72
|
11.56
|
5.49
|
2.2
|
35
|
50
|
2.72
|
0.00
|
3707
|
4154
|
|
80
|
360
|
7.63
|
4.14
|
28
|
28
|
2.18
|
14404
|
12362
|
||
|
60
|
576
|
5.35
|
3.09
|
21
|
21
|
1.63
|
17384
|
15143
|
||
|
40
|
288
|
3.37
|
2.07
|
14
|
14
|
1.O9
|
5950
|
5262
|
||
|
20
|
144
|
1.57
|
1.04
|
7
|
7
|
0.54
|
1629
|
1475
|
||
3 运行能耗对比
不同负荷率下夏季两种方案相对功耗曲线见图3，以夏季100%负荷率下的功耗作为计算基础。由图3可知，夏季，方案1的相对功耗与负荷率近似呈线性关系。方案2在负荷率为0.2～0.8范围内，其相对功耗与负荷率也具有近似线性关系。在负荷率为0.8～1.0范围内，其相对功耗发生剧烈变化，即负荷率为0.8是方案2相对功耗曲线的拐点。
夏季，水环热泵空调系统受负荷率变化的影响要大于空气源热泵空调系统，若水环热泵空调系统长期在负荷率为0.8～1.0范围内运行则节能不明显。
不同负荷率下冬季两种方案相对功耗曲线见图4，以冬季100%负荷率下的功耗作为计算基础。由图4可知，冬季，方案1的相对功耗与负荷率近似成线性关系。方案2的相对功耗在负荷率为0.8～1.0范围内变化非常剧烈，在负荷率0.2～0.8范围内二者近似成线性关系。
无论方案1还是方案2，冬季负荷率对相对功耗的影响要大于夏季。冬季，负荷率对方案2相对功耗的影响要大于方案1，特别是在负荷率0.8～1.0范围内。冬季，若水环热泵空调系统长期在负荷率0.8～1.0范围内运行，节能不明显。这是由于在这一负荷率范围内，建筑内部可利用热量很小，需补充大量热量。
4 经济性分析
① 系统造价
两种方案的系统造价见表3。由表3可知，方案2比方案1的安装费节省60%，单位建筑面积造价节省36.7%。
表3 两种方案的系统造价
|
方案
|
方案1
|
方案2
|
|
设备造价/元
|
24×104
|
21×104
|
|
安装费/元
|
25×104
|
10×104
|
|
单位建筑面积造价/(元·m-2)
|
490
|
310
|
② 年运行费用
两种方案的年运行费用见表4。电价按0.89元/(kW·h)计算。由表4可知，方案1冬季电费为年运行费用的56.5%，而方案2的冬季电费占年运行费用的72.1%。因此，这两种空调系统是否具备经济陛关键取决于冬季运行工况。方案2的年运行费用比方案1节省30.2%，因此从年运行费用看，水环热泵空调系统经济性更高。
表4 两种方案的年运行费用
|
方案
|
方案1
|
方案2
|
|
夏季耗电量/(kW·h)
|
33122
|
14822
|
|
夏季电费/元
|
29479
|
13192
|
|
冬季耗电量/(kW·h)
|
43074
|
38396
|
|
冬季电费/元
|
38336
|
34172
|
|
年运行成本/元
|
67815
|
47364
|
5 结论
① 水环热泵空调系统的节能性与长期运行工况的负荷率有着密切关系，特别是在冬季。
② 水环热泵空调系统运行能耗要低于空气源热泵空调系统。
③ 水环热泵空调系统相比空气源热泵空调系统，无论系统造价还是年运行费用都低，说明前者更具经济性，有更大工程应用价值。但应注意：这些结论主要由京津地区的气象参数得出，我国其他地区应具体分析。
参考文献：
[1] 刘天伟，杜垲.水环热泵空调系统应用于综合办公建筑的节能性研究[J].暖通空调，2010，30(3)：63-67.
(本文作者：于齐东 天津城市建设学院 天津 300384)
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