熱泵系統(tǒng)能效測評方法研究

彭旭東，許 靜，邱澤晶，尹環(huán)英

(國家電氣設備檢測與工程能效測評中心(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引言

中國快速的經濟發(fā)展正帶來環(huán)境劇烈惡化的嚴峻挑戰(zhàn)。能源短缺目前已成為中國最嚴重的問題［1］。為了解決這些問題，政府出臺了一系列政策鼓勵和支持節(jié)能環(huán)保技術的研究和推廣。在諸多節(jié)能技術中，熱泵技術作為一種新能源技術，以其能源效率高、環(huán)境友好性強等優(yōu)點得到了迅速的發(fā)展［2］，已經在多個省市，多種類型的工程中得到了應用［3－4］。在節(jié)能技改項目中，熱泵系統(tǒng)也因為能源成本小、運行效果好而被節(jié)能服務公司和用能單位廣泛采用，大量的企業(yè)、酒店、賓館等采用熱泵系統(tǒng)代替燃煤(油)鍋爐實行節(jié)能技術改造。

雖然熱泵系統(tǒng)的應用日益廣泛，但針對熱泵系統(tǒng)的能效測評方法卻不多。國外的很多關于熱泵的運行效率研究都集中于對多功能熱泵機組不同運行模式下的標準研究［5］。國內對熱泵系統(tǒng)的研究主要針對空調系統(tǒng)的性能、熱泵產品的能效標準進行研究［6－8］。文獻［9］中對地下水源熱泵系統(tǒng)開展了全年的運行監(jiān)測，進行了能效分析。文獻［10］分析了水源熱泵系統(tǒng)的效率。文獻［11］中對多功能熱泵機組進行了能效評價指標的研究，給出了機組全年運行的能效評定指標APF的計算依據。

本文圍繞熱泵系統(tǒng)的能效測評方法進行了研究和分析，研究了從理論上測試熱泵系統(tǒng)效率的方法，分析了該測試方法在實際節(jié)能技改工程中應用的局限性，并結合具體的工程項目，給出了熱泵系統(tǒng)代替鍋爐類項目的節(jié)能量估算方法。

1 熱泵系統(tǒng)的能效測試

熱泵系統(tǒng)的能效測試，主要是通過測試熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱功率與額定輸入功率之比計算熱泵系統(tǒng)的能效比［12］。為了達到能效測評的目的，可按照圖1所示的原理進行測試。

圖1 熱泵機組測試原理圖

1.1 測試條件

熱泵系統(tǒng)的測試應在工程竣工驗收合格、投入正常使用后進行。

熱泵系統(tǒng)制熱性能的測試應在典型制熱季進行，制冷性能的測試應在典型制冷季進行。對于冬、夏季均使用的地源熱泵系統(tǒng)，應分別對其制熱、制冷性能進行測試。

熱泵機組制熱/制冷性能系數的測試工況應盡量接近機組的額定工況，機組的負荷率宜達到機組額定值的80%以上;系統(tǒng)能效比的測試工況應盡量接近系統(tǒng)的設計工況，系統(tǒng)的最大負荷率宜達到設計值的60%以上;室內溫濕度檢測應在建筑物達到熱穩(wěn)定后進行。

應同時對測試期間的室外溫度進行監(jiān)測，記錄測試期間室外溫度的變化情況。

1.2 測試設備

熱泵系統(tǒng)的能效測試主要圍繞COP進行。主要的測試內容和測試設備包括:

(1)水溫度測試儀

采用溫度計/電阻溫度計、熱電偶加電位差計，準確度不低于±0.2℃。

(2)水流量測試儀

超聲波流量計，準確度不低于測量值的±5%。

(3)溫濕度測試儀

各類空氣溫度計，準確度不低于±0.5℃;空氣濕度計，準確度不低于±10%。

(4)功率

采用功率表、電力分析或電流電壓表，準確度不低于測量值的±5%。

1.3 測試方法

圍繞熱泵系統(tǒng)的能效測試指標，測試步驟分為:

(1)室內外環(huán)境參數的測試

測試參數:室內外溫濕度。

測試方法:根據建筑的平面布置情況，選取部分典型區(qū)域和房間，在典型區(qū)域和室外分別布置溫濕度測量儀表，對測試期間室內外溫濕度的變化情況進行監(jiān)測。

測試周期:測試時間室內溫、濕度檢測應在建筑物達到熱穩(wěn)定后進行，測試時間為6 h。

(2)熱泵機組的性能測試

熱泵機組制熱/制冷性能系數是指熱泵機組的制冷/制熱量與輸入功率之比。

測試參數:

熱泵機組用戶側的進出口水溫、流量;

熱泵機組熱源側的進出口水溫、流量;

機組輸入功率。

測試方法:參照GB/T 19409－2003《水源熱泵機組》［13］中規(guī)定的試驗方法進行測試。

測試周期:機組運行工況穩(wěn)定后進行，測試周期為1 h。

(3)熱泵系統(tǒng)的性能測試

典型季節(jié)系統(tǒng)能效比是指地源熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱量與系統(tǒng)輸入功率之比，這里的系統(tǒng)輸入功率主要是指熱泵機組以及與熱泵系統(tǒng)相關的所有水泵的輸入功率之和(不包括用戶末端設備)。

測試參數:

系統(tǒng)熱源側進出口水溫、流量;

系統(tǒng)用戶側進出口水溫、流量;

熱泵機組消耗的電量;

水泵消耗的電量。

測試時間:熱泵系統(tǒng)的檢測應在系統(tǒng)運行正常后進行，測試周期為2－3天。

上述理論方法為熱泵系統(tǒng)的性能測試提供了依據，包括測試儀器、測試參數、測試條件等，也為熱泵系統(tǒng)節(jié)能量計算提供了理論參考。在熱泵系統(tǒng)的節(jié)能技改中，原則上也需要按照上述理論方法，采用標準的測試設備，對熱泵系統(tǒng)運行的各項參數進行理論測量和精確計算。然而，在實際的能源審計及節(jié)能量審核現場中，受場地、環(huán)境、時間等各項因素的限制，難以按照實驗室的測試理論進行熱泵系統(tǒng)的測試，但是，結合上述測試原理，對相關參數進行估算，得到熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量。如熱泵機組用戶側的水量，可以根據酒店運行的實際用水量進行估算，而出水口的水溫，也可以通過洗浴適宜的水溫進行測算。因此，根據熱泵機組性能測試的原理，可以得出適用于工程現場的節(jié)能量計算方法。

2 空氣源熱泵節(jié)能量計算實例

熱泵系統(tǒng)作為重要的節(jié)能項目，目前尚無專門的、可操作性強的節(jié)能量測量和驗證方法，因此，研究和確定一套熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量計算方法非常有必要?？蔀槠髽I(yè)的節(jié)能技改及能源審計、合同能源管理等項目提供計算方法和數據參考。本論文以空氣源熱泵機組為例，闡述一種可行的空氣源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能量計算方法。該方法已經用到了節(jié)能量審核的計算中，且得到了數據驗證，是一種可供參考的方法。

實例:某連鎖酒店的四個分店(以分店1、分店2、分店3、分店4代替)以空氣源熱泵機組代替原有的燃油鍋爐(以柴油為熱源)，為酒店提供洗浴熱水。各分店的客房數如下:

表1 各分店的客房數

由于改造前的燃油鍋爐及改造后的空氣源熱泵機組都只為酒店提供洗浴熱水。因此本項目的節(jié)能量計算可以采用能量平衡的方法進行［14］。根據能量平衡原理，改造前后能源消耗的熱量與能源轉換效率的乘積等于酒店提供的熱水的熱量。

式中 Q1——能源消耗所提供的熱量/J;

η——能源轉換過程的熱效率;

Q2——酒店洗浴所需熱水的熱量/J。

因此，項目改造前后能耗量均可按上述能量平衡公式進行。則改造前所耗能源折標煤Eb與改造后所耗能源折標煤Ej的計算公式分別為

式中 Nmax——酒店的最大容客量/人;

δ——酒店的入住率;

P——酒店每人每天的最大給水量/L;

ρ——水的密度/kg·L－1;

c——水的比熱容/kJ·kg－1·℃－1;

ΔT——酒店需要加熱水的溫度/℃;

θ1——柴油的折標煤系數/tce·t－1;

d——酒店熱系統(tǒng)的年運行天數/天;

μ——熱工當量;

β——蒸汽的熱量傳遞給熱水加熱過程的熱損失率;

η——燃油鍋爐的熱效率;

L——柴油的低位發(fā)熱量/kJ·kg－1。

根據現場實測，得出改造前各個分店年耗柴油折標煤情況，見表2。

表2 節(jié)能改造前能耗計算表

改造后耗電折標煤Ej的計算公式為

式中 COP——熱泵機組的能效比;

θ2——熱量折電系數/kWh·kJ－1;

γ——電的折標煤系數，單位:tce/萬 kWh。

得出節(jié)能改造后能耗計算如表3。

表3 節(jié)能改造后能耗計算表

因此，項目改造的節(jié)能量為

其中，Eb=930 tce，Ej=309 tce。則 ΔE=Eb－Ej=930 tce－309 tce=621 tce。

據酒店實際能耗運行數據進行驗證，得出酒店改造實際運行的節(jié)能量與采用上述方法計算的節(jié)能量相近?？梢?，該方法計算熱泵系統(tǒng)節(jié)能量是一種行之有效的計算方法，可供類似項目節(jié)能量計算參考。

3 結語

本文提供了一種熱泵系統(tǒng)的能效測評方法，包括理論測試方法和適用于工程現場的節(jié)能量估算方法。同時以空氣源熱泵系統(tǒng)替代燃油鍋爐為例，給出了該方法的實際案例分析。實際證明，該方法合理有效，可供能源審計、合同能源管理以及節(jié)能技改中，熱泵系統(tǒng)節(jié)能量估算。

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