地源熱泵+多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)能效分析

譚超毅，胡海華，張 超，劉少杰

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 株洲 412007；3. 湖南株洲市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖南 株洲 412007）

地源熱泵+多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)能效分析

譚超毅1,2，胡海華1,2，張 超3，劉少杰1,2

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 株洲 412007；3. 湖南株洲市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖南 株洲 412007）

對(duì)地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)和地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)2種方案的間歇運(yùn)行方式和連續(xù)運(yùn)行方式的綜合能效比進(jìn)行分析與計(jì)算，結(jié)果表明：潛熱和新風(fēng)負(fù)荷越小，系統(tǒng)的綜合能效比越高，隨著潛熱和新風(fēng)負(fù)荷的增大，系統(tǒng)的綜合能效比下降；地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行方式的綜合能效比更高；在實(shí)際工程中，常見的地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)比地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)的綜合能效比高近1.4倍；地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，當(dāng)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷超過40%后，不管是間歇運(yùn)行方式還是連續(xù)運(yùn)行方式，其綜合能效比都較接近，說明該系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行方式要求不高。

地源熱泵；水冷多聯(lián)機(jī)；風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)；溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)；綜合能效比

0 引言

由于傳統(tǒng)空調(diào)方式存在能耗較高、難以滿足室內(nèi)空氣熱濕比的變化要求以及影響室內(nèi)空氣品質(zhì)等問題，越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員開始對(duì)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行研究與應(yīng)用[1-3]。溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以將處理顯熱負(fù)荷的冷凍水溫度從7 ℃提高到17 ℃，使冷水機(jī)組的性能系數(shù)提高40%以上，從而降低空調(diào)能耗30%以上[4-7]。張海強(qiáng)等人利用DeST軟件，分別計(jì)算了廣州和北京2棟辦公樓相同空調(diào)系統(tǒng)的能效比（energy efficiency ratio，EER）及能耗，結(jié)果表明，溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能20%～30%[8-10]。由此可見，溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)能有效減少能耗、節(jié)約能源，因此，具有較好的市場應(yīng)用前景。

水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)是新一代變冷媒流量多聯(lián)系統(tǒng)（variable refrigerant volume，VRF），在我國的應(yīng)用才剛剛起步，它既不同于傳統(tǒng)的水源熱泵、水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，也不同于傳統(tǒng)的風(fēng)冷VRF系統(tǒng)[11-12]。該系統(tǒng)集合了變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)和水源（環(huán)）熱泵空調(diào)系統(tǒng)二者的優(yōu)點(diǎn)，通過高效換熱器和中間介質(zhì)循環(huán)水，可以利用低品位的地?zé)崮苓M(jìn)行制冷供暖，具有能效高、機(jī)組性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)與安裝自由、能同時(shí)制冷制熱等優(yōu)勢。地源熱泵與水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用，在保持水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)各種優(yōu)勢的同時(shí)，能夠充分發(fā)揮土壤源水溫比地表水溫更低、更穩(wěn)定的特點(diǎn)，這使得該聯(lián)合系統(tǒng)能效更高。因此，地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)將更廣泛地被用戶所采用。

本文將對(duì)地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)（方案1）和地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)（方案2）2種方案的綜合能效比進(jìn)行計(jì)算分析，分析2種空調(diào)系統(tǒng)的能效特點(diǎn)并比較2種方案的綜合能效比，以期為相關(guān)研究與技術(shù)應(yīng)用提供理論參考。

1 方案1的綜合能效比

為使問題簡化，作如下假定：忽略不同方案因負(fù)荷變化對(duì)地埋管系統(tǒng)的影響，即認(rèn)為進(jìn)出地埋管系統(tǒng)的水溫相同，并且不考慮熱不平衡情況下系統(tǒng)輔助裝置能效比及空調(diào)末端設(shè)備耗電量對(duì)2種方案綜合能效比的影響。同時(shí)，設(shè)空調(diào)房間總負(fù)荷為Q，則有

式中：Q1為空調(diào)房間的新風(fēng)和潛熱負(fù)荷，kW；

Q2為空調(diào)房間的顯熱負(fù)荷，kW。

方案1中，地源熱泵的冷凍水全部用于消除空調(diào)房間的顯熱負(fù)荷，新風(fēng)負(fù)荷和潛熱負(fù)荷由地源水水冷多聯(lián)機(jī)組承擔(dān)；地源側(cè)設(shè)循環(huán)水泵并在分水器支管上設(shè)水冷多聯(lián)機(jī)循環(huán)水泵。

方案1的綜合能效比為

式中：EER1為方案1的綜合能效比；

N11為方案1水冷多聯(lián)機(jī)的耗電功率，kW，且N11=Q1/COP11，COP11=T11/(Tn11-T11)，其中，COP11為方案1水冷多聯(lián)機(jī)的能效比，T11，Tn11分別為方案1水冷多聯(lián)機(jī)的冷媒溫度和冷凝溫度，K；

N12為方案1地源熱泵機(jī)組的耗電功率，kW，且N12=Q2/COP12，COP12=T12/(Tn11-T12)，其中，COP12為方案1地源熱泵機(jī)組的能效比，T12為方案1地源熱泵機(jī)的冷凍水溫度，K；

N13為方案1水冷多聯(lián)機(jī)冷卻水循環(huán)水泵耗電功率，kW，且其中，H1為負(fù)荷側(cè)資用壓力，m H2O，c為水的比熱容，kJ/(kg· K)，Δt1為進(jìn)出制冷機(jī)的循環(huán)水溫降，為水泵的效率；

N14為方案1地源側(cè)循環(huán)泵耗電功率，kW，且其中，H2為地源側(cè)資用壓力，m H2O；

N15為方案1地源熱泵冷凍水循環(huán)泵耗電功率，kW，且其中，Δt2為進(jìn)出末端設(shè)備的冷凍水溫降，K。

2 方案2的綜合能效比

方案2中，地源熱泵承擔(dān)空調(diào)房間的顯熱負(fù)荷，風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)承擔(dān)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷。

方案2的綜合能效比為

式中：EER2為方案2的綜合能效比；

N21為方案2風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的耗電功率，kW，且N21=Q1/COP21，COP21=21/(Tn21-T21)，其中，COP21為方案2風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的能效比，T21, Tn21分別為方案2風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的冷媒溫度和冷凝溫度，K；

N22為方案2地源熱泵機(jī)組的耗電功率，kW，且N22=Q2/COP22，COP22=T22/(Tn21-T22)，其中，COP22為方案2地源熱泵機(jī)組的能效比，T22為方案2地源熱泵機(jī)的冷凍水溫度，K；

N23為方案2風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)風(fēng)機(jī)耗電功率，kW，且其中，P為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa，為空氣密度，kg/m3，cp為空氣定壓比熱容，kJ/(kg·K)，Δt3為風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空氣溫升，為風(fēng)機(jī)的效率；

N24為方案2地源側(cè)循環(huán)泵耗電功率，kW，且N24=；

N25為方案2地源熱泵冷凍水循環(huán)泵耗電功率，kW，且。

3 2種方案的綜合能效比對(duì)比分析

根據(jù)式（1）～（3），分別計(jì)算EER1, EER2。計(jì)算時(shí)，取Q=1 000 kW，T11=-3 ℃；Tn11為地源側(cè)循環(huán)水溫度+2 ℃，參照文獻(xiàn)[13]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)為25 ℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)為29 ℃；取T12=T22=17℃；Tn21為地源熱泵冷凍水溫度+2 ℃，Tn21=19 ℃；H1, H2均為20 m H2O；參照文獻(xiàn)[5]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)Δt1=10 ℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)Δt1=6 ℃，Δt2=6℃；=0.65，=0.60；P=300 Pa。

系統(tǒng)間歇運(yùn)行及連續(xù)運(yùn)行時(shí)的綜合能效比曲線如圖1～2所示。

圖1 系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí)綜合能效比曲線Fig. 1 The comprehensive energy efficiency ratio curve in intermittent operating

圖2 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)綜合能效比曲線Fig. 2 The comprehensive energy efficiency ratio curve in continuous operating

由圖1～2分析可知：

1）地源熱泵+多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其潛熱和新風(fēng)負(fù)荷越小，綜合能效比越高；隨著潛熱和新風(fēng)負(fù)荷增大，系統(tǒng)綜合能效比下降。工程中常見的潛熱和新風(fēng)負(fù)荷占50%。方案1的綜合能效比為12.25，方案2的綜合能效比為5.07，方案1比方案2高141.62%。由此可見，方案1節(jié)能優(yōu)勢明顯，在工程實(shí)踐中應(yīng)優(yōu)先考慮。

2）方案1中，間歇運(yùn)行時(shí)的配置由系統(tǒng)變頻裝置根據(jù)設(shè)計(jì)溫度與室內(nèi)溫度狀況實(shí)時(shí)決定，且此時(shí)系統(tǒng)綜合能效比為12.25，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比為9.695，二者相差26.35%；方案2中，間歇運(yùn)行時(shí)的配置同方案1，且此時(shí)系統(tǒng)的綜合能效比為5.07，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比為4.84，兩者相差4.75%。由此可見，地源熱泵+多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行方式更節(jié)能，尤其是方案1的間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行方式節(jié)能優(yōu)勢更加明顯。

3）對(duì)于地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷達(dá)40%時(shí)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行比連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比高6.7%；當(dāng)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷達(dá)50%時(shí)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行比連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比高4.7%；當(dāng)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷達(dá)60%時(shí)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行比連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比高3.2%；當(dāng)潛熱和新風(fēng)負(fù)荷達(dá)90%時(shí)，系統(tǒng)間歇運(yùn)行比連續(xù)運(yùn)行的綜合能效比僅高0.6%。由此可以得知，地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行方式的要求不高。

4 結(jié)論

通過對(duì)地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)和地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)2種方案的能效分析與計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

1）潛熱和新風(fēng)負(fù)荷越小，系統(tǒng)的綜合能效比越高，隨著潛熱和新風(fēng)負(fù)荷的增大，系統(tǒng)的綜合能效比下降；同時(shí)，地源熱泵+水冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)間歇運(yùn)行方式比連續(xù)運(yùn)行方式的節(jié)能優(yōu)勢更加明顯。

2）工程實(shí)踐中宜采用將地源熱泵機(jī)組的冷凍水全部用于消除空調(diào)房間的顯熱負(fù)荷，且新風(fēng)負(fù)荷和潛熱負(fù)荷由地源水水冷多聯(lián)機(jī)組來承擔(dān)的方案。

3）地源熱泵+風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其綜合能效比較低，不管是間歇運(yùn)行方式還是連續(xù)運(yùn)行方式，綜合能效比都較接近，對(duì)運(yùn)行方式的要求不高。

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（責(zé)任編輯：徐海燕）

Analysis on Energy Efficiency of GSHP + VRV Independent Temperature and Humidity Control System

Tan Chaoyi1,2，Hu Haihua1,2，Zhang Chao3，Liu Shaojie1,2
（1. School of Civil Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China；2. Collaborative Innovation Center， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China；3. Housing and Urban Construction Bureau of Zhuzhou City of Hunan， Zhuzhou Hunan 412007， China）

Analyzes and calculates the comprehensive energy ratios of intermittent operating mode and continuous operating mode for independent temperature and humidity control systems of GSHP - water cooling VRV and GSHP - wind cooling VRV. The results show that: The smaller the latent heat and fresh air load, the higher the integrated energy efficiency ratio will be, with the latent heat and fresh air load increasing, the system integrated energy efficiency ratio decreased. The integrated energy efficiency ratio of intermittent operating mode is higher than that of continuous operating mode for GSHP-water cooling VRV system. In practical engineering, the integrated energy efficiency ratio of common GSHP - water cooling VRV independent control system is 1.4 times higher than that of GSHP- wind cooling VRV system. When the latent heat and fresh air load is over 40% in GSHP-wind cooling RVR system, the integrated energy efficiency ratios of intermittent operating mode and continuous operating mode are similar, indicating that the system has little demand in operating modes.

ground-sourced heat pump；water cooling VRV；wind cooling VRV；independent temperature and humidity control system；integrated energy efficiency ratio

TU831.3+7

A

1673-9833(2015)05-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.001

2015-08-12

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2011BAJ03B07），湖南省科技廳基金資助項(xiàng)目（S2014Z2063）

譚超毅（1956-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，主要從事建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)方面的教學(xué)與研究，E-mail：tanchaoyi123@126.com

胡海華（1991-），男，江西分宜人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)備節(jié)能技術(shù)，E-mail：huhaihua2014@163.com