多能源互補建筑節(jié)能設(shè)計的工程實例及節(jié)能分析

王志星，唐易達，王振宇（西南科技大學(xué)，四川　綿陽　621010）

本工程位于四川省綿陽市西南科技大學(xué)西 102 辦公樓。多品位能源應(yīng)用的建筑面積為 1 200 m2，分別為位于地面二樓的計算機機房(CAAD 工作站)，地下負(fù)一層的資料室。計算機機房作為教學(xué)制圖等用途，室內(nèi)面積約為 600 m2，冷負(fù)荷為 67.2 kW，熱負(fù)荷為 33.6 kW，濕負(fù)荷為3.27 kg/h。資料室位于負(fù)一層，室內(nèi)面積約為 600 m2，冷負(fù)荷較小，僅為 30.2 kW，熱負(fù)荷為 26.4 kW，濕負(fù)荷為1.64 kg/h。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，本工程地下土壤初始溫度值約為17.6 ℃，地下水流量約為 20 m2/h，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)達到 3.0 以上，說明該測試點擁有豐富的地?zé)崮苜Y源；在空調(diào)季，太陽的月輻射強度處于 371.21～510.14 MJ/m2之間，屬于太陽輻射可用地區(qū)；在采暖季，太陽月輻射強度在162.95～175.93 MJ/m2，說明可在天氣狀況好的情況下利用太陽能；夏季絕大多數(shù)時間空氣濕度都達到 75% 左右，空氣中的含濕量較大，空氣中蘊含較大的潛熱，說明該測試點擁有豐富的空氣能資源。

1　方案設(shè)計

由于計算機機房及閱覽室的除濕負(fù)荷較大，機組承擔(dān)的除濕任務(wù)較高，本工程采用溫濕度獨立控制的技術(shù)方案，空調(diào)形式采用風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)系統(tǒng)，其中室內(nèi)風(fēng)機盤管設(shè)計為干工況，用來承擔(dān)室內(nèi)空氣的冷負(fù)荷，新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)機組的冷卻減濕處理，形成“干燥”的空氣后送入室內(nèi)，承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷?？照{(diào)房間冷熱負(fù)荷則由空氣源熱泵承擔(dān)，熱泵機組的額定制冷量為 105 kW，制熱量為 121 kW。

為提高空氣源熱泵機組冷凍水/熱水的利用效率，本工程對空氣源熱泵機組的冷凍水/熱水進行梯級利用，空氣源熱泵的冷凍水/熱水回水(12 ℃/35 ℃)作為室內(nèi)風(fēng)機盤管的供水，風(fēng)機盤管的供回水溫差取值為 5 ℃，也即是說，回到空氣源熱泵機組的冷凍水回水溫度由額定工況的 12 ℃ 變?yōu)?17 ℃(熱水回水溫度由額定工況的 35 ℃ 變?yōu)?30 ℃)，增大空氣源熱泵冷凍水的供回水溫差，更好地提高能源利用的?效率[1]。多能互補空調(diào)方案工作流程，如圖1 所示。

圖1　多能互補空調(diào)方案流程圖

根據(jù)圖1 可知，在該方案中，包括太陽能集熱系統(tǒng)、地?zé)嵯到y(tǒng)和空氣源回水梯級利用系統(tǒng)，其中太陽能集熱系統(tǒng)和地?zé)嵯到y(tǒng)為溶液調(diào)溫調(diào)濕機組提供冷熱來源，溶液調(diào)溫調(diào)濕機組實現(xiàn)新風(fēng)除濕，新風(fēng)送入空調(diào)房間承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷?？諝庠椿厮菁壚孟到y(tǒng)為室內(nèi)風(fēng)機盤管提供冷熱來源，室內(nèi)風(fēng)機盤管處于干工況，用于承擔(dān)室內(nèi)空氣冷負(fù)荷。

太陽能集熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、熱水箱、電輔助加熱器和循環(huán)水泵組成。當(dāng)熱水箱溫度達到設(shè)計要求時，太陽能熱水被輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的再生單元，對再生單元的稀溶液進行加熱，稀溶液升溫并且溶液中的水分被蒸發(fā)。在此過程中，稀溶液再生為濃溶液。地?zé)嵯到y(tǒng)由地源熱泵、地埋管和水泵等主要設(shè)備組成，機組的額定制冷量為14.8 kW，額定制熱量為 17.5 kW。當(dāng)?shù)卦礈囟鹊陀?18 ℃時，地源熱泵機組不啟動，僅開啟循環(huán)水泵，通過開啟/關(guān)閉相應(yīng)的閥門，將地源冷量輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元；當(dāng)?shù)卦礈囟雀哂?18 ℃ 時，地源熱泵機組開啟，并通過開啟/關(guān)閉相應(yīng)的閥門，將地源熱泵產(chǎn)生的冷量輸送至溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元(冬季采暖時，熱泵始終處于開啟狀態(tài))。溶液調(diào)溫調(diào)濕機組主要由除濕單元、再生單元和溶液泵等設(shè)備組成。除濕單元噴淋溴化鋰濃溶液，吸收空氣中的水蒸氣，降低新風(fēng)含濕量，減濕處理后的新風(fēng)送入室內(nèi)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷；再生單元用于溶液的濃縮再生，使吸濕溴化鋰稀溶液再生為溴化鋰濃溶液，再生后的濃溶液再次進入除濕單元吸收空氣中的水蒸氣，如此周期性地循環(huán)[2-3]。

2　太陽能-地?zé)崮苋芤赫{(diào)溫調(diào)濕機組研制

太陽能-地?zé)崮苋芤赫{(diào)溫調(diào)濕機組是多品位能源互補建筑節(jié)能體系中的核心，機組性能的好壞與整個體系的節(jié)能效果高度相關(guān)。通過分析發(fā)現(xiàn)，在除濕單元之前設(shè)置空氣預(yù)處理器有利于減小溶液循環(huán)量和溶液再生所需熱量，從而降低溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的運行能耗，并降低對太陽能的依賴。通過開啟/關(guān)閉預(yù)處理器，使溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的能量調(diào)節(jié)更為靈活[4-5]。同時，經(jīng)過研究分析，對空氣預(yù)處理器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，使空氣預(yù)處理器的除濕量及除濕效率極大的提高。更為重要的是，優(yōu)化后的空氣預(yù)處理器能夠利用高溫冷源(18 ℃)對新風(fēng)進行冷卻減濕預(yù)處理(冬季進行預(yù)熱處理)，使空氣預(yù)處理器直接利用地?zé)崮艹蔀榱丝赡?，提高能?效率的同時盡可能地減少地源熱泵的開啟時間，使整個系統(tǒng)更為節(jié)能[1]。

在本工程設(shè)計研究成果的基礎(chǔ)上，委托了格瑞空調(diào)科技有限公司為本機組進行生產(chǎn)及部分匹配試驗，盡可能地提高機組的能效比。該機組的再生單元加熱量由太陽能集熱系統(tǒng)承擔(dān)，額定熱源供水溫度為 55 ℃，回水溫度為 50 ℃；額定冷源供水溫度為 18 ℃，回水溫度為 21 ℃；額定送風(fēng)含濕量為 7 g/kg 干空氣；額定送風(fēng)量為 500 m3/h。

3　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實施

為了便于故障診斷及運行數(shù)據(jù)檢測，本工程設(shè)計研制了監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)包括太陽能集熱系統(tǒng)監(jiān)控、空氣源熱泵系統(tǒng)監(jiān)測、地源熱泵系統(tǒng)監(jiān)控及溶液調(diào)溫調(diào)濕機制監(jiān)控 4個子系統(tǒng)。太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)置有溫度變送器、流量變送器、太陽輻射強度儀、電表和控制器，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)實時傳送到控制室。當(dāng)太陽輻射強度低于設(shè)定數(shù)值時，循環(huán)水泵停止運行；當(dāng)太陽輻射強度高于設(shè)定值，循環(huán)水泵啟動，對熱水箱的熱水進行加熱。當(dāng)熱水箱溫度低于 53℃ 且高于 42 ℃ 時，電輔助加熱器啟動；當(dāng)熱水箱水溫低于42 ℃時，電輔助加熱器關(guān)閉。當(dāng)熱水箱水溫達到 53 ℃時，熱水泵啟動，開始向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組再生單元輸配熱水?？諝庠礋岜帽O(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置有流量變送器、溫度變送器和電表，實時監(jiān)測空氣源熱泵的溫度、流量和耗電量，并將監(jiān)測參數(shù)通過局域網(wǎng)向控制室傳送。

地源熱泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置有流量變送器、溫度變送器、電表和控制器。當(dāng)?shù)卦磦?cè)溫度低于 18 ℃ 時，控制器自動開啟相應(yīng)的閥門，水泵啟動，熱泵關(guān)閉，地源冷源直接輸送到溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元和空氣預(yù)處理器；當(dāng)?shù)卦磦?cè)溫度高于 18 ℃ 時，控制器自動啟閉相應(yīng)的閥門，水泵開啟，熱泵開啟，地源熱泵向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組的除濕單元和空氣預(yù)處理器輸送冷量(冬季時，地源熱泵始終開啟，向溶液調(diào)溫調(diào)濕機組供應(yīng)熱量)。溶液調(diào)溫調(diào)濕機制監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置有溫濕度變送器、流量變送器、電表和控制器，監(jiān)測參數(shù)通過局域網(wǎng)向控制室傳送。當(dāng)熱水箱熱水溫度處于 53～55 ℃ 之間時，空氣預(yù)處理器開啟；高于 55 ℃ 時，空氣預(yù)處理器關(guān)閉。當(dāng)熱源或冷源溫度不能滿足要求時，自帶熱泵啟動，同時空氣預(yù)處理器開啟。監(jiān)控系統(tǒng)運行界面如圖2 所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)運行界面

4　系統(tǒng)性能檢測分析

工程完成后，委托中國建筑科學(xué)研究院對多品位能源互補建筑節(jié)能系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性能檢測，檢測內(nèi)容主要包含機組 COP 值和系統(tǒng)能效等參數(shù)。

4.1　室內(nèi)參數(shù)檢測

夏季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果見表1，冬季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果見表2。

表1　夏季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果

表2　冬季室內(nèi)溫濕度測試結(jié)果

4.2　多能互補能源系統(tǒng)性能測試結(jié)果分析

4.2.1地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷性能系數(shù)

地源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷能效比根據(jù)測試結(jié)果，按式(1)計算：

式中：COPS——熱泵系統(tǒng)的制冷能效比；

QS——系統(tǒng)測試期間的總制冷量，kW·h；

∑Ni——系統(tǒng)測試期間，所有熱泵機組累計消耗的電量，kW·h；

∑Nj——系統(tǒng)測試期間，所有水泵累計消耗的電量，kW·h。

系統(tǒng)測試期間的總制冷量按式(2)計算：

式中：Qs——系統(tǒng)測試期間的總制冷量，kW·h；

qi——系統(tǒng)第i時段制冷量，kW；

ΔTi——第i時段持續(xù)時間，h；

Vi——系統(tǒng)第i時段用戶側(cè)的平均流量，m3/h；

Δti——系統(tǒng)第i時段用戶側(cè)的進出口水溫差，℃；

ρi——第i時段熱水平均密度，kg/m3；

ci——第i時段熱水平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)。

ρi、ci可根據(jù)介質(zhì)進出口平均溫度由物性參數(shù)表查取。

對熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)的供水溫度、回水溫度、水流量以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果，計算得到熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)，如表3 所示。

表3　地源熱泵系統(tǒng)夏季性能系數(shù)測試結(jié)果

4.2.2除濕系統(tǒng)夏季性能系數(shù)

除濕系統(tǒng)的夏季制冷性能系數(shù)，按式(3)計算：

式中：COPSC——除濕系統(tǒng)的制冷能效比；

QSC——系統(tǒng)測試期間的總制冷量，kW·h；

∑Ni——系統(tǒng)測試期間，所有壓縮機累計消耗的電量，kWh；

∑Nj——系統(tǒng)測試期間，所有水泵累計消耗的電量，kW·h。

系統(tǒng)測試期間的總制冷量按式(4)計算：

式中：qi——系統(tǒng)第 i 時段制冷量，kW；

Gma——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣流量，m3/s；

ha1——系統(tǒng)第 i 時段新風(fēng)側(cè)空氣的焓值，kJ/kg干空氣；

ha2——系統(tǒng)第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣的焓值，kJ/kg干空氣；

Va——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣比容，m3/kg；

Wa——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣含濕量，g/kg干空氣。

對除濕系統(tǒng)中除濕機組的進送風(fēng)側(cè)空氣溫度、相對濕度、進送風(fēng)側(cè)風(fēng)速以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果，計算得到除濕系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)和除濕性能系數(shù)，如表4 所示。

表4　系統(tǒng)夏季制冷和除濕性能測試結(jié)果

4.2.3地源熱泵系統(tǒng)冬季制熱性能系數(shù)

熱泵系統(tǒng)的冬季制熱能效比根據(jù)測試結(jié)果，按式(5)計算：

式中：COPS——熱泵系統(tǒng)的制熱能效比；

QS——系統(tǒng)測試期間的總制熱量，kW·h；

∑Ni——系統(tǒng)測試期間，所有熱泵機組累計消耗的電量，kWh；

∑Nj——系統(tǒng)測試期間，所有水泵累計消耗的電量，kW·h。

系統(tǒng)測試期間的總制熱量按式(6)計算：

式中：Qs——系統(tǒng)測試期間的累計制熱量，kW·h；

qi——系統(tǒng)第 i 時段制熱量，kW；

ΔTi——第 i 時段持續(xù)時間，h；

Vi——系統(tǒng)第 i 時段用戶側(cè)的平均流量，m3/h；

Δti——系統(tǒng)第 i 時段用戶側(cè)的進出口水溫差，℃；

ρi——第 i 時段熱水平均密度，kg/m3；

ci——第 i 時段熱水平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)。

ρi、ci可根據(jù)介質(zhì)進出口平均溫度由物性參數(shù)表查取。對熱泵系統(tǒng)空調(diào)側(cè)的供水溫度、回水溫度、水流量以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果，計算得到熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)，詳見表5。

表5　地源熱泵系統(tǒng)冬季性能系數(shù)測試結(jié)果

4.2.4除濕系統(tǒng)冬季性能系數(shù)

除濕系統(tǒng)的冬季制熱性能系數(shù)，按式(7))計算：

式中：COPSH——除濕系統(tǒng)的制熱能效比；

QSH——系統(tǒng)測試期間的總制熱量，kW·h；

∑Ni——系統(tǒng)測試期間，所有壓縮機累計消耗的電量，kWh；

∑Nj——系統(tǒng)測試期間，所有水泵累計消耗的電量，kWh。

系統(tǒng)測試期間的總制熱量按式(8)計算：

式中：qi——系統(tǒng)第i時段制熱量，kW；

Gma——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣流量，m3/s；

ha1——系統(tǒng)第 i 時段新風(fēng)側(cè)空氣的焓值，kJ/kg 干空氣；

ha2——系統(tǒng)第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣的焓值，kJ/kg 干空氣；

Va——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣比容，m3/kg；

Wa——第 i 時段送風(fēng)側(cè)空氣含濕量，g/kg干空氣。

對除濕系統(tǒng)除濕機組的進送風(fēng)側(cè)空氣溫度、相對濕度、進送風(fēng)側(cè)風(fēng)速以及系統(tǒng)耗電量進行連續(xù)測試。根據(jù)測試結(jié)果，計算得到系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)和加濕性能系數(shù)，如表6所示。

表6　系統(tǒng)冬季制熱和加濕性能測試結(jié)果

4.3　多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)電率

4.3.1夏季節(jié)電率

根據(jù)測試結(jié)果以及采用溫頻法，計算出多能互補能源系統(tǒng)年消耗一次能源量夏季為 11.04 t 標(biāo)煤(折算)。參照 GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》，常規(guī)供冷方式的比較對象夏季選取系統(tǒng)能效為 2.3 的常規(guī)空調(diào)，年消耗一次能源量為 35.08 t 標(biāo)煤(折算)。由此計算得出該系統(tǒng)每年夏季節(jié)約 35.08-11.04=24.04 t 標(biāo)煤。計算表如表7 所示。

表7　夏季示范項目常規(guī)能源替代量計算表

4.3.2冬季節(jié)電率

根據(jù)測試結(jié)果以及采用度日法，計算出多能互補能源系統(tǒng)年消耗一次能源量冬季為 1.31 t 標(biāo)煤(折算)。依據(jù) GB/T 50801—2013，常規(guī)供暖方式的比較對象冬季選取燃?xì)忮仩t(效率取 0.8)，年消耗一次能源量為 2.35 噸標(biāo)煤(折算)。由此計算得出該可再生能源示范項目每年節(jié)約 2.35-1.31=1.04 t 標(biāo)煤，如表8 所示。

表8　冬季示范項目常規(guī)能源替代量計算表

4.4　多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)約費用

4.4.1常規(guī)供冷方式年節(jié)約運行費用

常規(guī)供冷方式年節(jié)約運行費用按式(9)計算：

式中：Ntx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)累計耗電量，kW·h；

Qtx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)總能耗，kgce。

常規(guī)供冷方式總費用按式(10)計算：

式中：Ctx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)總費用，元；

Ntx——傳統(tǒng)供冷系統(tǒng)累計耗電量，kW·h。

4.4.2多能互補能源系統(tǒng)年節(jié)約運行費用

地源熱泵系統(tǒng)用電量根據(jù)式(11)計算：

式中：Ns——多能互補能源系統(tǒng)累計耗電量，kW·h；

Qs——多能互補能源系統(tǒng)總能耗，kgce。多能互補能源系統(tǒng)總費用按式(12)計算：

式中：Csx——多能互補能源系統(tǒng)總費用，元；

Nsx——多能互補能源系統(tǒng)累計耗電量，kW·h。

4.4.3多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用

多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用，如表9 所示。

表9　多能互補能源系統(tǒng)節(jié)電率和節(jié)約運行費用

5　結(jié)　語

(1) 多能互補建筑除濕系統(tǒng)夏季制冷能效比為 4.95，除濕能效比為 2.95，夏季綜合性能系數(shù)為 7.89；除濕系統(tǒng)冬季制熱能效比為 4.10，加濕能效比為 1.85，冬季綜合性能系數(shù)為 5.95。

(2) 同常規(guī)能源系統(tǒng)相比，多能互補能源系統(tǒng)夏季節(jié)電率為 68.5%，冬季節(jié)電率為 44.2%，年節(jié)電率為 67.0%。

(3) 同常規(guī)能源系統(tǒng)相比，多能互補能源系統(tǒng)夏季節(jié)約運行費用 68.5%，冬季節(jié)約運行費用 44.2%。

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