制冷季黃浦江水溫變化及水源熱泵機(jī)組能耗分析

法正皓

（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200041）

制冷季黃浦江水溫變化及水源熱泵機(jī)組能耗分析

法正皓

（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200041）

利用實(shí)際工程項(xiàng)目獲取的室外氣象參數(shù)及黃浦江水溫?cái)?shù)據(jù)，分析上海地區(qū)制冷季室外溫度與江水溫度的變化，并通過逐日數(shù)據(jù)計(jì)算分析比較了江水源熱泵機(jī)組與常規(guī)冷源機(jī)組的能耗，結(jié)論顯示在制冷季中江水源熱泵機(jī)組有一定的節(jié)能優(yōu)勢，但節(jié)能效果并不顯著。

黃浦江；江水水溫；江水源熱泵；制冷能耗分析

0 引言

近年來利用地表水源熱泵技術(shù)越來越多的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，作為上海母親河的黃浦江水資源被有效合理地利用到了江水源熱泵技術(shù)中，并受到了普遍的關(guān)注。已建成項(xiàng)目中有上海十六鋪工程[1]、上海世博園區(qū)[2]、上海國際客運(yùn)中心項(xiàng)目[3]等都是利用黃浦江水資源作為空調(diào)熱泵機(jī)組的冷熱源。

工程設(shè)計(jì)中在選擇冷熱源系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常涉及到江水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源（冷水機(jī)組，燃?xì)忮仩t）系統(tǒng)的方案比較。在對兩者夏季能耗分析時(shí)，機(jī)組的制冷性能系數(shù)（COP）是計(jì)算衡量能耗的重要參數(shù)，對該項(xiàng)參數(shù)的選取主要以不同的機(jī)組冷凝溫度作為依據(jù)，但實(shí)際設(shè)計(jì)中常選用整個(gè)制冷季中某一典型冷凝溫度作為設(shè)計(jì)依據(jù)，例如上海地區(qū)常選取30℃及32℃作為江水源熱泵機(jī)組和常規(guī)冷水機(jī)組的冷凝溫度。因室外氣象參數(shù)不斷變化，使用固定的冷凝溫度無法較為準(zhǔn)確的反應(yīng)出整個(gè)制冷季的實(shí)際運(yùn)行工況，會對能耗分析結(jié)論造成過大的偏差。本文將利用實(shí)際工程中獲取的室外氣象參數(shù)確定機(jī)組制冷性能系數(shù)，從而計(jì)算得到較為準(zhǔn)確的機(jī)組制冷能耗比較。

1 制冷季黃浦江水溫與室外溫度分析

為充分合理的利用江水源熱泵技術(shù)，近年來對黃浦江水文資料的研究也不斷進(jìn)步，總體上講黃浦江水質(zhì)經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃幚磉^程基本滿足工程中江水源熱泵機(jī)組的要求。這里以位于黃浦江浦西側(cè)北外灘區(qū)域某項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。該項(xiàng)目沿黃浦江岸線有780m，建筑面積52萬m2，用地緊鄰黃浦江岸，對設(shè)置江水源熱泵有優(yōu)越的天然條件，取水口設(shè)置于枯水期水位下0.5m，底邊高出江底2.2m。

水溫是影響機(jī)組制冷性能系數(shù)及系統(tǒng)節(jié)能性的關(guān)鍵參數(shù)，下文將根據(jù)該項(xiàng)目工程2014年實(shí)測江水及室外溫度為基礎(chǔ)分析空調(diào)系統(tǒng)制冷季期間江水及室外氣溫的變化。

1.1 江水溫度逐月變化

表1為黃浦公園水文站1959-1993年歷年、松浦大橋監(jiān)測站2003年及該工程實(shí)測2014年制冷季各月平均水溫。

表1 不同年份制冷季各月平均水溫℃

由表中數(shù)據(jù)可看出，黃浦江常年各月平均水溫處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，最高月平均水溫均出現(xiàn)在8月份。

1.2 江水溫度與室外氣溫逐日變化

圖1為2014年制冷季每日6：00-22：00江水水溫與室外干球日平均溫度數(shù)據(jù)，如圖所示，制冷季日平均水溫最高值為30.4℃，發(fā)生于8月7日，日平均室外干球溫度最高值為32.1℃，發(fā)生于7月23日。由于水的容積熱容量大于空氣，導(dǎo)致江水水溫雖隨著室外氣溫的升高而升高，相對于氣溫變化存在一定的延遲滯后·，因此8月份有17天江水溫度高于室外干球溫度，整個(gè)184天制冷季中有72天江水水溫高于室外氣溫。但兩者溫差較小。

1.3 江水溫度與冷卻塔出水溫度逐日變化

冷卻塔作為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷卻設(shè)備，其主要參數(shù)冷卻水出水溫度與室外濕球溫度、風(fēng)速、填料、塔型等因素相關(guān)，在實(shí)際工程計(jì)算中可設(shè)定冷卻水出水溫度與室外濕球溫度溫差為定值，目前市場上應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的開式冷卻塔冷卻水出水溫度與室外濕球溫度的逼近度為3~5℃，通常工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取4℃，下文以室外濕球溫度加4℃作為冷卻水出水溫度與江水溫度進(jìn)行比較分析。

圖1 制冷季日平均江水水溫與室外干球溫度

圖2制冷季日平均江水水溫與冷卻塔出水溫度

圖2 反映了上海市制冷季日平均江水水溫與冷卻塔出水溫度的關(guān)系，其中室外濕球溫度是現(xiàn)場實(shí)測所得。由該圖可知，在整個(gè)制冷季大多時(shí)間里江水溫度低于冷卻塔出水溫度，僅46天江水溫度高于冷卻塔出水溫度，占制冷季的25%。在制冷負(fù)荷最為集中的7、8兩個(gè)月中79%時(shí)間內(nèi)江水溫度均低于冷卻塔出水溫度，其余時(shí)間兩者溫度也只有小于1℃的溫差。因此在制冷季期間由于江水源熱泵機(jī)組冷凝溫度較低帶來機(jī)組制冷性能系數(shù)的提高，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)能耗的減少。

2 江水源熱泵機(jī)組與常規(guī)冷源機(jī)組能耗分析比較

2.1 建筑制冷季日負(fù)荷分布

為較為準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)組制冷季能耗量，需得到目標(biāo)建筑制冷季逐日冷負(fù)荷值，利用H D Y-SN AD空調(diào)負(fù)荷計(jì)算機(jī)分析軟件得出該項(xiàng)目制冷季逐日建筑冷負(fù)荷分布。

圖3 制冷季逐日冷負(fù)荷分布

圖4 冷水（熱泵）機(jī)組COP隨冷凝溫度變化曲線

該項(xiàng)目空調(diào)區(qū)域主要有地上辦公樓及地下一層商業(yè)服務(wù)等，由負(fù)荷分布圖中可看出制冷季逐日負(fù)荷分布規(guī)律與室外溫度變化規(guī)律相關(guān)，主要冷負(fù)荷變化均由不同室外溫度引起的建筑圍護(hù)負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷的變化導(dǎo)致。由逐時(shí)計(jì)算結(jié)果得出該項(xiàng)目制冷季最大日制冷負(fù)荷為573.8×103kW h，總制冷量為38703×

103kW h。

2.2 冷水（熱泵）機(jī)組制冷性能系數(shù)與冷凝溫度關(guān)系

工程中計(jì)算機(jī)組電量能耗時(shí)通常使用制冷性能系數(shù)與制冷量進(jìn)行計(jì)算得出，已有文獻(xiàn)[4-6]研究指出，冷水（熱泵）機(jī)組在不同的冷凝溫度下制冷性能系數(shù)是變化的，低于標(biāo)準(zhǔn)工況冷凝溫度時(shí)機(jī)組制冷性能系數(shù)將提高，為了得到更準(zhǔn)確的機(jī)組能耗數(shù)據(jù)，應(yīng)使用不同冷凝溫度下機(jī)組制冷性能系數(shù)計(jì)算機(jī)組的能耗量。

根據(jù)該項(xiàng)目熱泵機(jī)組配置，通過設(shè)備廠家選型軟件計(jì)算得出不同負(fù)荷率下機(jī)組制冷性能系數(shù)與冷凝溫度的關(guān)系，由此可看出機(jī)組COP值隨冷凝溫度的降低近似呈線性關(guān)系增大，并且機(jī)組在70%-100%負(fù)荷率范圍內(nèi)COP值相差不大。下文選取機(jī)組90%負(fù)荷率下COP值與冷凝溫度相關(guān)數(shù)據(jù)，擬合為以下公式:

式中COPe—機(jī)組設(shè)計(jì)工況制冷性能系數(shù)；

tl—機(jī)組冷凝溫度，℃。

2.3 江水源熱泵機(jī)組與常規(guī)冷源機(jī)組能耗比較

通過以上分析結(jié)果，利用制冷季逐日冷負(fù)荷量及逐日機(jī)組制冷性能系數(shù)計(jì)算得出兩種主機(jī)形式電量能耗值，見表2。

表2 制冷季機(jī)組運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)×103kW h

由計(jì)算數(shù)據(jù)得出制冷季各月江水源熱泵機(jī)組能耗在5-9月份均低于常規(guī)冷水機(jī)組，僅10月份因水溫變化的延遲性，冷凝溫度略高于冷卻塔出水溫度，整個(gè)制冷季江水源熱泵機(jī)組總能耗低于常規(guī)冷水機(jī)組3%，證明江水源熱泵技術(shù)在機(jī)組能耗上是具有一定的節(jié)能效果的。但是若簡單采用兩種不同典型冷凝溫度工況下對應(yīng)的機(jī)組COP值來計(jì)算能耗比值，會過分放大節(jié)能效果，對空調(diào)系統(tǒng)總能耗及投資回收期分析產(chǎn)生較大偏差。

2.4 結(jié)果分析

以上分析是基于江水直接進(jìn)入機(jī)組冷凝器，實(shí)際運(yùn)行時(shí)江水中各種雜質(zhì)無法完全去除，造成機(jī)組冷凝器污垢系數(shù)增大，影響換熱效率，使江水源熱泵機(jī)組COP下降，機(jī)組運(yùn)行能耗要高于計(jì)算值，因此會減弱節(jié)能效果。

有實(shí)際工程中因水質(zhì)及水處理工藝等原因江水未直接進(jìn)入熱泵機(jī)組冷凝器，而是通過換熱器間接冷卻機(jī)組冷凝器，因此熱泵機(jī)組冷凝溫度要高于江水溫度，造成機(jī)組COP值下降。以上文機(jī)組參數(shù)計(jì)算江水換熱溫差2℃時(shí)江水源熱泵機(jī)組制冷季總能耗反而高于常規(guī)冷水機(jī)組2%，同時(shí)增加一級循環(huán)水泵使空調(diào)系統(tǒng)總能耗增高。

建筑空調(diào)系統(tǒng)包含冷熱源主機(jī)、末端空調(diào)設(shè)備、冷熱水、冷卻水輸送設(shè)備及水處理等相關(guān)附件，不同方案系統(tǒng)能耗比較時(shí)需要對比空調(diào)系統(tǒng)總能耗差值。針對不同項(xiàng)目情況尤其需要考慮冷卻水水質(zhì)對機(jī)組COP的影響及冷卻水側(cè)輸送和水處理能耗，最終綜合比較不同方案合理性與經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)水文資料顯示黃浦江水通過適當(dāng)?shù)乃幚砗罂勺鳛榻礋岜脵C(jī)組的冷熱源，其水溫在75%的制冷時(shí)間內(nèi)低于常規(guī)冷卻塔出水溫度；

（2）利用建筑制冷季逐日冷負(fù)荷值及相應(yīng)不同冷凝溫度下機(jī)組COP值計(jì)算分析，得出的機(jī)組能耗節(jié)能效率更為準(zhǔn)確；

（3）空調(diào)系統(tǒng)能耗分析時(shí)需考慮冷卻水水質(zhì)對機(jī)組COP的影響及冷卻水側(cè)輸送和水處理能耗，綜合比較系統(tǒng)合理性及經(jīng)濟(jì)性；

（4）上海地區(qū)僅用于夏季供冷的江水源制冷機(jī)組節(jié)能效果不明顯，江水間接冷卻工況下能耗反高于常規(guī)冷水機(jī)組。

4 結(jié)語

以上分析結(jié)論雖得出制冷工況下江水源熱泵機(jī)組相較于常規(guī)冷水機(jī)組在節(jié)能效果上無明顯優(yōu)勢，但江水源熱泵系統(tǒng)通常會同時(shí)作為供熱季熱源全年使用，因此江水源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性需結(jié)合冬季制熱工況能耗分析綜合比較來確定。

[1]朱金鳴，項(xiàng)弸中.江水源熱泵在上海十六鋪工程中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2007，37（2）：88-93.

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River-water Temperature Analysis and Energy Consumption Analysis of the Huangpu River River-water Source Heat Pump in Cooling Season

FA Zheng-hao
（Shanghai Architectural Design&Research（Co.Ltd），Shanghai 200041，China）

The tem perature change ofthe outdoor air and the river waterin cooling season in Shanghaiis analyzed. The energy consum ption com parison between the river-water source heatpum p and the conventional cold source unit is carried outusing daily data.R iver-watersource heatpum p has its advantage butnotsignificantin energy saving design in cooling season.

huangpu river；river water tem perature；river-w ater source heat pum p；cooling energy consum ption com parison

TU 831

B

2095-3429（2017）02-0088-04

2017-03-31

修回日期:2017-04-17

法正皓（1984-），男，山東泰安人，碩士，工程師，從事暖通設(shè)計(jì)工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.021