雙冷源新風(fēng)機(jī)組多工況運(yùn)行方式的研究

趙羽 張欽 張愛(ài)華

中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

雙冷源新風(fēng)機(jī)組，即采用兩種不同蒸發(fā)溫度的冷源，高溫冷源承擔(dān)系統(tǒng)大部分的室內(nèi)顯熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷，低溫冷源為輔助冷源，主要承擔(dān)濕負(fù)荷和小部分新風(fēng)負(fù)荷[1]。

本文采用的新風(fēng)機(jī)組分為新風(fēng)和排風(fēng)通道，內(nèi)部帶有直膨式冷源，新風(fēng)先經(jīng)過(guò)與高溫冷源供水的預(yù)冷表冷器初步降溫除濕，后經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器深度除濕，冷凝器排熱可再熱新風(fēng)或通過(guò)有組織排風(fēng)排至室外，送風(fēng)溫度可通過(guò)兩個(gè)冷凝器的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，機(jī)組內(nèi)部構(gòu)造如圖1：

圖1 新風(fēng)機(jī)組原理圖

本文將采用地源熱泵機(jī)組作為高溫冷源和熱源，末端采用上述新風(fēng)機(jī)組（新風(fēng)量500 m3/h）和輻射空調(diào)系統(tǒng)，探討新風(fēng)機(jī)組在不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行策略和費(fèi)用，并對(duì)比分析。新風(fēng)機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 新風(fēng)機(jī)組相關(guān)參數(shù)

1 運(yùn)行方式的劃分

1.1 氣象和運(yùn)行模式的劃分

根據(jù)北京市近10 年全年室外氣象參數(shù)，以室外干球溫度DB（℃）和相對(duì)濕度RH（%）作為劃分依據(jù)，將其分為5 個(gè)氣象分區(qū)并對(duì)應(yīng)5 種運(yùn)行模式（見(jiàn)圖2和表2）：I 和II 區(qū)對(duì)應(yīng)夏季工況，根據(jù)室外溫度的高低確定是否開(kāi)啟輻射系統(tǒng)，熱泵和新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置直膨機(jī)均運(yùn)行；III 和IV 區(qū)對(duì)應(yīng)過(guò)渡季工況，可自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)或在濕度高的“黃梅天”開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)組除濕并再熱，無(wú)需開(kāi)啟熱泵機(jī)組；V 區(qū)對(duì)應(yīng)冬季制熱工況，熱泵機(jī)組開(kāi)啟，新風(fēng)機(jī)內(nèi)置直膨機(jī)不啟動(dòng)。

圖2 運(yùn)行模式在焓濕圖上的劃分

表2 運(yùn)行模式的劃分

1.2 不同運(yùn)行模式下新風(fēng)機(jī)組工況分析

1.2.1 I 區(qū)

該工況（圖3）適用于高溫高濕的天氣，由地源熱泵提供17 ℃高溫冷凍水，室外新風(fēng)經(jīng)過(guò)預(yù)冷表冷除濕和蒸發(fā)除濕后，溫度降為11.4 ℃，含濕量8 g/kg，一部分冷凝熱用于再熱新風(fēng)送入室內(nèi)，一部分冷凝熱通過(guò)排風(fēng)排至室外。新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)潛熱和小部分顯熱負(fù)荷，大部分顯熱負(fù)荷由輻射末端平衡。

圖3 I 區(qū)運(yùn)行工況示意

1.2.2 II 區(qū)

該工況（圖4）適用于室外溫度相對(duì)不高但相對(duì)濕度較高的天氣，新風(fēng)處理過(guò)程同I 區(qū)一致，熱泵和機(jī)組內(nèi)直膨冷源共同將新風(fēng)處理至8 g/kg。由于室內(nèi)顯熱負(fù)荷不高，因此不用開(kāi)啟輻射末端，新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)顯熱和潛熱負(fù)荷，其再熱后的送風(fēng)溫度可通過(guò)設(shè)定的室溫反饋調(diào)節(jié)，以滿足室內(nèi)顯熱負(fù)荷需求。

圖4 II 區(qū)運(yùn)行工況示意

1.2.3 III 區(qū)

該工況適用于溫濕度均不高的過(guò)渡季，室外空氣質(zhì)量較差時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)過(guò)濾新風(fēng)保證室內(nèi)衛(wèi)生的需求即可。

1.2.4 IV 區(qū)

該工況（圖5）為室外溫度偏低但相對(duì)濕度較高的過(guò)渡季節(jié)，多發(fā)于夏末秋初，室內(nèi)有除濕并供熱的需求，此時(shí)無(wú)需開(kāi)啟風(fēng)冷熱泵機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組內(nèi)置冷源對(duì)新風(fēng)除濕，冷凝熱全部或大部分用于再熱新風(fēng)。

圖5 IV 區(qū)運(yùn)行工況示意

1.2.5 V 區(qū)

圖6 為V 區(qū)運(yùn)行工況示意。冬季新風(fēng)加熱至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)20 ℃，40%的等焓點(diǎn)后，后接濕膜加濕裝置，室內(nèi)熱負(fù)荷由輻射系統(tǒng)承擔(dān)，大部分時(shí)段無(wú)需開(kāi)啟機(jī)組內(nèi)部的直膨機(jī)，僅當(dāng)出現(xiàn)極端天氣時(shí)，其可作為補(bǔ)充熱源。

圖6 V 區(qū)運(yùn)行工況示意

雙冷源新風(fēng)機(jī)組在輻射空調(diào)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)在于：

1）高溫冷源的利用，提高蒸發(fā)溫度，供水由原來(lái)的7 ℃可提高至17 ℃左右，系統(tǒng)能效比顯著提高。

2）一套水系統(tǒng)，可同時(shí)解決溫、濕度的解耦處理，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

3）內(nèi)冷式機(jī)組無(wú)需外接冷凍水排放冷凝熱，降低系統(tǒng)容量和負(fù)荷，新風(fēng)再熱溫度調(diào)節(jié)范圍較大。

2 全年運(yùn)行能耗對(duì)比分析

將本文所述地源熱泵+雙冷源新風(fēng)機(jī)組+輻射空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)別墅中常見(jiàn)的多聯(lián)機(jī)空調(diào)+市政熱力地暖的方式進(jìn)行對(duì)比。其中北京市現(xiàn)行能源計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為：

1）居民用電電價(jià)：0.48 元/kWh

2）市政熱力熱計(jì)量收費(fèi)：采暖費(fèi)用=基本熱費(fèi)×建筑面積+計(jì)量熱費(fèi)×用熱量。其中：市政熱力的基本熱費(fèi)為12 元/m2，計(jì)量熱費(fèi)為0.16 元/kWh。

2.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為一棟位于北京市的二層別墅建筑，套內(nèi)面積210 m2，新風(fēng)量500 m3/h，新風(fēng)換氣次數(shù)0.78 次/h。運(yùn)用動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬軟件模擬出的逐時(shí)建筑負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷見(jiàn)表3：

表3 新風(fēng)、輻射系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

全年新風(fēng)和輻射負(fù)荷不同負(fù)荷率下的時(shí)間占比如上圖7 所示：新風(fēng)冷負(fù)荷率以25%為界，當(dāng)新風(fēng)負(fù)荷率大于25%時(shí)，對(duì)應(yīng)氣象分區(qū)的I 或II 區(qū)應(yīng)進(jìn)行除濕降溫的處理。0～25%時(shí)段對(duì)應(yīng)氣象分區(qū)的III 或IV區(qū)即過(guò)渡季節(jié)。

圖7 全年不同新風(fēng)、輻射負(fù)荷率下的時(shí)間占比

通過(guò)調(diào)整新風(fēng)再熱溫度可以承擔(dān)部分室內(nèi)顯負(fù)荷，對(duì)應(yīng)上表所示輻射冷負(fù)荷率約在60%以上的時(shí)段應(yīng)開(kāi)啟輻射末端，小于60%時(shí)段可由新風(fēng)承擔(dān)。

2.2 方案1：地源熱泵+雙冷源新風(fēng)機(jī)組+輻射空調(diào)的系統(tǒng)

冷熱源采用地源熱泵機(jī)組，室外設(shè)垂直地埋孔共4口，單U 管徑 ?32 mm，有效埋深為120 m。地源熱泵機(jī)組冷熱裝機(jī)容量為16.6/19.1 kW，額定輸入功率3.39/4.69 kW，夏季供回水溫度17/20 ℃，冬季供回水溫度40/37 ℃。水泵流量5 m3/h，揚(yáng)程15 m，功率0.5 kW。空調(diào)水并聯(lián)兩路分別接入輻射分集水器和雙冷源新風(fēng)機(jī)組。內(nèi)置直膨機(jī)的能效比取為3.0。

全年能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)如表4：按北京市居民用電取費(fèi)0.48 元/kWh 的標(biāo)準(zhǔn)，全年運(yùn)行費(fèi)用為5548 元，單位面積運(yùn)行費(fèi)用26.4 元/m2a。通過(guò)對(duì)夏季I、II 分區(qū)下分項(xiàng)能耗的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：預(yù)冷表冷（即風(fēng)冷機(jī)組）及蒸發(fā)除濕的能耗比基本為2:1，此能耗分配相對(duì)合理，原則上應(yīng)盡量多的利用高溫冷源提高預(yù)冷表冷的比例，一方面其系統(tǒng)能效相對(duì)較高，另方面可降低直膨機(jī)出力過(guò)高造成的冷凝熱無(wú)法及時(shí)排放的問(wèn)題。

表4 方案1 全年運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)

從表4 還可以看出，V 區(qū)能耗占比最大（59%），其主要原因是冬季新風(fēng)負(fù)荷過(guò)高，若將原設(shè)計(jì)的新風(fēng)量改為滿足人體衛(wèi)生需求最低線的250 m3/h，則將節(jié)約能耗2540 kW，全年運(yùn)行費(fèi)用整體將降至20.6 元/m2，降幅達(dá)到22%。

2.3 方案2：多聯(lián)機(jī)空調(diào)+市政熱力地板采暖系統(tǒng)

設(shè)多聯(lián)機(jī)綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）為規(guī)范[2]中的第3 等級(jí)3.2 W/W，則冬季無(wú)新風(fēng)的前提下，全年能耗及運(yùn)行費(fèi)用如表5 所示，單位面積年運(yùn)行費(fèi)用29.3 元/(m2a)，較方案1 冬季250 m3/h 新風(fēng)量的運(yùn)行費(fèi)用增加了29.6%。

表5 方案2 全年運(yùn)行能耗統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1）雙冷源新風(fēng)機(jī)組可以充分利用高溫冷源，特別適合于地源熱泵和溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)能效比高，管路簡(jiǎn)單，除濕可靠。

2）針對(duì)全年室外溫濕度，劃分了5 個(gè)不同的工況，給出了熱泵主機(jī)、新風(fēng)機(jī)組、輻射末端的不同組合的運(yùn)行模式。

3）將上述系統(tǒng)形式與傳統(tǒng)VRV+市政熱力的方式進(jìn)行對(duì)比，一方面方案1 的全年運(yùn)行費(fèi)用較低，另一方面這種溫濕度解耦處理的方式其舒適度是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法比擬的，具有一定的推廣意義。