风冷热泵空调机组全年能耗计算分析

江晓雷  肖艳紫  张 昌
（武汉纺织大学  环境工程学院， 湖北  武汉  430073）

    摘  要：针对风冷热泵空调机组全年能耗计算专题，通过以某一工程为例，归纳了风冷热泵空调机组逐时能耗的工程计算方法。它为评价空调系统全年能耗、电费及二氧化碳排量提供了有效的手段和准确的数据。
    关键词：风冷热泵； 空调能耗； 计算方法
    中图分类号：TU831           文献标识码：A         

    The Air Cooled Heat Pump Chiller Annual Cooling Energy Consumption Calculation Analysis

    Jiang XiaoLei   Xiao Yanzi   Zhang Chang
   (School of Environmental Engineering,Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073,China)

    Abstract：  For the feature of annual energy consumption calculation about the air cooled heat pump unit, take a project as an example, the engineering calculation method of air cooled heat pump unit hourly energy consumption has been summarized . It provides effective means and accurate datas about air conditioning system of evaluate the annual energy consumption, electricity and carbon dioxide emissions in future.
    Keyboards:  Air Cooled Heat Pump; Air Conditioning Energy Consumption; Calculation Method

    引言
    风冷热泵空调机组具有安装简便、布置灵活、占用建筑空间小，使用方便等优点。在诸如办公室、小会议室、接待室等多种使用功能房间在同一建筑物的场合，能充分体现风冷热泵空调系统既能灵活布置，又能经济运行的特点。但是对于广大用户来说，在决定采用该空调设备时，还必须知道空调机组能耗情况，以便进行技术经济分析。本文介绍了采用风冷热泵空调机组全年空调能耗计算方法，为业主选择最优的空调方案提供一种技术经济分析手段。
    1  室外计算干球温度的确定
    首先室外干球温度直接影响建筑物空调负荷大小、能量消耗以及用电量等；其次，对于风冷热泵机组, 室外空气温度对冷凝换热影响很大，机组的性能也会随室外空气温度的变化而变化[1]。如果在空调负荷计算中，室外干球计算温度采用月平均温度，将会与实际运行情况存在一定差n，而本文将计算空调负荷所采用的计算温度精确到每天的逐时室外干球温度，这将对空调负荷计算提供更接近工程实际的计算前提。
    根据相关文献，我国的历年日平均温度值负荷正态分布规律[2]。根据室外计算干球温度统计学原理，用DeST的随机气象模型Medpha[3]可以得到武汉地区一年中8760个逐时室外计算干球温度。数值计算得出的武汉地区逐时室外干球温度见图1。

   全年最热的一天为7月30日，最高值39.6℃出现在17时，这天的逐时室外计算干球温度见图2。

    全年最冷一天为1月24日，最低值-3.9℃出现在8时，这天的逐时室外计算干球温度见图3。

    2  建筑物的空调负荷计算
    某金融公司入驻光谷金融港一期工程中A3栋办公楼的14～15层，建筑面积为3952㎡，层高4.3m。A3栋办公楼主要用于办公，每层均有办公室，会议室，接待室等。当逐时室外计算干球温度确定后，就可以计算逐时空调负荷值，从而可以计算采用风冷热泵机组后，每年在风冷热泵空调机组运行上投入的能耗及相关的技术经济ぞ荨＠如，运行费用、二氧化碳排放量等等。
    2.1 室内的参数确定
    根据该金融公司需要， 14～15层各房间的使用功能为办公室、会议室、会客室及展示厅等，办公时间为8：00～17：00。由《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）室内设计参数为：夏季温度：26℃，相对湿度：55%；冬季温度：20℃，相对湿度：50%。
    2.2 全年空调负荷
    本文充分考虑了建筑物的负荷影响因素，比如建筑物本身的物理因素（建筑物朝向、建筑物形状、层高、维 结构等）、内扰因素（人员散热、照明及设备散热）、外扰因素（室内设计参数、新风量），对建筑物进行动态负荷模拟，其模拟出的动态逐时负荷数值见图4。由于处理数据众多，在此只列出模拟出负荷值的动态分布图，其最大冷负荷为436.24kW，最大热负荷为440.56kW。

    3 风冷热泵机组应用模型建立
    3.1 设备名义工况参数
    根据模拟出的最大冷负荷和最大热负荷，该工程风冷热泵空调机组初步采用顿汉布什公司ACDXHP-140R-134a的风冷热泵机组。其选用机型的名义工况技术参数为：制冷量474kW，输入功率141.5kW，制热量505kW，输入功率139.9kW，夏季制冷冷冻水出水温度7℃，冬季制热机组进出水温度40/45℃。
    3.2 多参数非线性函数表达式
    相关研究表明[4]，用多元非线性函数来描述风冷热泵机组的的工作性能（即制冷量和耗功率与外在参数之间5函数关系）具有较高的精度。本文用于描述风冷热泵机组制冷量、耗功率与室外干球温度、冷冻水出口温度2个参数之间关系的多元非线性函数表达式如下。
    

    式（1）～（4）中， 为实际工况时的COP与名义工况时的COP的比值； 为相对名义工况室外空气进口温度的偏差率； 为相对名义工况冷冻水出口温度的偏差率；Tci为室外空气入口温度，℃；Teo为冷冻水出口温度，℃。下标r表示该参数名义工况的值， （i=1,2,3,…,10为拟合常数）。
    3.3  工程应用模型的建立
    要对式（1）中的参数进行拟合，我们不仅需要知道风冷热泵机组名义工况，还需要知道变工况的工作性能参数。对于变工况工作性能参数是厂家在性能测试平台上经过风冷热泵机组在一定工作范围内实际运行得出的实验值，厂家在出厂设备中会提供[5]。在二者已知的条件下，对公式（1）中的参数进行最小二乘法拟合，求得ACDXHP-140R-R134a系列机组模型在夏季制冷工况，冬季制热工况下拟合常数如表1。

    4 空调系统全年能耗计算
    根据上表列出的非线性函数式的常数，以及在DeST软件上计算出的室外气象参数逐时值，依据所选设备的厂家提供的设备性能参数表，我们可以编程计算出空调系统的cop值。下一步，由建筑物空调逐时负荷，编入数据库，利用上一步得到的cop值可得到空调机组的逐时功率。
    对于业主而言，空调机组的经济性是业主选择空调系统的重要指标之一。通过上述计算得到该风冷热泵空调机组一年内的逐时功率条件后，我们乘以时间即可得到该风冷热泵空调机组一年内逐时能耗。再乘以当地的电费，即可得到该风冷热泵空调机组一年所耗电费。业主可以通过上述计算方法，为其选择空调设备提供依据。
    二氧化碳的排放将直接影响大气环境，国家“十二五”规划提倡低碳、绿色、节能、环保等理念，而二氧化碳排放量将是衡量空调系统是否能够达到该理念要求的重要依据之一。当前国内外二氧化碳排放计算方法及要求各不相同，本文采用的二氧化碳计算方法是依据“碳足迹”计算公式，针对风冷热泵空调机组耗电量来计算二氧化碳排放。
    以上述工程为例，通过数值模拟所得到逐时能耗见图5。计算得出该金融公司所采用风冷热泵空调机组一年总能耗为28400.14kW/h。根据目前武汉地区每度电0.573元，得到该公司一年内所耗电费16273.28元。根据“碳足迹”计算公式中用电的二氧化碳排放量（kg）=耗电度数×0.785，得到该栋建筑一年内二氧化碳的排放量为22294.11kg。

    5 小结
    本文通过一个工程实例，给出了风冷热泵空调机组的能耗计算方法，其主要计算步骤有：
    ①室外计算干球温度的确定。可采用DeST软件得到准确的室外计s干球温度，为后面的空调负荷计算和机组能耗计算提供依据；
    ②建筑室内参数的确定。不同功能房间其室内参数不同，参照《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）确定室内参数；
    ③空调负荷的计算。运用软件模拟计算得到建筑物空调的逐时负荷值；
    ④设备初选型。根据建筑物最大空调负荷值，可以初步选择几台不同型号的空调机组；
    ⑤空调机组能耗计算。对初步所选空调机组分别建模，得到各台空调机组逐时能耗值；
    ⑥建筑空调二氧化碳排量及电费计算。根据相关计算公式及方法，计算各台空调机  组相关经济指标；
    ⑦方案比较。依据上述计算得到的数据，对所选不同型号的空调机组进行比较，选出最优的空调方案。
    本文提供的能耗计算的方法将为业主从众多空调方案中选择最优的方案提供一种技术经济分析手段，并可以此为基础继续深入研究，比如提出绿色建筑评价的指标，开发出更适合该地区的绿色建筑节能新技术，等等。

参┪南祝

[1] 金星，张小松.风冷热泵机组部分负荷变工况下优化风量的初步研究[J].流体机械,2008，36(4):63-67
[2] Tianzhen H,Yi Jiang.A new multi-zone model for the simulation of building thermal performance[J].Building     and Environment,1997,vol.32(2);123-128.
[3] 清华大学建筑科学系DeST开发小组.DeST-h技术资料[DB/OL].2003：19-23[2012.6.8].               http://dest.tsinghua.edu.cn/chinese/theory/jswd.asp.
[4] 张昌，王福林,吉田治典.建筑设备系统最/化运行技术[J].暖通空调，2010，40(3):73-78.
[5] 李威，张昌.基于外在参数的冷水机组数学模型[J].制冷与空调，2011，25（6）：620-623.