水环热泵空调系统循环水温优化

5 结论
（1）冬季在建筑内冷负荷低的情况下，应尽 量提高循环水温，改善水环热泵工作性能，降低空 调系统的一次能耗。
（2）在冬季和过渡季节具有高内冷负荷的建 筑中，为了使空调系统在最佳状态下运行，冷却塔 应满负荷运行以使循环水温降低到接近锅炉启动 的温度(15℃)，同时应防止循环水管道表面结露。
（3）当冬季和过渡季节建筑冷热负荷比为 4/6，循环水温在28～29℃时水环热泵空调系统一 次能耗最少。
正是由于水环热泵机组效率是循环水温度的 函数，因此可以通过控制循环水温度来优化水环热 泵空调系统运行。
2 水环热泵性能分析
当辅助热源采用非电锅炉(如燃煤锅炉)时，整 个水环热泵空调系统的一次能耗与循环水温构成 一一对应的关系。为得到循环水温对系统一次能耗 的影响，首先需要计算出各种循环水温条件下，水 环热泵的制冷和制热性能系数。现考虑采用小型分 体式或整体式水环热泵机组为空调房间提供冷量 和热量。小型水环热泵机组制冷和制热工况下的相 关参数取值如下：
作者简介：刘天伟，（1984— ），男，在读硕士研究生
这个闭合的水环路，使循环水连续不断地在整个建 筑物中循环。典型水环热泵空调系统的工作原理如 图1所示。
水环热泵空调系统是一种热回收式空调系统。 对于有较多余热量或较大内区面积的建筑物, 利 用水环热泵空调系统不仅可以取得良好的节能效 果,也可以获得良好的经济效益。哈尔滨工业大学 的马最良教授研究表明[1]，该系统在国内大多数城 市应用可以实现节能，其中包括长江流域。因此， 水环热泵空调系统在我国会有广泛的应用前景。
E = EC + EH + ECT
（2-9）
4 运行能耗计算
如图4、图5所示。
图4 循环水温对冬季一次能耗的影响
图5 循环水温对冬季一次能耗的影响
计算结果表明：具有内冷负荷的建筑一次能耗 比无内冷负荷的建筑小得多，在内冷负荷低的情况 下，应尽量提高循环水温，改善热泵工作性能，降 低一次能耗。数据同时表明，当冬季建筑冷热负荷 比为4/6，循环水温在28～29℃时一次能耗最少。
CIRCULATING WATER TEMPERATURE OPTIMIZATION OF WATER-LOOP
HEAT PUMP SYSTEM
Liu Tianwei Du Kai
（School of Energy & Environment, Southeast University, Nanjing 210096）
冬季水环热泵空调系统的一次能耗计算结果
图6 循环水温对过渡季节一次能耗的影响
图7 循环水温对过渡季节一次能耗的影响
计算结果表明：在过渡季节具有高内冷负荷的 建筑中，为了使系统在最佳状态下运行，冷却塔应 满负荷运行以使循环水温降低到接近锅炉启动时 的温度(15℃)。在较低进水温度下，压缩机制冷工 况下输入功率的减少量通常大于冷却塔额外运行 的能耗。通常情况下，系统环路不加保温，此时， 防止管道结露的要求限制了循环水温的降低。从计 算结果中不难发现，当过渡季节建筑冷热负荷比为 4/6，循环水温在28～29℃时一次能耗最少。
计算中，蒸发器有效过热度取3℃，无效过热 度取2℃；冷凝器过冷度取3℃[3]；压缩机排气压力 等于冷凝压力，吸气压力为蒸发压力。本次计算利 用丹麦大学开发的制冷循环计算软件CoolPack，其 指出小型封闭式涡旋压缩机的等熵效率ηis在0.4～ 0.5范围内，现ηis取0.5。选择制冷剂为R22。水环 热泵制冷、制热性能系数计算结果如图2、图3所示。
（2-7）
ΔQ＜0，冷却塔散热一次能耗量：
ECT
=1 η ηd CT
⎡⎢⎣QC (1 +
1 EER
)
−
QH
(1
−
1 COP
)
⎤ ⎥⎦
（2-8） 式中：ECT——冷却塔排热一次能耗，kW；
ηCT——冷却塔性能系数，定义为冷却塔排 热量与耗电量(包括冷却水泵耗电量)之比。 水环热泵空调系统总的一次能耗量：
图2 循环水温对制冷性能系数的影响
图3 循环水温对制热性能系数的影响
3 运行能耗静态分析
水环热泵制取QC冷量所需的一次能耗量：
EC
=
QC E ERη d
（2-1）
式中：EC——制冷机组一次能耗，kW；
QC——建筑物冷负荷，kW；
EER——制冷性能系数；
ηd——发电的总效率。
水环热泵向循环水环路散热量：
Abstract The primal energy consumption of water-loop heat pump system (WLHPS) is influenced by the circulating water temperature .And it is calculated and analyzed when the WLHPS is supplied with circulating water of different temperatures. The results show that, there are optimal water temperatures with different ratios of cooling and heating load. Keywords water loop heat pump circulating water temperature optimize
关于水环热泵空调系统的循环水温度范围，国 内外的标准不完全一样，国内多为15～35℃或16～ 35℃之间，而国外一般为16～32℃，但相差不大。 之所以这样取值，一方面是因为较小的温度范围可 以改善热泵的工作条件，另一方面是因为与室温接 近的循环水温热损失较小，无需保温，而且不会造 成管道表面结露[2]。
[4] Zhiwei Lian, Seong-ryong Park, Henian Qi. Analysis on energy consumption of water-loop heat pump system in China[J]. Applied Thermal Engineering. 2005, 25: 73-85
[5] J. H. Zaidi, R. H. Howell. Energy use and heat recovery in water-loop heat pump, vaiable-air-volume, and reheat HVAC systems: partI. ASHRAE Trans. 1993
1 循环水温对系统能耗的影响
水环热泵空调系统的节能效果受到各种因素 的影响。在室内设定空调温度一定的情况下，循环 水温是水环热泵运行工况的决定性因素。循环水温
开式冷却塔
水箱
冷
小型水环热泵
却
水
泵
锅炉
循环水泵
板式换热器 水环热泵制热工况运行
水环热泵制冷工况运行
图1典型水环热泵空调系统原理图
越高，供热工况下运行的水环热泵机组的蒸发温度 越高，其性能系数提高；此时制冷工况下运行的水 环热泵机组的冷凝温度升高，其性能系数降低。因 此循环水温的变化会影响到整个水环热泵空调系 统的总能耗。随着该系统在我国不断地推广使用， 本着节约一次能源的目的，有必要研究计算整个空 调系统的一次能耗值随循环水温的变化情况，从而 找出最佳循环水温。
水环热泵空调系统循环水温优化
刘天伟 杜垲
（东南大学能源与环境学院，南京 210096）
摘 要 水环热泵空调系统的一次能耗受循环水温的影响，因此本文通过计算在不同循环水供水温度下的 水环热泵制冷和制热性能系数，进而计算出各种循环水供水温度下的水环热泵空调系统的一次能耗，从而 找出各种冷热负荷比条件下的最佳循环水供水温度。 关键词 水环热泵 循环水温 优化
然而当辅助热源采用电锅炉时，冬季水环热泵 系统整体的最佳运行状态就一定发生在与可能的 水环热泵低温运行能力相一致的最低温度下。例 如，若热泵在13℃进水温度下能可靠地工作，就应 控制锅炉提供的热量来维持13℃的循环水温。
过渡季节水环热泵空调系统的一次能耗计算 结果如图6和图7所示。
在不考虑设置蓄热水箱的情况下，假设建筑总 冷、热负荷为一定值1000kW(含新风负荷)；同时假 设循环水泵的功耗不随冷热负荷比及循环水温变 化。火电站发电效率η1一般在0.25～0.35之间，现η1 取 0.3[4] ， 输 配 电 效 率 η2 取 0.9 ， 则 发 电 总 效 率 ηd=η1η2=0.27。燃煤锅炉热效率ηb取0.75。一般排 除1kW热量所需冷却塔耗电量为0.01kW1 −
1) COP
−
QC
(1 +
1) EER
（2-5）
ΔQ＞0，燃煤锅炉辅助加热一次能耗量：
Eb
=
1 ηb
⎡⎢⎣QH
(1 −
1 COP
)
−
QC
(1
+
1 EER
)⎤⎥⎦
（2-6）
式中：Eb——锅炉供热一次能耗，kW； ηb——锅炉热效率。
水环热泵空调系统总的一次能耗量：
E = EC + EH + Eb
制冷工况： 夏季室内设定温度为27℃，蒸发温度t0取5℃； 冬季和过渡季节室内设定温度为24℃，蒸发温度t0 取3℃。冷凝温度tk取循环水温tw+5℃，循环水温差
取5℃。 制热工况： 冬季室内设定温度为20℃，冷凝温度tk取43℃；
过渡季节室内设定温度为24℃，冷凝温度tk取45℃； 蒸发温度t0取循环水温tw-5℃，循环水温差取5℃。
Q1
=
QC
(1 +
1 EER
)
（2-2）
水环热泵制取QH热量所需的一次能耗量：
EH
=
QH COPηd
（2-3）
式中：EH——热泵机组一次能耗，kW； QH——建筑物热负荷，kW； COP——制热性能系数；