于齊東

（天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

能源與環(huán)境是當(dāng)前面臨的嚴重問題，而能量回收技術(shù)［1-3］成為解決這一問題的重要途徑。作為高效節(jié)能裝置，熱泵通過回收與轉(zhuǎn)換技術(shù)將空氣、水以及土壤中的能量運用到建筑系統(tǒng)來降低常規(guī)能源消耗，因此對熱泵的理論［4-5］與技術(shù)［6-10］研究已成為工程科學(xué)的前沿。

水環(huán)熱泵［11］是特殊的水源熱泵，它利用由水/空氣熱交換器組成的閉式水環(huán)路回收建筑內(nèi)部余熱并進行冷、熱量轉(zhuǎn)移與分配來滿足冷、熱需求。作為能量載體，循環(huán)水同時向建筑提供熱量與冷量，依據(jù)文獻[12]，循環(huán)水溫度應(yīng)維持在16～32 ℃。冬季當(dāng)水溫低于下限值時應(yīng)開啟輔助熱源加熱循環(huán)水；同理，當(dāng)水溫達到上限值時使用冷卻塔冷卻循環(huán)水。水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 水環(huán)熱泵系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of WLHPs

基于此，應(yīng)重點研究系統(tǒng)的節(jié)能率與應(yīng)用條件。依據(jù)能量守恒原理，馬最良等［13］提出一次能源靜態(tài)分析法討論系統(tǒng)運行，但該方法忽略了負荷性質(zhì)轉(zhuǎn)變對運行的影響，同時，在實際應(yīng)用中，該方法的評價指標(biāo)也難以確定。為了解決上述問題，基于循環(huán)水的能量載體作用，文獻[14-19]中提出能級理論來確定機組因工況轉(zhuǎn)換對水環(huán)路形成的反向能，并給出了輔助熱源的選取原則。同時，文獻[20-21]中使用循環(huán)水能級分析法確定系統(tǒng)運行的節(jié)能范圍。針對應(yīng)用條件，Lian等［22］基于幾種典型氣候區(qū)與建筑模型研究確定了該系統(tǒng)在我國的應(yīng)用范圍。另外，結(jié)合工程實例Chen等［23］報道了系統(tǒng)在住宅建筑的應(yīng)用并對運行進行了綜合評價。此外，Yuan等［24］分析了循環(huán)水溫度對系統(tǒng)部件的影響，并提出了實際運行策略。于齊東［25］報道了負荷率對熱泵運行的重要作用，并指出它將成為研究水環(huán)熱泵系統(tǒng)能耗的重要線索。目前，在對水環(huán)熱泵系統(tǒng)研究過程中還需解決以下問題：①當(dāng)系統(tǒng)處于冷、熱同供時，如何解決機組因工況轉(zhuǎn)換形成的反向能差；②運行受多因素影響，如何確定其主導(dǎo)因子與變化規(guī)律；③明確輔助熱源對運行的影響并以此拓展系統(tǒng)應(yīng)用建筑模型。

基于此，以循環(huán)水為研究對象，利用建立的能量方程確定系統(tǒng)能耗變化規(guī)律與影響因素，同時，以天津某辦公建筑為案例進行驗證以拓展該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1 循環(huán)水能量變化的理論分析

1.1 負荷率的影響

依據(jù)系統(tǒng)運行原理，循環(huán)水溫度會對機組性能系數(shù)（COP）產(chǎn)生顯著影響。制冷時，機組向水環(huán)路放熱，放熱量QF為

式中：Qc為建筑冷負荷，kW；ε為熱泵制冷系數(shù)。

因循環(huán)水溫度升高，此過程為循環(huán)水蓄能。

制熱時，機組從循環(huán)水中吸熱，吸熱量Qx為

式中：Qh為建筑熱負荷，kW；μ為熱泵制熱系數(shù)。

因循環(huán)水溫度降低，此過程為循環(huán)水放能。

當(dāng)負荷率變化時，一方面，受循環(huán)水溫度影響，熱泵機組COP會發(fā)生變化，并影響系統(tǒng)運行能耗；另一方面，系統(tǒng)內(nèi)部吸熱與放熱機組數(shù)量也會發(fā)生變化。由于吸熱與放熱機組對循環(huán)水產(chǎn)生的能量作用完全相反，這將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗會在負荷率升高到一定范圍時出現(xiàn)快速上升趨勢，并明顯偏離原先的運行規(guī)律。因此，循環(huán)水所處的能量狀態(tài)與負荷率變化幅度是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。

建筑負荷率變化會造成循環(huán)水蓄能量與放能量不斷改變，進而通過循環(huán)水溫度影響機組運行。因此，負荷率是影響循環(huán)水溫度的關(guān)鍵因素，也是循環(huán)水蓄能與放能的轉(zhuǎn)換條件。即在不同負荷率下，循環(huán)水會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換能差，此處是指在部分負荷下運行時，循環(huán)水蓄能與放能的轉(zhuǎn)換量值，此能量值會影響機組運行效率與輔助能源消耗。

1.2 能量方程

夏季建筑設(shè)計冷負荷為Qc時，因熱泵機組向循環(huán)水放熱，導(dǎo)致水環(huán)路最大功率變化，即

式中，qc為設(shè)計冷負荷時循環(huán)水對應(yīng)的能量，kW。

基于熱泵系統(tǒng)長期處于部分負荷運行的實際情況，負荷率變化會使部分機組由制冷變?yōu)橹茻?，此過程引起的能量變化為

式中：Δ qc為制冷工況下循環(huán)水的變化能，kW；η為部分負荷率，%。

本文采用從循環(huán)水到建筑負荷的逆推方法，循環(huán)水能量變化會使部分熱負荷變?yōu)榈攘坷湄摵?。依?jù)冷負荷變化與循環(huán)水蓄能關(guān)系有

式中，ΔQh為熱負荷變化，kW。

因熱負荷的存在又會使循環(huán)水處于放能狀態(tài)，熱泵機組對水環(huán)路產(chǎn)生的反向能為

注意：在轉(zhuǎn)換過程中，制冷運行機組還將向循環(huán)水放熱，其放熱量為ηqc。

依據(jù)反向能的屬性與守恒原理，循環(huán)水制冷工況下的能量方程為

同理，制熱時由于部分機組功能的轉(zhuǎn)變，水環(huán)路也將變?yōu)樾钅軤顟B(tài)，循環(huán)水能量變化為， 熱負荷轉(zhuǎn)變?yōu)榈攘坷湄摵?，?/p>

式中，Δqh為制熱工況下循環(huán)水的變化能，kW。

1.3 無因次能耗指數(shù)

式（8）、（11）表明，負荷率是影響循環(huán)水能量變化的關(guān)鍵因素。為了確定兩者的函數(shù)關(guān)系，本文提出無因次能耗指數(shù)作為循環(huán)水能量變化的評價指標(biāo)，其定義為：部分負荷率下循環(huán)水能量變化與此工況循環(huán)水總能量比值。它在不同工況下的定義不同。

制冷工況

式中，Ic、Ih分別為制冷與制熱工況下無因次能耗指數(shù)。

對無因次能耗指數(shù)進行處理。

式中，A、B均為與機組有關(guān)的性能系數(shù)，且A＜B。

此處無因次能耗指數(shù)為負荷率的單值函數(shù)，其對負荷率的導(dǎo)數(shù)為

由方程可得以下兩點結(jié)論：①循環(huán)水無因次能耗指數(shù)與部分負荷率具有一定的線性關(guān)系，但受熱泵性能系數(shù)影響，因此，系統(tǒng)運行會存在變化拐點，這反映了運行由節(jié)能區(qū)過渡到高能耗區(qū)的變化過程；②由于，因此，熱泵系統(tǒng)在制熱工況運行時負荷率對循環(huán)水能量變化的影響大于制冷工況運行時?；诖耍灰老到y(tǒng)的運行負荷，就可以利用建立的循環(huán)水能量方程確定夏、冬兩季水環(huán)熱泵運行需要的供給能，這為評估運行的節(jié)能性提供了新的理論依據(jù)。

2 測試與討論

2.1 項目概述

測試項目為天津某節(jié)能示范建筑，其面積約1 000 m2，夏、冬兩季室內(nèi)設(shè)計溫度分別為27、21 ℃，建筑冷、熱負荷分別為105.5、70 kW。該建筑采用23臺SHR系列單元式水環(huán)熱泵機組，總制冷量、制熱量分別為105.5、120.8 kW，輸入功率分別為23.5、25.2 kW，冬季采用電加熱水箱作為輔助熱源，其容量為35 kW。

2.2 測試方案

根據(jù)建筑用途與特點，采用全年運行時間部分負荷率測試方法。根據(jù)室外環(huán)境溫度與負荷不同將空調(diào)系統(tǒng)全年運行時間劃分為5個用能負荷段，分別為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%、80%～100%，并選取每段中典型的部分負荷率（20%、40%、60%、80%、100%）作為測試工況點，對熱泵系統(tǒng)夏、冬兩季運行能耗進行測試，其能耗測試數(shù)據(jù)如表1所示。壓縮機運轉(zhuǎn)率為70%，在空調(diào)主設(shè)備耗電量計算中已考慮壓縮機運轉(zhuǎn)效率。

表1 夏、冬季能耗測試數(shù)據(jù)Tab. 1 Test data of energy consumption in summer and in winter

2.3 結(jié)果與討論

測試數(shù)據(jù)表明，運行工況對熱泵系統(tǒng)能耗影響顯著，為此，本文提出循環(huán)水動態(tài)能量分析方法對數(shù)據(jù)進行分析。該方法提出的依據(jù)是：由于循環(huán)水是系統(tǒng)運行的能量載體，其溫度無論對熱泵機組運行效率還是對輔助熱源的能耗都具有顯著的影響；而建筑負荷產(chǎn)生的變化效應(yīng)又會通過機組吸放熱方式來改變循環(huán)水溫度，應(yīng)注意此過程無中間傳遞環(huán)節(jié)與能耗損失，因此，建筑負荷、循環(huán)水能量與系統(tǒng)能耗之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。此處循環(huán)水能量變化源于熱泵機組對水環(huán)路的吸、放熱，其值由循環(huán)水溫度決定，并隨系統(tǒng)運行處于動態(tài)，因此，它反映了機組吸、放熱對水環(huán)路的影響，同時也決定了運行能耗的變化規(guī)律。基于此，以設(shè)計工況下循環(huán)水能量變化與系統(tǒng)能耗作為研究基準，利用能量變化幅度（等級）概念描述運行過程，即

式中：E為循環(huán)水能量變化等級；Δemax為設(shè)計工況下循環(huán)水能量變化，kW·h；Δe為部分負荷下循環(huán)水能量變化，kW·h；W為相對能耗；Ebf為部分負荷下系統(tǒng)能耗，kW·h；Esj為設(shè)計工況下系統(tǒng)能耗，kW·h。

基于實驗方案與測試值，將循環(huán)水能量變化劃分為1～5檔能量級，并選擇測試負荷段中典型負荷率下系統(tǒng)能耗作為此工況段對應(yīng)的循環(huán)水能量變化，即E= 5（η= 100% 時系統(tǒng)能耗）、E=4（η= 80% 時系統(tǒng)能耗）、E= 3（η= 60% 時系統(tǒng)能耗）、E= 2（η= 40% 時系統(tǒng)能耗）、E= 1（η=20%時系統(tǒng)能耗）。

使用上述方法處理實驗數(shù)據(jù)，得到夏、冬兩季機組與系統(tǒng)相對能耗變化如圖2所示。

圖2（a）中顯示：夏季機組與系統(tǒng)相對能耗在E= 1～4服從線性規(guī)律，E= 4 是曲線的拐點；機組相對能耗斜率大于系統(tǒng)相對能耗，這種現(xiàn)象在畸變工況段會更明顯。這是因為循環(huán)水是系統(tǒng)能量載體，負荷率的改變通過循環(huán)水直接作用于熱泵機組并影響其運轉(zhuǎn)效率。而影響系統(tǒng)相對能耗的因素較多，負荷率只是其中一個重要因子，因此，系統(tǒng)相對能耗變化不如機組相對能耗變化明顯。

圖2 夏、冬季機組與系統(tǒng)無相對能耗Fig. 2 Dimensionless energy consumption of the unit and system in summer and in winter

由圖2（b）中可以看出：冬季系統(tǒng)相對能耗變化具有近似線性特征，而機組相對能耗變化在E= 4處發(fā)生畸變，呈現(xiàn)非線性特征。這是因為冬季運行時，系統(tǒng)內(nèi)部必須添加輔助熱源，且其能耗是重要的影響因子。值得注意的是，輔助熱源的使用可降低負荷率對機組運行的影響，但也會增加系統(tǒng)額外能耗。因此，在負荷率與輔助熱源雙因子影響下系統(tǒng)相對能耗出現(xiàn)近似線性變化特征。建筑負荷通過改變循環(huán)水溫度影響熱泵機組的運轉(zhuǎn)效率，因此，機組運行能耗會也在某一負荷段產(chǎn)生畸變。

圖3 夏、冬兩季機組與熱泵相對能耗Fig. 3 Dimensionless energy consumption of the unit and heat pump system in summer and in winter

為了進一步分析輔助熱源對機組的影響，圖3給出了夏、冬兩季機組和熱泵相對能耗。圖 3（a）中顯示：機組相對能耗在E= 1～4 范圍內(nèi)具有線性變化特征，但夏季曲線斜率會更大；值得注意的是，機組相對能耗會在E= 4時出現(xiàn)拐點，且畸變工況段在冬季對機組的影響更明顯。冬季系統(tǒng)添加輔助熱源，這將明顯提示循環(huán)水溫度使機組在E= 1～4具有較高的運轉(zhuǎn)效率，因此，冬季機組相對能耗變化小于夏季。但冬季機組在設(shè)計工況范圍內(nèi)運行時，由于系統(tǒng)內(nèi)部可回收的熱量較少，導(dǎo)致輔助熱源即使?jié)M負荷運行也很難保證機組高效運行，因此，機組相對能耗在E= 4～5時會發(fā)生劇烈震蕩并顯著上升。若選更大容量的輔助熱源，在E= 4～5時機組運轉(zhuǎn)效率得到保證。

圖3（b）中顯示：冬季熱泵相對能耗曲線斜率在E= 1～4時要大于夏季，但在畸變工況段恰好相反。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是系統(tǒng)相對能耗受多種因素的影響，這種情況在冬季會更明顯。系統(tǒng)冬季運行時，其相對能耗受負荷率與輔助熱源雙重影響。本試驗選取輔助熱源容量偏小，這一方面會降低畸變工況段的系統(tǒng)能耗；另一方面，由于循環(huán)水溫度偏低，會導(dǎo)致熱泵機組運轉(zhuǎn)效率下降，從而增加系統(tǒng)能耗。綜合分析結(jié)果表明：此工況段與其他工況段能耗變化并不明顯。夏季系統(tǒng)能耗主要受負荷率影響，因此，在畸變工況段運行，系統(tǒng)能耗會出現(xiàn)明顯的變化。

基于工程測試與能耗分析可歸納出以下結(jié)論：①負荷率無論冬季還是夏季對機組的影響要比系統(tǒng)顯著，特別是在畸變工況段。②冬季負荷率在畸變工況段對機組能耗的影響要大于夏季，而其他工況段正好相反。③冬季系統(tǒng)能耗受輔助熱源與負荷率的雙因子影響，因此，在畸變工況段能耗變化沒有夏季變化顯著。

3 結(jié) 論

基于循環(huán)水能量載體作用，本文采用負荷率方法建立了循環(huán)水能量方程，并利用定義的無因次能耗發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水能量變化與負荷率具有線性關(guān)系，并分析了影響運行變化的關(guān)鍵因素。以天津某辦公建筑為案例進行測試，得到如下結(jié)論：①機組能耗受負荷率的影響比系統(tǒng)明顯，這種現(xiàn)象在冬季畸變工況段更顯著；②冬季系統(tǒng)運行會受輔助熱源與負荷率共同影響，因此，輔助熱源與熱泵機組之間的能量平衡將成為提升系統(tǒng)整體能效的關(guān)鍵。