低環(huán)境溫度空氣源熱泵能效標(biāo)準分析
低環(huán)境溫度空氣源熱泵能效標(biāo)準分析
王派李敏霞馬一太王飛波
(中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室,天津大學(xué)熱能研究所)
摘要京津冀地區(qū)大氣污染問題突出,為實現(xiàn)治理霧霾和節(jié)能減排目標(biāo),京津冀開始無煤化行動。低環(huán)境溫度空氣源熱泵經(jīng)過十多年的研究和試制,已經(jīng)取得成功,并在京津冀等地規(guī)模應(yīng)用。本文重點研究低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況下COP和綜合部分負荷值,即IPLV(H);并通過具體算例,利用熱力學(xué)完善度分析相關(guān)標(biāo)準下的IPLV(H),可供今后制定有關(guān)標(biāo)準參考。
關(guān)鍵詞低環(huán)境溫度空氣源熱泵;能效標(biāo)準;IPLV(H)
1京津冀地區(qū)“煤改電”現(xiàn)狀
京津冀地區(qū)大氣污染問題相對突出,2016年優(yōu)良天數(shù)比例為56.8%,比全國平均比例低22個百分點;重度及以上污染天數(shù)比例為9.2%,為全國平均水平的3.5倍;12月份發(fā)生5次大范圍重污染天氣過程。2016年11月15日至12月31日京津冀區(qū)域PM2.5濃度為135g/m3,是非供暖期濃度的2.4倍,該時期占全年時間的12.8%,對全年P(guān)M2.5貢獻達到24.4%[1]。
目前研究表明,煤炭低效分散燃燒是我國霧霾形成的主要原因之一。為實現(xiàn)徹底治理霧霾和節(jié)能減排目標(biāo),京津冀開始了“無煤化”行動。
2015年12月,京津冀三地環(huán)保部門簽署了《京津冀區(qū)域環(huán)境保護率先突破合作框架協(xié)議》。2016年7月25日,天津市出臺《天津市貫徹落實〈京津冀大氣污染防治強化措施(2016-2017年)實施方案》,按照通知要求,到2017年,天津市PM2.5年均濃度應(yīng)達到60gg/m3左右,其中,武清區(qū)、寶坻區(qū)、薊縣分別達到或低于全市平均水平[2]。
數(shù)年來,北京郊區(qū)等地已有的實踐表明,“煤改電”的替代裝置主要是空氣源熱泵。2016年底北京郊區(qū)已有18.9萬戶家庭作為一期試點安裝空氣源熱泵,11月8日正式供熱。天津緊跟“煤改電”的步伐,于2016年11月15日完成武清區(qū)空氣源熱泵的招標(biāo),并開始了安裝工作。
“煤改電”工作在各級政府的積極推動下,生產(chǎn)廠家努力創(chuàng)新制造,廣大用戶也在認真配合,筆者相信“煤改電”一定能取得豐碩成果。當(dāng)然,節(jié)能減排永遠是進行時,在鞏固現(xiàn)有成績的同時,也應(yīng)該看到目前空氣源熱泵尚存在季節(jié)能效偏低等問題,需要在今后加以解決。筆者主要分析低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組的綜合部分負荷性能系數(shù),即IPLV。
2IPLV的由來
IPLV最初應(yīng)用于冷水機組。由于空調(diào)季節(jié)環(huán)境溫度的變化,冷水機組需要容量調(diào)節(jié)。冷水機組的供/回水溫度可以總是7℃/12℃,而環(huán)境溫度是變化的,冷負荷也是變化的,直接影響冷卻水的進/出口溫度。機組的負荷調(diào)節(jié)可能是無級的,也可能采用分級的,例如螺桿式冷水機組的滑閥分級調(diào)節(jié)等。在美國標(biāo)準AIR550-1992 Centrifugal and Rotary Screw Water Chilling Packages中,針對冷水機組給出如下IPLV的計算公式:IPLV=0.17A+0.39B+0.33C+0.11D(1)式中:A,B,C和D分別為機組在100%,75%,50%和25%負荷時的COP值。其中系數(shù)0.17,0.390.33和0.11是依據(jù)以下幾個原則確定的:
1)計算方法:采用美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會( ASHRAE)的Bin方法(根據(jù)某地全年室外干球溫度的逐時值,統(tǒng)計出一定間隔的溫度段(BIN)中的溫度在全年或某一期間所出現(xiàn)的時間(h),即溫度的時間頻率)
2)氣象參數(shù):美國喬治亞洲亞特蘭大市
3)建筑類型:占所有建筑32%的辦公建筑1998年美國空調(diào)與制冷協(xié)會對ARI550-1992與ARI590-1992標(biāo)準進行修訂并合并為ARI550/590-1998 Water Chilling Packages Using the Va
por Com pression Cycle]。在該標(biāo)準中對IPLV進行了修正,計算公式如下:IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D其中計算方法仍采用美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會( ASHRAE)的Bin方法;氣象參數(shù)則是美國29個城市的加權(quán)平均。這29個城市冷水機組的市場份額在19706-1992年間占80%;建筑類型是所有建筑類型的加權(quán)平均另外,美國標(biāo)準ARI550的1992版和ARI550/590的1998版中對于IPLV的計算公式在權(quán)重方面有所不同,A工況對應(yīng)系數(shù)由0.17變?yōu)?.01,這是由于計算樣本從亞特蘭大擴展到美國29個城市我國參照1998年版的ARI550/590原則,于2005年頒布GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》,通過大量計算分析,分別得到我國4個主要氣候區(qū)(溫和地區(qū)除外)的標(biāo)準辦公建筑的冷水機組部分負荷運行時間分布和4個氣候區(qū)的IPLV系數(shù)值,給出我國冷水機組IPLV的計算公式,IPLW=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D(3)到2015年根據(jù)建筑節(jié)能大量調(diào)查和數(shù)據(jù)分析,由于建筑節(jié)能的變化,25%負荷工況的時間(h)明顯增加,GB501892015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》?(已于2017年1月1日正式實施)的IPLV公式變化為V=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D
(4)對于單元式空調(diào)機和空氣源熱泵設(shè)備,美國ANSI/ARI 210/240-2003 Per formance Rating ofUnitary Air-conditioners and Air-source HeatPump Eguipment?中給出IPLV的計算公式為EER,+EER2IPLV=(PLF1- PLF2EER2+ EER3(PLF,- PLF(PLF。-PLF/ER。1+EERPLF. X EER
(5)式中:PLF是部分負荷系數(shù),該系數(shù)由圖1中曲線得到。根據(jù)式(5),IPLV在100%,75%,50%和25%負荷下的EER的加權(quán)公式為IPLV=0.05A+0.3B+0.4C+0.25D
(6)根據(jù)曲線得到的不同負荷下的系數(shù)以及該負荷下的能效比就可以求得空氣源熱泵終端冷(熱)風(fēng)機組的IPLV??諝庠礋岜媒K端冷(熱)風(fēng)機組啟停比較頻繁,在部分負荷性能方面與大型冷水機組有所不同,這種思路包括部分負荷曲線圖1,曾被我國GB/T1887-2002《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機組》直接采用綜上所述,IPLV反映了空調(diào)設(shè)備在夏季制冷變負荷時的綜合性能,雖然不同國家、不同時期4個加權(quán)系數(shù)不同,但基本上100%和25%負荷的加權(quán)系數(shù)較小,75%和50%負荷的加權(quán)系數(shù)較大。大型設(shè)備(離心機組、螺桿機組)100%負荷的加權(quán)系數(shù)僅1%~2%,小型設(shè)備(多聯(lián)機、單元式空調(diào)機)100%負荷的加權(quán)系數(shù)要大些。
圖1IPLV中的部分負荷系數(shù)[7]
3低環(huán)境溫度空氣源熱泵的COP和IPLV(H)
韓林俊等分析了低環(huán)境溫度空氣源熱泵的名義工況和IPLV(H)的評價方法。與以往標(biāo)準中很少對熱泵性能有單獨的規(guī)定不同,2010年頒布的有關(guān)低環(huán)境溫度空氣源熱泵的標(biāo)準中有IPLV(H)相關(guān)規(guī)定12。標(biāo)準中規(guī)定制熱名義工況的熱源側(cè)空氣干球溫度為-12℃,空氣濕球溫度為-14℃,使用側(cè)出水溫度為41℃。有關(guān)制熱IPLV(H)的測試條件見表1。按表1測試綜合部分負荷性能值IPLV(H)。熱泵在低溫工況(環(huán)境溫度-12℃/-14℃,出口水溫41C)下COP不低于2.1(戶用)或2.3(商用),北京地區(qū)IPLV(H)不低于2.4(戶用)或2.5(商用)。
有關(guān)IPLV(H)的應(yīng)用,可以形象地表示在圖中。冬季室外溫度與房間供熱負荷有線性關(guān)系,圖中曲線為實際工況下不同室外溫度所占比例,為便于監(jiān)測,可將其簡化為A,B,C,D四個工況,即IPLV(H)的4個測試點,分別為100%負荷,75%負荷,50%負荷和25%負荷。各測試點所占的比例即為IPLV(H)的加權(quán)系數(shù)。IPLV的優(yōu)點,在于可以充分利用部分負荷有更高的COP,即通過容量調(diào)節(jié)和工況調(diào)節(jié),提高部分負荷時的COP,提高熱泵的節(jié)能潛力。表2說
明了這一潛力,熱泵在75%和50%負荷下工作時
間占總時間的75%。
從北方大多數(shù)地區(qū)分析看,B+C的時間比例的綜合部分性能系數(shù)貢獻最大。通過比較可知,IPLV(H)僅是名義工況COP占75%,而此時的環(huán)境溫度為-7~0℃,對熱泵
的1.14倍(戶用)和1.09倍(商用),明顯低于在制冷工況時的規(guī)律,IPLV通常是COP的1.2~1.3倍。目前還都沒有低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV(H)能效等級的要求。這是由于,標(biāo)準在制訂時,基本反映的是2005年前后的水平,當(dāng)時是以能夠在低環(huán)境溫度下工作為主要目的,變?nèi)萘康男阅芴幱诔跫夒A段。經(jīng)過十多年的發(fā)展,目前技術(shù)水平,尤其是變頻壓縮機技術(shù),已有較大提高,建議修訂標(biāo)準中的參數(shù)。
4提高低環(huán)境溫度空氣源熱泵COP和IPLV(H)技術(shù)措施
目前,戶用低環(huán)境溫度空氣源熱泵的壓縮機主要是渦旋式壓縮機,也有滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機。商用低環(huán)境溫度空氣源熱泵因容量較大,主要采用多機頭的渦旋式壓縮機或滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機,也有螺桿式壓縮機。從最近的發(fā)展看,直流變頻或磁懸浮離心式壓縮機也會用于空氣源熱泵當(dāng)空調(diào)負荷為滿負荷時,直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機和直流變頻渦旋式壓縮機的效率難分伯仲但是,在部分負荷時,例如冬季部分負荷工況都是室外環(huán)境溫度上升,要求的壓縮比也下降。在制冷工況下,不同控制方式的機組部分負荷性能如圖3所示。這個圖雖然來自大中型機組,但有關(guān)原理是通用的,也適合采用小型全封閉壓縮機的機組,只不過具體數(shù)據(jù)有所不同。通常渦旋式壓縮機是定壓比的,但出現(xiàn)了多種排氣方式克服“過壓縮”現(xiàn)象,而單機或雙轉(zhuǎn)子式壓縮機因可用排氣閥控制壓縮比,相當(dāng)于圖3中變頻+可變V,具有較高的效率。這樣,在部分負荷工況時,使用單機或雙轉(zhuǎn)子式壓縮機的空調(diào)器可能比使用渦旋式壓縮機的空調(diào)器的SEER或IPLV(HI)有較高的值為適應(yīng)空氣源熱泵的需求,應(yīng)開發(fā)可變內(nèi)容積比螺桿式壓縮機,配合變頻電機,能夠獲得較高的IPLV(H)。在制冷工況下,直流變頻離心式壓縮機有著非常優(yōu)秀的部分負荷性能,變頻電機驅(qū)動的離心式壓縮機的IPLV有明顯的上升,而采用磁懸浮離心式壓縮機的冷水機組越來越多。相信任何技術(shù)沒有停止發(fā)展,今后其他形式的變?nèi)萘?、壓縮比調(diào)節(jié)技術(shù)也可能會出現(xiàn)新的變化。對于商用低環(huán)境溫度空氣源熱泵,可以采用多機頭的渦旋式壓縮機或滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機,也可以采用螺桿式壓縮機,今后可能會采用磁懸浮離心式壓縮機,因此發(fā)展空間很大,需要專門論述,筆者暫不作深入分析。由上述IPLV的計算公式來看,提高IPLV的
圖3在制冷工況下不同控制方式的機組部分負荷性能
措施主要是提高部分負荷下制冷空調(diào)產(chǎn)品的能效比。由表3可以看出,部分負荷下熱泵系統(tǒng)是變?nèi)萘亢妥儔嚎s比運行。而変壓縮比還有2個方面方面不同容量下的工作溫度不同,即冷凝溫度可隨環(huán)境溫度的上升而下降,可降低壓縮比;另一方面,由于容量變化,在較小容量輸出時需要的傳熱溫差可以變小,這影響壓縮比。壓縮機容量調(diào)節(jié)和控制方式是影響熱泵設(shè)備IPLV(H)的重要因素。
5空氣源熱泵名義工況的OOP和IPLV(HD能效分析在實際制冷(熱泵)循環(huán)中,存在多種不可逆因素導(dǎo)致的熵增。一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能,其中大部分耗散到環(huán)境中,導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)效率下降將實際循環(huán)的熱力學(xué)第一定律的效率與相同工況下逆卡諾循環(huán)第一定律效率相比,就得出實際循環(huán)的熱力學(xué)第二定律效率。熱力學(xué)第二定律表述實際循環(huán)偏離理想循環(huán)的程度,或者是實際熱力循環(huán)接近完善的程度,可以稱為循環(huán)的完善度或熱力學(xué)完善度,可以表示實際循環(huán)裝置的用能效率水平。例如,當(dāng)熱泵出水溫度不同時,2種熱泵的COP不能直接作比較,但可以通過熱力學(xué)第二定律效率指標(biāo)進行比較。機組1(直流變頻低環(huán)境溫度空氣源熱泵)的性能曲線,如圖4所示。.
圖4中出水溫度為35℃,而我國標(biāo)準GB/T25127《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組》中規(guī)定出水溫度是41℃,要推算出水溫度為41℃時的IPLV(H)可用熱力學(xué)完善度方法。用環(huán)境溫度和出水溫度建立逆卡諾循環(huán),求出逆卡諾循環(huán)的IPLV(H),因為熱力學(xué)完善度具有一致性,可推導(dǎo)出41℃時的IPLV(H),為3.31。結(jié)果如表4所示同樣如果已知機組2在55℃出水時的COP與IPLV(H),如表5所示,通過熱力學(xué)完善度可計算出水溫度為41℃時系統(tǒng)的COP及IPLV(H)機組3在出水溫度為40℃C時,適用于水地暖輻射供暖末端機組COP如表6所示,通過熱力學(xué)完善度可計算出水溫度為41℃時機組的COP和IPLV(H)。
目前,我國還沒有低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV(D能效等級的劃分方法和標(biāo)準等,但有些產(chǎn)品,特別是變頻壓縮機組,已經(jīng)具有較高的IPLV,由于各自的設(shè)計指標(biāo)和運行參數(shù)等不盡相同,如何評價和比較其能效等指標(biāo),無從下手為鼓勵研發(fā)部門和生產(chǎn)企業(yè)努力攻關(guān)和采用先進技術(shù),推動低環(huán)境溫度空氣源熱泵產(chǎn)品發(fā)展,應(yīng)立即著手對低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV(H)的能效標(biāo)準預(yù)測開展研究。
基于相關(guān)熱力學(xué)完善度理論,并參考若干產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)用實測值等,對于戶用空氣源熱泵名義工況下(A工況),其1級能效、2級能效和3級能效(入門級)COP值依次建議為2.6,2.4和2.2。對于綜合部分負荷值IPL(H),其1級能效、2級能效和3級能效(人門級)值依次為3.3,3.0和2.6。作為研究和應(yīng)用分析的參考,低環(huán)境溫度(戶用)空氣源熱泵的能效標(biāo)準計算值可參考表7所示數(shù)據(jù)。
6結(jié)束語
京津冀地區(qū)大氣污染問題相對突出,北方許多城市正在推廣“煤改電”,低環(huán)境溫度空氣源熱泵在我國得到大力發(fā)展。筆者重點分析了低環(huán)境溫度空氣源熱泵的綜合部分負荷值IPLV(H),提出提高空氣源熱泵COP和IPLV(H)的措施。通過具體算例,利用熱力學(xué)完善度分析相關(guān)標(biāo)準下的IPLV(H)。
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