改进-BIN参数在水源热泵住宅中央空调系统中-应用

1、改进-BIN参数在水源热泵住宅中央空调系统中-应用            要： 本文对美国ASHRAE改进的Bin能耗计算方法(Modified Bin Method)作了一些适合于我国华北地区民用住宅使用的修改后，根据天津市最近十二年的气象数据，计算了天津地区全天24小时和18:008:00之间两种情况下的全年Bin数据。并在考虑了水源热泵的部分负荷特性对机组效率的影响之后，对水源热泵住宅中央空调系统的两种常见工作模式进行了全年能耗计算与分析。 关键词： 水源热泵 住宅中央

2、空调 Bin 能耗分析 部分负荷特性Application of the Modified BIN Method to WSHP Residential Central Air-conditioning SystemAbstract: Both heating and cooling loads can be estimated using the Bin (temperature frequency) method, so the Modified Bin Method from ASHRAE was applied to this article. Modified to fit the

3、condition of the residence in North China, two kinds of Bins concluding both the whole day and the night throughout one year were given out referring to the latest twelve years weather data of Tianjin. Then the energy calculation and analysis for two normal run modes of the Water Source Heat Pump (W

4、SHP) residential central air-conditioning were done at the concept of partial load characteristic.Keyword: Water Source Heat Pump, Residential Central Air-conditioning, Modified Bin Method, energy calculation and analysis, partial load characteristic 1.概述住宅中央空调(Residential Central Air-conditioning)的

5、概念最先来源于美国,它是一种通过风道或冷热水管道将中央空调处理机集中处理过的空气或冷热水送进位于不同房间的空调未端,补偿各房间的冷热损失,以达到各房间空气调节目的的空调形式。随着我国目前城市环境问题的日益重视和能源结构的调整,在黄河流域,采用经济、清洁的热泵中央空调系统,已经变得日益重要。正是在此背景下,深井回灌的水源热泵(Water Source Heat Pump)方式有可能成为满足这种需求的住宅供热空调方式。较为简便可行的水源热泵住宅中央空调系统的全年能耗分析将对该空调系统形式在住宅空调方面的发展、系统的的优化设计和运行管理以及用户对水源热泵中央空调系统的认同与选购都有着很重要的意义。本

6、文将美国ASHRAE改进的Bin能耗计算方法(Modified Bin Method)引入水源热泵住宅中央空调系统的能耗分析与计算,使得该系统的能耗分析与计算变得更为简单。2.建筑物全年负荷计算2.1计算方法简介空调系统全年能耗分析必须以建筑物全年负荷计算为基础。关于建筑物全年负荷计算有两种方法：一是建立建筑物热过程的动态模型,在计算机上作全年或某时间段的逐时模拟,逐时计算法是最复杂,也是最准确的一种能耗计算法,它是根据室外逐时的气象数据,室内设计参数,逐时计算出建筑的能耗。其代表软件有:美国政府的DOE2,美国军方的BLAST和室内环境温度和能耗模拟软件DEROB。二是各种简化计算方法,如度

7、日法、扩大度日法、当量运行小时法、温频法(Bin)等。与动态模拟相比,后者精度稍差,但比较简单,当建筑物用途及系统恒定时,用这种方法是合理的124。度日法是最简单的方法，但通常产生的结果较差，它不能在运行效率取决与室外环境的系统中运行，热泵就是一个很好的例子。本文采用的改进的温湿频参数(Modified Bin Method)法同属于简化计算法，但是它将室外工况和部分负荷工况所产生的效果考虑在内，这种方法具有足够的精度满足水源热泵系统的要求4。尤其，改进的Bin方法与其他方法比较，更侧重于能耗的分析与计算。该方法可以在各种负荷状态(而不只是在设计负荷条件)下，将设备的运行效率、启停状态的影响以

8、及再热量、全热回收等因素考虑在内，进行较为准确的能耗分析。本文结合我国气象数据的特点,对ASHRAE改进的温频参数(Bin)法做了如下调整：1)Bin数据的温度间隔取为两度,提高了计算精度；2)用含湿量代替湿球温度,这样在计算潜热负荷时不用再进行由湿球温度到含湿量的换算；3)由于我国大部分地区冬夏季空调参数相差很大,结合住宅空调运行特点,分别计算了天津地区24小时和18:00"8:00的两种Bin数据。其中湿球温度直接来源于天津地区室外气象数据，它的采用使得计算潜冷负荷和潜热负荷时节省了相对湿度向湿球温度转换的步骤。2.2负荷计算(1) 式中：QSOLj通过窗户的太阳负荷,(W/m2

9、),j等于7或者1；建筑物所有外窗朝向数；MSHGFi朝向i月最大太阳数,(W/m2)AGi朝向i的窗户的总面积,(m2)Cs朝向i的遮阳系数，Cs=0.93；CLFTOTi朝向i在24小时内太阳冷负荷系数之和；KT月平均日照率；T空调系统在t时的运行小时数,(hr)；A建筑物的空调面积,(m2)；其中,QSOL与室外气温T之间存在着线性关系：(2) 式中：tc峰值冷负荷温度,天津地区为35；th(3)     2007-05-12        式中：TL由室内外温差引起的

10、围护结构传导冷热负荷(W/m2)；建筑物的传导表面数；Ai第i个围护结构表面的面积(m2)；Ki第i个表面的传热系数(W/m2·)；t室外空气温度()；tn室内设定温度(),制冷工况26,采暖工况20,防冻工况10。2)通过屋面、墙体和窗户由投射在外表面上的日射引起的不稳定传热部分：(4) 式中：QTSj太阳日射形成的传导冷负荷(W/m2),j等于7或者1；CLTDS太阳日射形成的墙体冷负荷温差()；KC墙体外表面颜色修正系数,深色调取1.0；其中QTS与室外空气温度之间存在着线性关系： (5) 2.3天津地区温频(Bin)数计算根据天津地区最近十二年的气象资料,以2温度差作为一个温

11、频段,整理得到天津地区温频参数。表1为全天24小时的温频值,表2为18:008:00之间的温频值。天津地区24小时Bin数北纬39°06东经117°10 海拔3.3m 表1 干球温度()-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 小时数(h)14 46 147 244 446 555 615 424 385 303 301 324 407 平均含湿量(g/kg)0.45 0.8 1.1 0.68 1.6 1.9 2.2 2.5 2.7 3.3 4 4.6 5.4 续表1干球温度()15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 小

12、时数(h)429 456 510 597 608 628 524 401 228 112 17 平均含湿量(g/kg)6 7.5 8.1 10 12 12.4 14.4 14.2 15 14 11.4 天津地区18:008:00 Bin数北纬39°06东经117°10海拔3.3m表2干球温度()-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 小时数(h)9 37 111 189 304 380 385 225 183 157 183 212 256 平均含湿量(g/kg)0.43 0.9 1.1 1.2 1.7 2.1 2.4 2.5 3.3 3.8

13、4.4 5.1 5.9 续表2干球温度()15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 小时数(h)272 296 302 378 385 348 285 125 41 7 4 平均含湿量(g/kg)6.7 8.2 9.3 11.7 13.1 14.4 15.7 15.9 16.2 14.5 12.2     3.住宅建筑能耗分析与计算实例3.1建筑概况为具有代表性,本文选用了一户位于天津市某高档水源热泵系统住宅小区的标准户型住宅,户型为三室两厅、双卫双厕空调面积200平米。空调机组选用我们自己开发的水源热泵中央空调机组。该建筑基本情

14、况如下：1) 夏季室内设计参数tn=26, dn=12.7g/kg ；2)冬季室内设计参数：正常运行tn=20, dn=7.4g/kg；防冻运行：tn=10，dn=3.8 g/kg；3)外墙：内面抹灰200mm加气混凝土,外墙南、北两面面积分别是45m2,36m2；4)窗户：单层5mm厚玻璃塑钢窗,南窗10m2,北窗8m2；传热系数K=5.8W/m2·K5)窗内挂中间色窗帘；6)*门窗等缝隙引入新风,新风渗透量0.5次/h；7)室内负荷：灯具7.5W/m2,空调期间同时使用系数0.75,非空调期间同时使用系数为0；考虑设备均在卫生间或厨房，设备负荷12W/m2；人员：空调期间全热负荷

15、为1115/200=2.8W/m2。 3.2能耗计算及其分析2,QSOL1=3.43W/m2,代入式(2)得到关系式：QSOL=0.011t+3.55(6) 冬季18:00"8:00：THL=-0.828t+16.56；(8) 冬季8:00"18:00：THL=-0.828t+8.28；(9)     2007-05-12        2显热负荷：QVHS=-0.442t+8.84；(13) 潜冷负荷：QVL=1.08d-13.72；(14)潜热负荷(室

16、内温度20)：QVH1=-1.08d+8.0；(15)潜热负荷(室内温度10)：QVH1=-1.08d+4.1；(16) 3.3建筑物能耗计算1)供冷负荷(18:00"8:00)：由(6)、(8)、(11)、(12)、(13)叠加得到室内显冷负荷随室外温度变化的关系式： QCL=1.25t-6.55(17)2)正常运行期间(18:00"8:00)供热负荷：由(6)、(9)、(11)、(14) 叠加得到室内热负荷随室外温度变化的关系式(室内负荷作为安全因素)：QHL1=-1.25t+19.35(18)3)防冻运行期间(8:00"18:00)供热负荷：由(6)、(10

17、)、(11)、(14)叠加,得到室内热负荷随室外温度变化的关系式：QHL2=-1.25t+11.07(19)将表1和表2中各BIN段相对应的室外空气温度和相对湿度分别代入(14)(19)各式,即可得到各频段的冷负荷和供暖热负荷,冷热负荷乘上各对应频段的小时数即得到制冷总耗冷量和供暖耗热量。(天津地区开始制冷时的室外温度取23,开始采暖时的室外温度取5)。总耗冷量计算表(18 :00"8 :00) 根据表57可得到运行模式一下该标准住宅的年能耗量：耗冷量总计30.32+2.3232.64kWh/m2；耗热量总计47.60+13.14=60.74kWh/m2。以同样的方法可以得到模式二下

18、全年能耗量：耗冷量总计70.60kWh/m2；耗热量总计75.69kWh/m2。3.4空调负荷与室外温度的线性关系图表右图1反映了以上各空调负荷与室外空气温度的线性关系。 4.水源热泵住宅中央空调全年能耗计算方法根据由改进的BIN方法计算出的建筑能耗，初步确定所需设备的能耗量，再根据设备厂家提供的设备详细数据，计算出实际的设备输入功率。本文使用的热泵机组为我们和天大胜远空调公司合作开发的住宅式水源热泵机组，采用谷轮公司ZR47K3-PFJ压缩机。 4.1设备选择(见表8) 1)该小区采取集中供应冷却水的方式,地源水循环水泵集中设置,小区住户分摊地源水循环水泵的运行费用。本文为便于进行能耗分析,采用分摊地源水循环水泵能耗的方式进行计算。2)用户系统房间装设风机盘管。 水源热泵空调系统设备表8 热泵机组水源循环水泵(分摊值)用户循环水泵风机盘管(总和)制冷工况制热工况制冷工况制热工况输入功率(W)2420346050020065250输出冷（热）量(W)1140012700-(热泵机组测试条件：制热时蒸发器进出口45/50,冷凝器进出口17/7；制冷时蒸发器进