采用水环热泵新风机组的独立新风系统的火用分析

1、采用水环热泵新风机组的独立新风系统的火用分析邓玉艳丁力行罗玉和(仲恺农业技术学院,广州 510225摘要应用能量和火用分析方法,对一种用于独立新风空调系统的新型水环热泵低温新风处理系统进行能量评价。通过实例对新风系统的能量和火用的传递与转换进行分析计算,并与采用冰蓄冷系统和冷水机组作为新风处理设备冷源的两种低温新风系统进行比较,结果表明采用水环热泵新风机组的独立新风处理系统,其能效比和火用效率较其它两种系统高,该系统良好的节能特性将有助于独立新风系统在我国的应用和推广。关键词低温新风机水环热泵火用分析独立新风系统EXERGY ANALYSIS OF DEDCATIED OUTDOOR AIR

2、SYSTEMS ADOPTING WATER LOOP HEAT PUMP OUTDOOR AIR UNITDeng Yuyan Ding Lixing Luo Yuhe(Zhongkai University of Agriculture and Technology, Guangzhou 510225Abstract The energy and exergy analysis were applied to the energy evaluation for cold outdoor air handling unit of the new water loop heat pump, w

3、hich is used in dedicated outdoor air systems (DOAS. The transfer and conversion of energy and exergy in DOAS were calculated and analyzed with an example, and comprised with the cold outdoor air-handling unit adopting ice storage system and water chilling unit. The results show that the energy effi

4、ciency ratio and exergy efficiency of DOAS adopting water loop heat pump outdoor air unit are higher than the other two systems. This good energy-saving characteristic will accelerate the application and popularization of DOAS.Keywords Cold outdoor air handling unit Water loop heat pump Exergy analy

5、sis dedicated outdoor air systems(DOAS0 引言独立新风系统(Dedicated outdoor air systems,DOAS作为一种全新风系统,在防止病毒、细菌扩散方面具有其它空调系统无法比拟的优越性,被美国能源部列为21世纪商业建筑最有前途、最先进的15项空调节能技术之一,得到人们越来越多地关注1。但该项技术在我国使用和推广受到一定的限制,主要原因在于它的低温新风处理设备难以满足要求。欧美等国家在DOAS系统中多采用冰蓄冷系统和新风风柜处理新风,但蓄冰系统复杂、占地面积大,维修要求高,造价亦偏高。国内亦有采用冷水机组作为新风处理冷源,但因需提供不高于

6、5的冷冻水,易引起冷水机组低温保护2。水环热泵空调系统是一种利用低位热能供冷、供热,并具有节能和环保意义的空调形式,目前水环热泵空调机组是作为自带冷源的末端设备使用的,其冷风比小,不能直接用于独立新风空调系统中的低温大焓差新风处理。基于此,采用一种新型水环热泵低温新风机组,机组结合水环热泵和新风机的特点,通过对新风处理设备的合理设计,使其满足DOAS低温大焓差新风处理的需要3。本文将对DOAS中应用水环热泵低温新风机组以及采用冰蓄冷系统、冷水机组作为新风处理冷源的新风系统进行能量分析和火用分析,以比较DOAS的不同新风处理方法的能耗和能源利用效率。1 DOAS的新风处理冷源1.1 DOAS系统

7、的工作原理DOAS系统的工作原理如图1所示。作者简介: 邓玉艳(1965-,女,工程师, 工学硕士 水环热泵新风机水环热泵新风机内区循环水泵外区膨胀水箱辅助加热器换热器冷却塔图2 空气处理过程图3 新风处理系统1.2水环热泵低温新风处理系统通常独立新风系统的新风机冷源是冰蓄冷系统或冷水机组,即送入的新风机冷冻水由冰蓄冷系统提供或直接由冷水机组提供。为了简化新风冷源系统、保证系统运行可靠,对新风处理冷源加以改进,采用水环热泵低温新风机组处理来自全热交换器的新风,系统如图3所示。2 火用分析为了评价水环热泵低温新风机组新风处理过程的能量利用程度,可采用能量和火用分析方法,对新风系统的能量分配从数量

8、和质量两方面进行分析,并与常规的DOAS 新风处理系统进行比较,评价其节能应用前景,找到能量损失的环节和节能的途径,为实现DOAS 的优化提供理论指导。 2.1 火用分析的热力学依据根据热力学火用理论,整理出空调新风处理系统的火用分析计算式4。系统的火用效率%100E ×=inef E E (2-1冷量火用=100Q T T Q E (2-2冷量火用能级0q /Q E q = (2-3换热设备的火用流量in out in out P PmRT T T T T Q E ln 1ln(00x x += (2-4换热设备的火用流量能级xxx Q E = (2-5 机械设备电火用:=in W

9、 E d (2-6式中E in 进入系统的火用,kW ; E ef 系统输出的火用,kW ; Q 0-系统的供冷量,kW ; T 0环境温度,K ; T 恒温冷源温度,K ;Q x 换热设备的换热量,kW ;T 0ut 、T in 换热流体的进出口温度,K ; T 换热流体的进出口温差,K ; m 换热流体流量,kg/s ;P out 、P in 换热流体的进出口处的压力,kPa ;W in 机械设备输入电功率,kW 。流量火用排风 用流量流量火用冷却水2.2 DOAS 的三种低温新风处理系统利用上述计算式,可对现阶段独立新风系统常用的两种低温新风处理系统以及水环热泵低温新风处理系统进行火用传

10、递和火用效率计算。图4为新风处理系统火用平衡框图,新风处理系统由新风处理冷源、新风机、全热交换器组成。图4 新风处理系统火用平衡框图2.2.1 以冰蓄冷为冷源的新风处理系统冷水机组提供的低温载冷剂在蓄冰槽中蓄冰,当需要处理新风时,蓄冰槽融冰,向换热器供冷,换热器将冷冻水送入新风机,冷却来自全热交换器的新风。不考虑系统的散热损失,载冷剂和水视为不可压缩流体,流体在换热设备中流动的阻力相对其工作压力较小,可视为定压流动,蓄冰过程按定温传热考虑5。新风和排风在换热设备中的流动阻力相对其工作压力较小,也视为定压流动。系统的电火用32b1f2f11d b b in W W W W W W W E +=(

11、2-7冷水机组制冷火用流量1ln(11100x1=T T T T Q E i o (2-8冷凝器中冷却水火用流量1ln(120k k =ww w T T T T Q E (2-9式中T W1、T W2、T W 冷凝器冷却水进出口温度和温差,K ;冷却水传热量(12k w w wc T T m Q w = 冷水机组火用效率%100111×=kx E E W E (2-10蓄冰槽蓄冰火用流量=120x2TT Q E (2-11 蓄冰槽融冰火用流量=1/ln 3i30300x3T T T T Q E (2-12 换热器换热火用流量=1/ln 4i40400x4T TT T Q E (2-1

12、3 全热交换器中排风火用流量=1/ln p p N0xp xpT T TT Q E (2-14 排风传热量(1xp N w p h h m Q = 全热交换器中排风出口温度(2N w N p T T T T +=新风火用流量=1/ln L L 00L xL T T T T Q E (2-15 系统新风冷负荷 Q L = Q o + Q x5新风处理系统火用效率%100×=xpk in xLE E E E E (2-162.2.2 以冷水机组为冷源的新风处理系统当空调系统需要供冷时,冷水机组向新风机提供冷冻水以处理新风。不计系统散热损失,冷冻水、新风和排风在换热设备中的流动视为定压流动

13、。系统的电火用b1f2f11d W W W W W E in += (2-17冷水机组制冷火用流量、冷水机组火用效率、新风火用流量、新风处理系统火用效率分别采用(2-8、(2-10、(2-15、(2-16式。 2.2.3 水环热泵新风机当空调系统工作时,来自全热交换器的新风,直接与水环热泵新风机的蒸发器进行热交换,新风和排风在换热设备中的流动视为定压流动。系统的电火用f2f11d W W W W E in += (2-18机组制冷火用流量=1/ln L'L'w'00x1T T T T Q E (2-19 全热交换器中新风出口温度机组火用效率、新风火用流量、新风处理系统火

14、用效率分别采用(2-10、(2-15、(2-16式。W1、W f1、W f2、W b1、W b2、W b3压缩机、新风送风机、全热交换器风机、蓄冰泵、融冰泵、冷冻水泵的输入功率,kW;m w冷却水流量,kg/s;c w冷却水定压比热,kJ/kg·K;T01、T i1、T1蓄冰时,蒸发器载冷剂的进出口温度和温差,K;T2蓄冰槽中水结冰温度,按273 K计;T03、T i3、T3蓄冰槽融冰时载冷剂的进出口温度和温差,K;T04、T i4、T4换热器进出口冷冻水的温度和温差,K;1、2全热交换器全热回收效率和显热回收效率;m p排风流量,kg/s;h N、h w全热交换器排风进出口焓,kJ

15、/kg;T W、T L、T L新风机进出风温度和温差, K;T L新风处理系统新风温降,K。3 实例及分析以广州市一栋办公楼的独立新风空调系统为例,比较采用冰蓄冷设备为新风处理冷源、冷水机组为新风处理冷源和水环热泵低温新风机组三种不同的低温新风处理方式的能耗及火用效率。3.1 室外气象参数夏季空调室外计算干球温度33.5,湿球温度27.7,h w=88.5 kJ/kg。3.2室内设计参数夏季室内温度26±2,相对湿度45%±10%,h N=50 kJ/k。3.3建筑概况建筑物为一座六层的办公商用楼,建筑面积为756m2,采用独立新风系统,仅在夏季工作,运行时间为4个月,每月

16、运行30天,每天运行12小时。新风设计负荷为170 kW,新风机分层布置,每层新风送风量为1680m3/h。环境温度取夏季空调室外计算干球温度,新风首先流经全热交换器回收室内排风的能量,再进入新风机降温处理到7,不计风机温升和换热器冷量损失,全热交换器的全热回收效率为45%,显热回收效率为65%。为了便于分析,新风和室内显冷设备冷源分别独立设置,这里仅对新风处理系统进行分析比较。3.4 设备选型冰蓄冷设备和冷水机组作为新风处理设备冷源时,为获得7的新风送风温度,机组的运行工况与额定工况不一致,蒸发温度的降低,使机组制冷量减少,为满足新风负荷需要,在较低蒸发温度下工作的冷水机组,需选择额定制冷量

17、较高的型号规格。表1中冰蓄冷设备和冷水机组的额定工况是指在冷冻水出水水温为7,进水水温为12,冷却水出水水温为32,进水水温为37;水环热泵新风机蒸发温度为5,冷却水系统采用开式循环。冰蓄冷主机采用往复式冷水机组,载冷剂为体积分数为25%的乙二醇溶液。表1 设备选择及运行参数新风处理系统 主机型号额定制冷量kW/台冷却水水温出水 回水冷却水流量m3/h蓄冰水温出水 回水融冰水温出水 回水冷冻水水温出水 回水冰蓄冷 LS-250 291 37 32 42 -6 -2 3 7 5 10 冷水机组 LS-200 215 37 32 42 5 10 水环热泵 30 37 32 40 3.5 计算结果三

18、种新风处理系统按表1所示的运行参数工作,环境温度,按306.5K计,新风送风温度,按280K计。系统能耗和火用计算结果如表2、表3所示。表2能耗及能效比新风处理系统 制冷机输入功率kW载冷剂泵能耗kW冷冻水泵能耗kW全热交换器能耗kW新风机风机能耗kW总能耗kW系统能效比kW/kW冰蓄冷 64.3 1.9 1.82 0.5 1.38 69.9 2.5 冷水机组 53.2 - 1.82 0.5 1.38 56.9 3.3 水环热泵 7.7×6 - - 0.5 1.38 48.1 3.7表3火用流量和火用效率新风处理系统 机组制冷量kW机组火用 流量kW(能级冷却水火用流量kW机组火用效

19、率%蓄冰火用流量kW融冰火用流量kW换热器火用流量kW排风火用流量kW新风机火用流量kW火用效率%冰蓄冷 176 24.6(0.140.79 38.7 21.6 18.4 16.3 0.94 10.5 15.4 冷水机组 187 16.8(0.090.79 32.1 - - - 0.94 11 19.9 水环热泵 30×6 9.8(0.06 0.74 21.5 - - - 0.94 10.7 23.14 结语1从节能的角度看,确定制冷方案时,不仅要考虑系统能耗的多少,还要考虑系统用能的合理性,即火用效率的高低。上述计算结果表明,独立新风系统的三种新风处理方式中,水环热泵新风机的能效比和火用效率都是最高的,其节能效果明显。2利用冰蓄冷系统处理新风的方式,系统中冷水机组火用效率高于其它两种方式,这是由于机组蒸发器载冷剂水温低,使蒸发器火用流量能级高的缘故,但其后连接了蓄冰、融冰等换热设备,增加了能量转换和传递的中间环节,造成系统能效比和火用效率低于其它两种方式,系统节能效果差。如果当地没有“移峰填谷”的电价政策