Aheatpumpsystemwithalatentheatstorageutilizingseawaterinstalledinanaquarium

1、安装于水族馆利用海水的潜热蓄热的热泵系统Satoru Okamoto *Tel.: +81 852 32 6478; fax: +81 852 32 6489. E-mail address: okamotocis.shimane-u.ac.jp.Department of Mathematics and Computer Science, Shimane University, 1060 Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Japan摘要：此文介绍了一种安装于水族馆利用海水的潜热蓄热的热泵系统。该热泵系统以海水作为热源并从中吸取热量，以使室内维持恒

2、定的温度和相应的湿度。对于此使用未被利用的低温热源的热泵系统，需引进开发一种反馈热源负荷变化的热泵系统并结合负载波动反馈于热泵，以使海水潜热（冰水混合物）蓄热系统利用夜间电力蓄冷，使系统负载均衡。期望的结果是产生相同的热量海水源热泵系统将比空气源热泵和燃油系统消耗更少的能量。此外，由于海水源热泵系统CO2释放较少，因此与已有的假定的传统的系统相比海水源热泵系统对减少二氧化碳排放更有利。关键词：热泵、潜热蓄存、闲置能源、成本、CO2释放1 前言为了减少二氧化碳的排放量预防全球变暖应有效的利用能量，例如大力促进各类废热和可再生能源的有效利用。因而要求热泵系统消耗较少的能量而提供更多的热量1-4。因

3、此，热泵系统被称作是一种能有效利用能量并且能利用空调系统的负荷均衡化使闲置的能量转化为高品位能的机械系统5-9。此文介绍了一种安装于水族馆利用海水的潜热蓄热的热泵系统。该热泵系统以海水作为热源并从中吸取热量，以使室内维持恒定的温度和相应的湿度。对于此使用未被利用的低温热源的热泵系统，需引进开发一种反馈热源负荷变化的热泵系统并结合负载波动反馈于热泵，以使海水潜热（冰水混合物）蓄热系统利用夜间电力蓄冷，使系统负载均衡。下面将对上述热泵潜热蓄冷系统的实验性能系数（COP）做详细地分析。本研究的目的在于通过预测评估比较冰蓄冷海水源热泵系统和两个假定的传统系统，即，一个无冰蓄冷的空气源热泵和一个燃油的吸

4、收式制冷系统，的实际运行特征和效率。期望的结果是产生相同的热量海水源热泵系统将比空气源热泵和燃油系统消耗更少的能量。此外，由于海水源热泵系统CO2释放较少，因此与已有的假定的传统的系统相比海水源热泵系统对减少二氧化碳排放更有利。2 系统描述图 21岛根水族馆视图（AQUAS）岛根水族馆（AQUAS）濒临日本海（日本的岛根县），如图2-1所示为水族馆图 22水族馆热泵系统图：（a）夏季模式：制冰储能；（b）夏季模式：释放储存的冷量；（c）冬季模式视图。建筑共两层（包括地下室）总占地面积达10 293m2，其大多数鱼缸容积为3000m3。水族馆主要的冷负荷包括建筑空调系统负荷，冷却鱼缸的通风气流的

5、负荷以及冷却和加热鱼缸中水的负荷。本系统由一个结合了两个海水源热泵WSHP001 和 002（CW：650千瓦，HW：732千瓦）的系统和一个热回收型空气源热泵AWSHP003（CW：510千瓦，HW：697千瓦）的系统组成。海水源热泵通过循环水和热交换器将热量传递给海水以及从海水中取出热量。空气源热泵则利用室外空气实现热量的吸收和释放。由于空气源热泵除投资较低且安装方便因此较为常见，但实际上海水源热泵能量利用率更高。在这个测试系统中热泵同时与室外空气和大海换热。它兼具了空气源热泵的初投资优势和海水源热泵的性能优势。该系统利用非高峰期电力提供冷却水，从海水中收集的并储存于蓄冰槽的热量（ts：4

6、500KWh×2）是其主要的热量来源。热泵在夜间将制得的热量储存在蓄冰槽中。如图2-2（a-c）所示为该系统的系统图。总的来说，海水源热泵效率的提高主要包括以下两方面：第一，由于水是比空气更好的传热流体，因此有更高效的传热；第二，海水源热泵在冬季运行时海水温度高于空气温度而在夏季运行时海水温度低于空气温度，这使得热泵的运转更高效。为了提高热舒适水平海水源热泵系统通常在冬季提供温度较高的热空气，而在夏季提供温度较低的空气。在夏季蓄冰技术有效地减少了制冷设备的运行成本。制冷设备在非高峰期运行制冰储能，当高峰期时将储存的能量释放出来，它的重要意义在于将高峰期对电力和能量的需求转移到非高峰期

7、。由于其在均衡能源消费机构上有较好的实用性因此可节约运营成本。通过浮动利率反映出在相对较短的高峰期内供能成本较高，因此，这启发我们尽量较少或避免制冷设备在高峰时段蓄冷。高峰期和非高峰期能耗与消费高峰率的最大差异在于都能使蓄冷系统在经济上可行。在水族馆进行了两年的测试运行。通过对系统瞬时功率、瞬时制冷剂流量和瞬时温度的比较，将表现单个系统的整体性能特征的参数整合于COP。此热泵系统有两种运行模式：第一是夏季典型的冰水混合液冷却模式（图2-2（a和b）。在这种模式下，利用热泵潜热储存系统制冰。第二种是冬季模式（图2-2（c）。在此模式下，利用热泵热交换系统从海水和周围空气中收集热量以加热循环水。热

8、泵系统评估测试的影响参数为节能成本和二氧化碳的减少量。3 结果与讨论3.1 建筑全年负荷图 32建筑每日负荷图3-1显示了全年外界空气温度、湿度和海水温度的变化情况。由图可知，在八月空气达到最高温度35.9，其平均温度为28.3。八月份昼夜相对湿度约图 31海水温度，空气温度和湿度在95%-70%波动。图3-2展示了2001年3月26日到2002年3月9日期间鱼缸上部空间空调系统制冷、鱼缸冷却和加热水以及建筑空调系统的负荷变化情况。由图：在夏季建筑空调系统负荷超过了预期负荷而冬季则约为预期的70%；自01年5月以来鱼缸冷却水和空调制冷负荷较为稳定；鱼缸冷却水负荷只在夏季才有且其热水负荷也仅在冬

9、季出现。图 34冬季建筑时负荷在水族馆最主要的冷负荷包括：冷却鱼缸冷水的负荷和冷却建筑通风空气的负荷。图3-3所示为水族馆在2001年8月13日到8月19日间的典型的夏季时期的典型的建筑冷负荷。由图：每天的空调冷负荷几乎保持不变；由于中午室外较热，此时冷却建筑通风空气的负荷和鱼缸中冷却水的负荷最大；随着室外空气温图 33夏季建筑时负荷度升高再结合太阳辐射、照明和大量人体散热使得白天冷负荷增加。空调系统冷负荷和冷却水负荷之间的关系对于水族馆安装何种类型的热泵系统是很重要的，因为水族馆热泵系统的冷却水的热量来源于海水和空气。岛根县冬季较倾向于暖和。比如：图3-4所示为操作员在2002年2月4日至2

10、月10日间记录的水族馆的典型的冬季时期的典型的供热和空调负荷数据。在这一时期热泵系统供热量最大达到最大供热通风面积。由于增加了室内热量（热回收），因此减少使用室外空气可降低能耗。当系统使用最小新风量时，其主要负荷为空调负荷（除启动运行时建筑温升段外）。而由图可知冬季日平均负荷中鱼缸热水负荷最大（热回收）。3.2 能源使用图3-5所示为2001年3月26日至2001年2月25日期间三个热泵日耗电量的比较。通过电表可看出在最初的两个月AWSHP003的耗电量约占建筑用电的22%；在这几个月里AWSHP003平均用电为4000KWh/d；这既包括了供热模式有包括了在4月转换后的供冷模式；由图可知AW

11、SHP003全年电耗仍然相对稳定；AWSHP003为全天候运行，在夏季冷却和空调负荷占总负荷的50%，而在冬季供热负荷约占60%。WSHP001和002在夏季的能耗相对冬季较多。总的来说，在2001年4月15日至11月21日期间WSHP001和002图 35 三热泵日电耗的耗能约为AWSH003的80%。在8月13日至8月19日期间由于空调负荷较大WSHP001和002的电耗均达到峰值。在夏季WSHP001和002均只提供建筑空调冷量和鱼缸的冷水负荷。由于在冬季供热期间除AWSHP003维护期外皆停用WSHP001和002，且根据大量冬季资料，可预测在冬季WSHP001和002的能耗接近于零。

12、图 37夏季WSHP001和002小时输能图图 36 夏季建筑小时能耗图3-6所示为WSHP001和002典型的夏季功能情况。其显示了自2001年8月13日至8月19日期间每周定期读书的结果。WSHP001和002在早上开启对建筑供冷后即全负荷运行，而在下午1：004：00期间停机，改用储冰供冷，并根据下午4：00的负荷重新开启运行WSHP001和002。由于储冰槽晚上制冰储能，因此夏季机组产生的冷量高于所需的冷量。机组运行时储冰系统获得冷却热而加热回路中的冷冻水，被加热后的冷冻水又回到储冰槽中冷却蓄存。冰水混合物的温升可视为建筑的热源也即为冰水混合物蓄存的热量（潜热）（图3-7所示）。热泵在

13、晚上利用海水制备冷却水并储存在储冰槽中直到第二天下午出现最大负荷时使用冰水混合液供冷。由此储冰系统可利用的冷量须与所需的能量相匹配。制冷设备在非高峰期运行制冰储能，当高峰期时将储存的能量释放出来，它的重要意义在于将高峰期对电力和能量的需求转移到非高峰期（图3-8）。同时它也提供了一种可能的使补偿和制备冷量的成本达到最低的方式，即利用非高峰期电力。图 38 转换高峰负荷3.3 能量效率图 39 WSHP001的COP夏季模式最高效，原因如以下两点：由于建筑空调系统和鱼缸冷却水系统负荷出现在相同的时间，使得馆主充分受益；同时储冰槽中的冷水始终保持着冷凝温度，进而减少了热泵负荷。当在冬季运行时，AW

14、SHP003从室外空气吸收热量并向空调系统供热，然而，此阶段仍需补充冷水。从监测器可知夏季COP相对较高，平均为3.4。当按全年60%的时间在夏季模式下储冰运行时，WSHP001的单位耗能（电力）的输出COP为2.6（图3-9），WSHP002则为3.0，这不仅充分利用了资源且其效果较为显著。图 31 WSHP001和002CO2排放减少量图 310 WSHP001和002减少的能耗在冬季，机组主要按冬季模式运行时，其COP较低。即使按全年运行来算AWSHP003的COP也远低于WSHP001和002。通过日常检测的结果可知，机组在大多数时间处于部分负荷运行状态且其允许保持较低的COP；AWS

15、HP003的COP降低的另一个原因在于即使热负荷接近于零，机组仍处于热回收模式下运行。带储冰系统的热泵与安装于水族馆的其他两个能提供冷热负荷的系统（假定系统）无储冰系统的空气源热泵和燃油吸收式制冷系统的性能比较：根据系统特征假定数值计算此两替代系统的能耗；对于吸收式制冷系统按假定值计算其供冷时的COP为1.0，而供热时为0.9；WSHP001和002能耗比燃油吸收式制冷系统低19%（图3-10）。石油CO2排放量约为84g-C/Mcal，电驱动系统白天排放量为103g-C/KWh，而在晚上为83g-C/KWh，此系统CO2年排放量为86吨。由假定数值算出无储冰的空气源热泵CO2年排放量为102

16、吨，燃油吸收式制冷系统为176吨。因此，从CO2排放量来看与此两能提供冷热负荷的替代系统相比储冰热泵系统更有利，且电能驱动的储冰热泵系统CO2排放量仅为燃油供热和制冷系统的一半（图3-11）。3.4 节省费用日本电费较高，特别是在白天用电高峰期。因此，电费构成包括高峰期电费、部分高峰期电费和非高峰期电费。在夏季中午12：00到下午6：00为用电高峰期，在此期间水族馆用电需求和电费均最高。在此工作日早上8：30到晚上9：30（早上8：30中午12：00，下午6：00晚上9：30）为部分峰值期。在此期间系统用电需求和电费均居中。在其剩下的11小时即晚上9：30至早上8：30和节假日均为非高峰期。测

17、试前，水族馆在非高峰期的电力需求预估得较少。由于在非高峰期电费最小，因此为转移耗电时间节约成本提供了可能。日本电力成本较高，因此大多数热泵和热回收热泵项目均安装在电力成本较低的地区。此例综合考虑了相关因素为热泵安装提供了较为经济的解决方案。首先，热泵所需的热量相对较少，主要包括预热建筑、加热通风空气和室内热水加热。其次，水族馆几乎全年均有冷负荷。中央处理系统的工作人员可通过调节空气处理器的空气混合设置参数来控制水族馆的供冷和供热负荷，此过程可通过中央机组的能源控制系统实现。较高温度的混合空气使得建筑的供热需求减少，而冷负荷增加（热回收）。只要满足最低通风要求，工作人员即可在引入室外新风量与室内

18、排风量间任意调节。当有足够的回热以满足水族馆对热量的需求时，此时室外空气用于供冷。当一天中既需供冷又需供热时，热泵能耗呈递增趋势且高于冷却器（考虑到无热泵所需的冷凝泵或者冷却塔时）。第三，最重要的因素是系统负荷均有夜间和早晨的非高峰期负荷承担。而冬季非高峰期电力相比夏季高峰期电力是非常便宜的。如上所述，根据2001年非高峰期电耗可算出水族馆总电费为16317000日元。在高峰期，用电量与需求皆较大。图 32 WSHP001和002实际的成本减少量如图3-12所示，展示了各系统测量及模拟的能源利用和成本花费的分析。由图可知，无储冰的空气源热泵系统电费约为27999000日元；燃油吸收式制冷系统总

19、成本为17038000日元，其中电力成本为4258000日元，石油成本为6147000日元以及6634000日元的水成本；由于转移了白天的电耗，储冰的热泵系统的电力成本减少。此图可能低估了其节能效果，因为它只是大体上分析了各因素的影响，但它却清晰地描述了其节能的本质即制冷设备在非高峰期制冰储能而在高峰期将蓄存的能量释放出来。因为大量的成本转移到非高峰期，所以每千瓦时的电耗成本比传统无储冰的空气源热泵系统的成本低42%。由此，有经验的工作人员皆致力于改善设备，以期提高设备将能耗转移至非高峰期的能力。4 结论安装于日本岛根县的新建的水族馆的海水源热泵系统能同时供热和供冷。WSHP001在制冷工况下

20、的COP为3.4而在储冰工况下COP为2.8。通过制冷设备在非高峰期制冰储能并在高峰期释放蓄存的能量，使得高峰期的大量的电力需求和能耗转移到了非高峰期。以下为对此案例中的海水源热泵和其他两个假定的能提供冷热量的系统即传统的空气源热泵和传统的燃油制冷系统的比较：海水源热泵供冷和供热的能耗比燃油吸收式制冷系统低19%，并且其CO2排放量仅为燃油系统的一半；海水源热泵系统的实际运行费用比传统空气源热泵低42%。5 鸣谢储冰海水源热泵系统是以前由Chugoku电力有限公司提出的特别的设计理念。在这里，感谢Nikken Sekkei有限公司的M.Koyama和T.Kuriyama先生对我当前工作的指导；

21、同时感谢岛根水族馆（AQUAS）工作人员对此项目的大力支持。此工作得到了Chugoku电力有限公的赞助支持特此感谢。参考文献1 J.R. Brodrick, D. Westphalen, Uncovering auxiliary energy use, ASHRAEJournal 43 (2) (2001) 5861.2 S.P. Kavanaugh, L. Xie, Energy use of ventilation air conditioning options for ground-source heat pump system, ASHRAE Transactions:Symposi

22、a (2000) 543550, MN-00-5-2.3 O. Ozgener, A. Hepbasli, Experimental performance analysis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system, Energy and Buildings 37 (2005) 101110.4 P.E. Phetteplace,W. Sullivan, Performance of a hybrid ground-coupled heat pump system, ASHRAE Transactions: Symposia 104 (1) (1998) 763770.5 J.O