多能源互补建筑节能设计的工程实例及节能分析

王志星，唐易达，王振宇（西南科技大学，四川　绵阳　621010）

本工程位于四川省绵阳市西南科技大学西 102 办公楼。多品位能源应用的建筑面积为 1 200 m2，分别为位于地面二楼的计算机机房(CAAD 工作站)，地下负一层的资料室。计算机机房作为教学制图等用途，室内面积约为 600 m2，冷负荷为 67.2 kW，热负荷为 33.6 kW，湿负荷为3.27 kg/h。资料室位于负一层，室内面积约为 600 m2，冷负荷较小，仅为 30.2 kW，热负荷为 26.4 kW，湿负荷为1.64 kg/h。

根据测试数据可知，本工程地下土壤初始温度值约为17.6 ℃，地下水流量约为 20 m2/h，土壤的导热系数达到 3.0 以上，说明该测试点拥有丰富的地热能资源；在空调季，太阳的月辐射强度处于 371.21～510.14 MJ/m2之间，属于太阳辐射可用地区；在采暖季，太阳月辐射强度在162.95～175.93 MJ/m2，说明可在天气状况好的情况下利用太阳能；夏季绝大多数时间空气湿度都达到 75% 左右，空气中的含湿量较大，空气中蕴含较大的潜热，说明该测试点拥有丰富的空气能资源。

1　方案设计

由于计算机机房及阅览室的除湿负荷较大，机组承担的除湿任务较高，本工程采用温湿度独立控制的技术方案，空调形式采用风机盘管+独立新风系统，其中室内风机盘管设计为干工况，用来承担室内空气的冷负荷，新风经过新风机组的冷却减湿处理，形成“干燥”的空气后送入室内，承担室内湿负荷。空调房间冷热负荷则由空气源热泵承担，热泵机组的额定制冷量为 105 kW，制热量为 121 kW。

为提高空气源热泵机组冷冻水/热水的利用效率，本工程对空气源热泵机组的冷冻水/热水进行梯级利用，空气源热泵的冷冻水/热水回水(12 ℃/35 ℃)作为室内风机盘管的供水，风机盘管的供回水温差取值为 5 ℃，也即是说，回到空气源热泵机组的冷冻水回水温度由额定工况的 12 ℃ 变为 17 ℃(热水回水温度由额定工况的 35 ℃ 变为 30 ℃)，增大空气源热泵冷冻水的供回水温差，更好地提高能源利用的㶲效率[1]。多能互补空调方案工作流程，如图1 所示。

图1　多能互补空调方案流程图

根据图1 可知，在该方案中，包括太阳能集热系统、地热系统和空气源回水梯级利用系统，其中太阳能集热系统和地热系统为溶液调温调湿机组提供冷热来源，溶液调温调湿机组实现新风除湿，新风送入空调房间承担室内湿负荷。空气源回水梯级利用系统为室内风机盘管提供冷热来源，室内风机盘管处于干工况，用于承担室内空气冷负荷。

太阳能集热系统主要由太阳能集热器、热水箱、电辅助加热器和循环水泵组成。当热水箱温度达到设计要求时，太阳能热水被输送至溶液调温调湿机组的再生单元，对再生单元的稀溶液进行加热，稀溶液升温并且溶液中的水分被蒸发。在此过程中，稀溶液再生为浓溶液。地热系统由地源热泵、地埋管和水泵等主要设备组成，机组的额定制冷量为14.8 kW，额定制热量为 17.5 kW。当地源温度低于 18 ℃时，地源热泵机组不启动，仅开启循环水泵，通过开启/关闭相应的阀门，将地源冷量输送至溶液调温调湿机组的除湿单元；当地源温度高于 18 ℃ 时，地源热泵机组开启，并通过开启/关闭相应的阀门，将地源热泵产生的冷量输送至溶液调温调湿机组的除湿单元(冬季采暖时，热泵始终处于开启状态)。溶液调温调湿机组主要由除湿单元、再生单元和溶液泵等设备组成。除湿单元喷淋溴化锂浓溶液，吸收空气中的水蒸气，降低新风含湿量，减湿处理后的新风送入室内承担室内湿负荷；再生单元用于溶液的浓缩再生，使吸湿溴化锂稀溶液再生为溴化锂浓溶液，再生后的浓溶液再次进入除湿单元吸收空气中的水蒸气，如此周期性地循环[2-3]。

2　太阳能-地热能溶液调温调湿机组研制

太阳能-地热能溶液调温调湿机组是多品位能源互补建筑节能体系中的核心，机组性能的好坏与整个体系的节能效果高度相关。通过分析发现，在除湿单元之前设置空气预处理器有利于减小溶液循环量和溶液再生所需热量，从而降低溶液调温调湿机组的运行能耗，并降低对太阳能的依赖。通过开启/关闭预处理器，使溶液调温调湿机组的能量调节更为灵活[4-5]。同时，经过研究分析，对空气预处理器的结构参数进行优化，使空气预处理器的除湿量及除湿效率极大的提高。更为重要的是，优化后的空气预处理器能够利用高温冷源(18 ℃)对新风进行冷却减湿预处理(冬季进行预热处理)，使空气预处理器直接利用地热能成为了可能，提高能量㶲效率的同时尽可能地减少地源热泵的开启时间，使整个系统更为节能[1]。

在本工程设计研究成果的基础上，委托了格瑞空调科技有限公司为本机组进行生产及部分匹配试验，尽可能地提高机组的能效比。该机组的再生单元加热量由太阳能集热系统承担，额定热源供水温度为 55 ℃，回水温度为 50 ℃；额定冷源供水温度为 18 ℃，回水温度为 21 ℃；额定送风含湿量为 7 g/kg 干空气；额定送风量为 500 m3/h。

3　监控系统设计与实施

为了便于故障诊断及运行数据检测，本工程设计研制了监控系统。监控系统包括太阳能集热系统监控、空气源热泵系统监测、地源热泵系统监控及溶液调温调湿机制监控 4个子系统。太阳能集热系统设置有温度变送器、流量变送器、太阳辐射强度仪、电表和控制器，所有监测数据通过局域网实时传送到控制室。当太阳辐射强度低于设定数值时，循环水泵停止运行；当太阳辐射强度高于设定值，循环水泵启动，对热水箱的热水进行加热。当热水箱温度低于 53℃ 且高于 42 ℃ 时，电辅助加热器启动；当热水箱水温低于42 ℃时，电辅助加热器关闭。当热水箱水温达到 53 ℃时，热水泵启动，开始向溶液调温调湿机组再生单元输配热水。空气源热泵监测系统设置有流量变送器、温度变送器和电表，实时监测空气源热泵的温度、流量和耗电量，并将监测参数通过局域网向控制室传送。

地源热泵监控系统设置有流量变送器、温度变送器、电表和控制器。当地源侧温度低于 18 ℃ 时，控制器自动开启相应的阀门，水泵启动，热泵关闭，地源冷源直接输送到溶液调温调湿机组的除湿单元和空气预处理器；当地源侧温度高于 18 ℃ 时，控制器自动启闭相应的阀门，水泵开启，热泵开启，地源热泵向溶液调温调湿机组的除湿单元和空气预处理器输送冷量(冬季时，地源热泵始终开启，向溶液调温调湿机组供应热量)。溶液调温调湿机制监控系统设置有温湿度变送器、流量变送器、电表和控制器，监测参数通过局域网向控制室传送。当热水箱热水温度处于 53～55 ℃ 之间时，空气预处理器开启；高于 55 ℃ 时，空气预处理器关闭。当热源或冷源温度不能满足要求时，自带热泵启动，同时空气预处理器开启。监控系统运行界面如图2 所示。

图2　监控系统运行界面

4　系统性能检测分析

工程完成后，委托中国建筑科学研究院对多品位能源互补建筑节能系统进行了系统性能检测，检测内容主要包含机组 COP 值和系统能效等参数。

4.1　室内参数检测

夏季室内温湿度测试结果见表1，冬季室内温湿度测试结果见表2。

表1　夏季室内温湿度测试结果

表2　冬季室内温湿度测试结果

4.2　多能互补能源系统性能测试结果分析

4.2.1地源热泵系统夏季制冷性能系数

地源热泵系统的夏季制冷能效比根据测试结果，按式(1)计算：

式中：COPS——热泵系统的制冷能效比；

QS——系统测试期间的总制冷量，kW·h；

∑Ni——系统测试期间，所有热泵机组累计消耗的电量，kW·h；

∑Nj——系统测试期间，所有水泵累计消耗的电量，kW·h。

系统测试期间的总制冷量按式(2)计算：

式中：Qs——系统测试期间的总制冷量，kW·h；

qi——系统第i时段制冷量，kW；

ΔTi——第i时段持续时间，h；

Vi——系统第i时段用户侧的平均流量，m3/h；

Δti——系统第i时段用户侧的进出口水温差，℃；

ρi——第i时段热水平均密度，kg/m3；

ci——第i时段热水平均定压比热，kJ/(kg·℃)。

ρi、ci可根据介质进出口平均温度由物性参数表查取。

对热泵系统用户侧的供水温度、回水温度、水流量以及系统耗电量进行连续测试。根据测试结果，计算得到热泵系统的性能系数，如表3 所示。

表3　地源热泵系统夏季性能系数测试结果

4.2.2除湿系统夏季性能系数

除湿系统的夏季制冷性能系数，按式(3)计算：

式中：COPSC——除湿系统的制冷能效比；

QSC——系统测试期间的总制冷量，kW·h；

∑Ni——系统测试期间，所有压缩机累计消耗的电量，kWh；

∑Nj——系统测试期间，所有水泵累计消耗的电量，kW·h。

系统测试期间的总制冷量按式(4)计算：

式中：qi——系统第 i 时段制冷量，kW；

Gma——第 i 时段送风侧空气流量，m3/s；

ha1——系统第 i 时段新风侧空气的焓值，kJ/kg干空气；

ha2——系统第 i 时段送风侧空气的焓值，kJ/kg干空气；

Va——第 i 时段送风侧空气比容，m3/kg；

Wa——第 i 时段送风侧空气含湿量，g/kg干空气。

对除湿系统中除湿机组的进送风侧空气温度、相对湿度、进送风侧风速以及系统耗电量进行连续测试。根据测试结果，计算得到除湿系统的制冷性能系数和除湿性能系数，如表4 所示。

表4　系统夏季制冷和除湿性能测试结果

4.2.3地源热泵系统冬季制热性能系数

热泵系统的冬季制热能效比根据测试结果，按式(5)计算：

式中：COPS——热泵系统的制热能效比；

QS——系统测试期间的总制热量，kW·h；

∑Ni——系统测试期间，所有热泵机组累计消耗的电量，kWh；

∑Nj——系统测试期间，所有水泵累计消耗的电量，kW·h。

系统测试期间的总制热量按式(6)计算：

式中：Qs——系统测试期间的累计制热量，kW·h；

qi——系统第 i 时段制热量，kW；

ΔTi——第 i 时段持续时间，h；

Vi——系统第 i 时段用户侧的平均流量，m3/h；

Δti——系统第 i 时段用户侧的进出口水温差，℃；

ρi——第 i 时段热水平均密度，kg/m3；

ci——第 i 时段热水平均定压比热，kJ/(kg·℃)。

ρi、ci可根据介质进出口平均温度由物性参数表查取。对热泵系统空调侧的供水温度、回水温度、水流量以及系统耗电量进行连续测试。根据测试结果，计算得到热泵系统的性能系数，详见表5。

表5　地源热泵系统冬季性能系数测试结果

4.2.4除湿系统冬季性能系数

除湿系统的冬季制热性能系数，按式(7))计算：

式中：COPSH——除湿系统的制热能效比；

QSH——系统测试期间的总制热量，kW·h；

∑Ni——系统测试期间，所有压缩机累计消耗的电量，kWh；

∑Nj——系统测试期间，所有水泵累计消耗的电量，kWh。

系统测试期间的总制热量按式(8)计算：

式中：qi——系统第i时段制热量，kW；

Gma——第 i 时段送风侧空气流量，m3/s；

ha1——系统第 i 时段新风侧空气的焓值，kJ/kg 干空气；

ha2——系统第 i 时段送风侧空气的焓值，kJ/kg 干空气；

Va——第 i 时段送风侧空气比容，m3/kg；

Wa——第 i 时段送风侧空气含湿量，g/kg干空气。

对除湿系统除湿机组的进送风侧空气温度、相对湿度、进送风侧风速以及系统耗电量进行连续测试。根据测试结果，计算得到系统的制热性能系数和加湿性能系数，如表6所示。

表6　系统冬季制热和加湿性能测试结果

4.3　多能互补能源系统年节电率

4.3.1夏季节电率

根据测试结果以及采用温频法，计算出多能互补能源系统年消耗一次能源量夏季为 11.04 t 标煤(折算)。参照 GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》，常规供冷方式的比较对象夏季选取系统能效为 2.3 的常规空调，年消耗一次能源量为 35.08 t 标煤(折算)。由此计算得出该系统每年夏季节约 35.08-11.04=24.04 t 标煤。计算表如表7 所示。

表7　夏季示范项目常规能源替代量计算表

4.3.2冬季节电率

根据测试结果以及采用度日法，计算出多能互补能源系统年消耗一次能源量冬季为 1.31 t 标煤(折算)。依据 GB/T 50801—2013，常规供暖方式的比较对象冬季选取燃气锅炉(效率取 0.8)，年消耗一次能源量为 2.35 吨标煤(折算)。由此计算得出该可再生能源示范项目每年节约 2.35-1.31=1.04 t 标煤，如表8 所示。

表8　冬季示范项目常规能源替代量计算表

4.4　多能互补能源系统年节约费用

4.4.1常规供冷方式年节约运行费用

常规供冷方式年节约运行费用按式(9)计算：

式中：Ntx——传统供冷系统累计耗电量，kW·h；

Qtx——传统供冷系统总能耗，kgce。

常规供冷方式总费用按式(10)计算：

式中：Ctx——传统供冷系统总费用，元；

Ntx——传统供冷系统累计耗电量，kW·h。

4.4.2多能互补能源系统年节约运行费用

地源热泵系统用电量根据式(11)计算：

式中：Ns——多能互补能源系统累计耗电量，kW·h；

Qs——多能互补能源系统总能耗，kgce。多能互补能源系统总费用按式(12)计算：

式中：Csx——多能互补能源系统总费用，元；

Nsx——多能互补能源系统累计耗电量，kW·h。

4.4.3多能互补能源系统节电率和节约运行费用

多能互补能源系统节电率和节约运行费用，如表9 所示。

表9　多能互补能源系统节电率和节约运行费用

5　结　语

(1) 多能互补建筑除湿系统夏季制冷能效比为 4.95，除湿能效比为 2.95，夏季综合性能系数为 7.89；除湿系统冬季制热能效比为 4.10，加湿能效比为 1.85，冬季综合性能系数为 5.95。

(2) 同常规能源系统相比，多能互补能源系统夏季节电率为 68.5%，冬季节电率为 44.2%，年节电率为 67.0%。

(3) 同常规能源系统相比，多能互补能源系统夏季节约运行费用 68.5%，冬季节约运行费用 44.2%。

参考文献：

[1] 陈维玲,胥海伦,刘东,等.高温冷冻水空调除湿的节能分析[J].建筑技术,2015(11)：1013-1015.

[2] 马宏权,龙惟定. 高湿地区温湿度独立控制系统应用分析[J]. 暖通空调,2009(02)：64-69.

[3] 刘晓华,谢晓云,刘拴强,等. 温湿度独立控制空调系统及其性能分析[J].中国建设信息供热制冷,2008(07)：22-26.

[4] 唐易达,何波,唐中华,等. 溶液除湿空调在高温高湿地区的应用研究[J].暖通空调,2010(05)：129-132.

[5] 唐易达,何波,贾彬,等. 复合型太阳能溶液除湿空调的性能模拟[J].暖通空调,2010(09)：118-121.