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    空氣源熱泵機組的最佳平衡點

    作者: 小編 編輯: 心日源 來源: 發布日期: 2022.08.29 點贊:1
    信息摘要:
    當空氣源熱泵運行時,其性能受氣候影響非常大。隨著室外溫度的降低,機主的供熱量逐漸減少。同時,當室外溫度較低而相對濕度又過大,室外換熱器會發生…

    當空氣源熱泵供熱運行時,隨著室外溫度的降低,建筑物的熱負荷逐漸增大,與機組的供熱性恰好相反。

    在設計中,若按照冬季空調室外計算溫度選擇熱泵機組時,勢必導致熱泵機組過多或者過大,使系統初投資過高,同時,在運行中,熱泵機組又無法在滿負荷中運行,導致熱泵的能效比下降。使系統運行費用提高。

    微信圖片_20220830142502

    為避免這樣的問題,在設計時,通常選擇一個優化的室外溫度,并按照此溫度選擇熱泵機組,如上圖所示,圖中機組所提供的實際供熱量曲線QF = F3(T) 與建筑物熱負荷曲線 Q1 = f 1 (T)的交點O稱為空氣源熱泵的平衡點。此時,機組所提供的熱量與建筑物所需熱負荷恰好相等,該點所對應的室外溫度稱為平衡點溫度。


    此時,機組所提供的熱量與建筑物所需熱負荷恰好相等,該點所對應的室外溫度稱為平衡點溫度。


    設計中,應在平衡點溫度工況下,選擇熱泵機組的大小。由圖可見,當室外溫度高于平衡點溫度時,熱泵機組供熱有余,需要對機組進行容量調節,使機組所提供的熱量盡可能接近建筑物的熱負荷,有利于節能。當室外溫度低于平衡點時,熱泵供熱量又不足,不足部分則由輔助熱源提供。


    輔助熱源可以是電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐等。


    平衡點選擇過低,則選擇的輔助熱源較小,這樣熱泵機組相對要大,會導致系統投資大幅度提高。且安裝費、電力增容費,和運行費用較高;而且機組長期在部分負荷下運行,使用效率不高,既不經濟,也不節能。平衡點選擇過高,則所需輔助熱源過大。不能充分的發揮熱泵的節能效益。亦不利于節能。因此,合理確定平衡點對于選擇熱泵機組容量的大小,其運行的經濟效益、節能效果都有很大的影響。


    而平衡點不但與熱泵機組本身的機械特性、熱工特性有關。而且也與建筑物的維護結構特性、符合特性有關。


    同時,還與當地的氣候條件等有關系。因此,在實際設計中,合理選擇機組的平衡點是及其困難的事情,由于空氣源熱泵機組在供熱時有上述特點,因此,評價空氣源熱泵用于某一地區在整個采暖季節運行的熱力經濟性時,常采用供熱季節性能系數(HSPF)作為評價指標。


    空氣源熱泵機組供熱最佳平衡點的確定


    根據分析我們得知,選擇不同的平衡點溫度,就會有不同的輔助加熱量和不同的熱泵容量??諝庠礋岜闷胶恻c溫度的選擇完全是一個技術經濟比較問題。

    早在20世界80年代,原哈爾濱建筑工程學院徐邦裕教授就對空氣/空氣熱泵在我國應用的平衡點溫度展開了理論與實踐研究。

    根據氣候條件,將我國劃分為7個不同供熱季節性能系數的采暖區域,并首次給出了7個區域的不同平衡點溫度。但應該注意,當時空氣/空氣熱泵的性能不如現在的設備,使其供熱季節性能系數偏小。

    20世紀90年代末,我國對應用的供熱最佳平衡點作了研究與分析,現在將平衡點溫度的確定原則與方法介紹如下:


    (1)最佳能量平衡點


    通常情況下,為了熱泵系統控制簡便,空氣源熱泵系統的輔助熱源通常選用電鍋爐。在此情況下,所謂最佳能量平衡點,即在該平衡點溫度下所選取的空氣源熱泵機組的供熱季節性能系數最大。供熱季節性能系數的定義如下:


    HSPF = 供熱季節的總供熱量/供熱季的總耗功量

               = 供暖房間總熱負荷/(熱泵總耗功量+輔助加熱總耗能+曲軸箱加熱總耗能)

    供暖系統的功耗除式所列三項外,還有自控部分的功耗,如今的空氣源熱泵機組大部分為微電腦控制,自控部分耗能較少,也不連續。因此本節對此項未做考慮。于是:

    742

    2




    式中 SQa-------整個供暖季節的輔助加熱耗電量(kW· h);

    SQe一一整個供暖季節加熱總耗電(kW· h); 

    SW一一整個供暖季節的總耗功量(kW· h); 

    SQ,一一供暖房間季節熱負荷(kW· h);

    Qa (Ti)一-第1個溫度區間的輔助加熱量(kW);

    W(Ti)一-第j個溫度區間空氣源熱泵消耗的功(kW);

    Q1 (Ti)一-第1個溫度區間的房間熱負荷(kW);

    j ------ 第j 個溫度區間,j = 1,2,3,...m

    nj ----- 第 j 個溫度區間的小時數;

    m ----- 以 1°c為區間,劃分供暖季溫度區間數。


    由以上分析可以看出,針對某一地區,當BIN參數,房間圍護結構特性,室內設計參數、室外空調設計溫度、結霜除霜損失系數、熱泵機組的特性等確定后,空氣源熱泵機組的耗功量、輔助加熱量、曲軸箱加熱量等只與平衡點有關。因此我們可以說,供熱季節性能系數是平衡點的函數,記作:

    HSPF = f (TB

    對于上式求最大值,HSPF取最大值時所對應的Tb,即為最佳能量平衡點。

    (2)最小能耗平衡點

    如果空氣源熱泵機組的輔助熱源為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐或者燃油鍋爐,上面所定義的最佳能量平衡點就不太合適了。

    為此,我們從一次能源利用角度來考慮,看整個系統如何運行,才能達到最高一次能源利用率。為此,我們提出了最小能耗平衡點,即尋求在整個運行季節的一次能源利用率最高的溫度,作為熱泵機組和輔助熱源的開停轉換點。因此,我們可以提出新的模式,室外溫度高于該溫度,運行熱泵機組,低于該溫度,關閉熱泵機組,輔助熱源(電鍋爐除外)全部投入運行。最小能耗平衡點溫度可用下列條件來約束,即能夠使熱泵運行時間內的供熱能源利用系數和輔助鍋爐中最高的能源利用系數(效率)相等:


    E熱泵 = E 鍋爐

    其中:  

    E熱泵 = COP yj  *  η  1  *   η 2

    COP yj =  ΣQ(T j) *  N 

                    Σw(T)* Nj

    E熱泵 一一熱泵的一次能源利用系數;

    E鍋爐 一一鍋爐的一次能源利用系數;

    COP yj 一一熱泵運行時所對應的季節性能系數;

    η 1一一火力發電廠效率;

    η 2一一輸配電效率。


    這樣,就可以保證了熱泵在較高的效率下運行,使整個供熱季節獲得較高的一次能源利用率,從而減少了一次能源的消耗。



    (3)最佳經濟平衡點

    最佳能量平衡點和最小能耗平衡點是從能量的角度分析的。

    通過前面的分析可以看出,熱泵空調系統平衡點的選取直接影響著系統的初投資費用和運行費用。良好的平衡點不但意味著整個系統可以減少初投資,降低運行費用,而且可以使整個系統保持良好的運行狀態,提供更為舒適的空間環境。另一方面,在市場經濟的今天,許多業主所關心的并不是是否節能,而是能否省錢,即讓初投資和運行費用較低。為此,這里又提出最佳經濟平衡點的概念,即如果按此平衡點來選擇機組和輔助熱源,能夠使整個供熱系統(熱泵+輔助熱源)的初投資和運行費用最少。

    研究表明:

    影響最佳經濟平衡點的因素是很多的,如氣候性、負荷特性、能源價格結構、主機設備價格等。

    其中,氣候熱性、能源價格是影響最佳經濟平衡點的重要因素,在確定最佳經濟平衡點時應給與足夠的重視。





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