(特)0806023低环境温度空气源热泵(冷水)机组产品标准的名义工况研究.doc

低环境温度空气源热泵（冷水）机组产品标准的名义工况研究韩林俊1, 王嘉1, 石文星1, 谢峤2, 张乐平2 （1清华大学建筑学院, 2同方人工环境有限公司）摘要：作为寒冷地区空调系统冷、热源设备的低环境温度空气源热泵（冷水）机组近年来得到快速发展，迫切需要建立其产品标准，其中名义工况的确定是其首要问题。本文认为，为保持标准的延续性，其名义制冷工况应与GB/T18430保持一致；在此基础上本文提出其制热运行时空气侧和用户侧的名义工况确定方法，并通过对气象参数的统计分析与传热计算分析给出了具体的建议方案，为商用和户用低环境温度空气源热泵（冷水）机组的标准制定提供参考。关键词：低环境温度空气源热泵；标准；名义制热工况；采暖Research on Nominal Conditions for Standard of Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (Water Chilling) PackagesHAN Linjun1, WANG Jia1, SHI Wenxing1, XIE Qiao2, ZHANG Leping2(1School of Architecture, Tsinghua University, 2Tongfang Artificial Environment CO. LTD)Abstract: Low environment temperature air source heat pump (water chilling) packages have been rapidly developed as cooling and heating sources of air-conditioning system for cold region recent years. The product standard is needed urgently, in which the defining problem of nominal conditions lies first. To maintain the continuity of standards, this paper suggests nominal cooling conditions of new standard be kept as GB/T18430, based on which, defining method of nominal heating conditions for both air-side and user-side is raised. Concrete proposal projects are given after the statistic of meteorological parameters and the calculation of heat transfer, which provide reference idea for the standards of industrial and commercial low temperature heat pumps. Keywords: Low Environment Temperature Air Source Heat Pump (LET-ASHP); Standard; Nominal Heating Condition; Heating1. 前言利用空气源热泵供热是一类高效清洁的采暖方式，其突出优点在于获取热源的便利性与清洁性，并具有较大的节能潜力。近年来，适合我国北方寒冷地区的低环境温度空气源热泵技术得到迅速发展，其产品即低环境温度空气源热泵（冷水）机组（简称：低温热泵）逐渐成为这些地区重要的空调冷热源设备。由于低温热泵冬季采暖时的室外空气温度最低可达-20，但现有相关标准仅适用于环境温度不低于-7的情况，故需填补标准空白，从而为企业的产品开发、性能检测提供统一的测试条件与能效目标，促进行业健康规范发展，缩小与国际先进水平的差距，由此可见，商用、户用及类似用途低温热泵国家标准的起草和制定刻不容缓。本文将围绕低温热泵名义工况的确定问题展开讨论，重点探讨其名义制热工况的确定方法，并给出其名义制冷与名义制热工况建议方案。2. 名义制冷工况的确定低温热泵不仅需要实现冬季采暖，还需同时承担夏季的制冷功能。为保持相关标准的一致性和延续性，低温热泵名义制冷工况应与现行标准GB/T18430蒸气压缩循环冷水（热泵）机组（报批稿）一致，即用户侧的水流量为0.172 m3/(h·kW)，机组出水温度为7；空气侧的干球温度为351。3. 名义制热工况的确定低温热泵标准的名义制热工况既需体现低温热泵在低环境温度下制热运行的显著特点，也需体现采暖设计的环境条件，这正是该标准区别于普通空气源热泵标准的主要内容，也是其制定过程中的难点之一。由于定水量空调系统是目前的主要形式，参照文献1，制热运行时，用户侧水流量应与制冷工况相同，即0.172 m3/(h·kW)，但尚需在此基础上研究其名义制热工况的空气侧温、湿度条件和热水温度。为保证室内供暖的安全性，该“热水温度”以低温热泵的回水温度为宜（当忽略热水管路的热量损失时即为室内末端的出水温度）。确定名义制热工况的基本思路是：通过对我国寒冷地区典型城市供暖季节的室外干球温度分布以及对应的湿球温度分布的统计分析，在供暖时间不保证率为3%的条件下，确定低温热泵名义制热工况的空气侧干、湿球温度；通过对典型房间分别采用风机盘管供暖和地板辐射供暖时保证室内供暖安全性和舒适性的空调末端最低出水温度的研究，以确定低温热泵名义制热工况的回水温度。3.1 空气侧的名义工况空气侧的名义工况包括干球温度和湿球温度。根据我国建筑热工分区2，选取位于我国寒冷地区的北京、天津、西安、郑州、济南、兰州、石家庄和太原8个主要城市为对象，研究其在不同供暖时间不保证率条件下的室外设计干球温度分布，从中选取相对合理的温度值作为低温热泵名义制热工况的空气侧干球温度，并根据其对应的湿球温度分布规律，确定空气侧的湿球温度。（1） 干球温度（a）基于DeST的气象数据库为确保统计结果的可靠性，选用不同气象数据库（建筑环境及空调系统模拟软件DeST的典型年气象数据3,4和能耗分析软件EnergyPlus网站公布的典型年气象数据5）分别进行分析。其中，EnergyPlus软件中的数据库CSWD（Chinese Standard Weather Data）来源为建筑热环境分析专用气象数据库6，数据库CTYW（Chinese Typical Year Weather）来源为中国建筑用标准气象数据库7。图1是所选城市不同供暖时间不保证率条件下的室外设计干球温度统计图。（b）基于EnergyPlus的CSWD气象数据 （c）基于EnergyPlus的CTYW气象数据库 图1 各城市基于不同气象数据库的室外干球温度与供暖时间不保证率的关系图由图1可知，所选三个数据库的统计结果具有良好的一致性，综合考虑低温热泵在大部分寒冷地区使用的经济性以及采暖的安全性，最终以供暖时间不保证率为3%条件下的室外温度为基准确定低温热泵的名义制热工况，即室外干球温度为-12，该温度可满足寒冷地区各主要城市的安全采暖要求。值得注意的是，在不保证率的范围内不是低温热泵不能运行，而是此时的室内温度不能满足设计室温要求。（2）湿球温度湿球温度与干球温度具有强相关性，但并不遵循特定的分布规律，故拟采用统计平均的方法确定热泵名义工况的湿球温度，即提取寒冷地区主要城市干球温度在-12附近（-11-13）的数据点所对应的湿球温度进行统计平均，其统计结果如图2所示（其中EnergyPlus的CTYW数据库的数据不全，未参与统计）。从图中可以看出，室外空气平均温度约为-12时，各城市的平均湿球温度约为-13.1-13.6。（a）基于DeST气象数据 （b）基于EnergyPlus的CSWD气象数据 图2 各城市基于不同数据库气象数据的室外干、湿球温度统计结果确定名义工况湿球温度不仅需要依照寒冷地区的客观气象数据，还需考虑产品测试条件的可实现性问题。研究发现，在标准大气压，干球温度为-12时，湿球温度变化1.5，其相对湿度的变化率达到50%以上，露点温度变化达10以上。低温热泵的试验结果表明，如果测试工况的湿球温度取值过高，则换热器上将迅速结霜，系统将难以稳定运行。经过大量的试验证实：取名义工况的湿球温度为-13.5既可以保证机组在标定过程中较长时间处于稳定运行，同时也符合气象数据的统计结果。根据上述分析，确定低温热泵空气侧的名义工况为干球温度/湿球温度：-12/-13.5。3.2 水侧的名义工况对于民用或公共建筑，利用低温热泵作热源进行采暖的主要方式为地板辐射采暖和空调送风采暖。采暖水温的选取必须考虑供暖的安全性与舒适性，取值不能过低，同时还需考虑低温热泵运行的节能性，取值也不宜过高。与名义制冷工况不同，为更有效地保证用户在冬季采暖的安全、可靠，笔者认为以热泵机组的回水温度（当忽略沿程热量损失时，即用户侧换热设备的出水温度）作为低温热泵名义制热工况条件更为合理。以下将分别研究北京地区典型房间采用风机盘管供暖和地板辐射供暖时满足用户供热舒适性的室内换热末端的出水温度，在此基础上确定低温热泵名义制热工况的回水温度。（1）典型建筑介绍一般而言，一栋建筑内的北向房间的夏季设计负荷比南向房间小，但二者的冬季设计负荷却基本相近。由于夏季冷负荷较冬季热负荷大，而空调末端的选型一般依据夏季冷负荷选取，故北向房间的空调末端面积相对较小，因此以北向房间来分析冬季采暖性能，能够更好地保证其供暖的安全性。下面以一栋位于北京的多层公共建筑的中间层北向办公室作为典型房间来分析采暖舒适性对热水温度的要求。设房间的南北长为5m，东西宽4 m，层高3.3m；北侧为外墙，其余各面均为内墙或内楼板。根据文献8,9确定相关热工指标，取北墙传热系数0.8W/(m2·K)，窗体传热系数2.5W/(m2·K)，窗墙比50；室内人员2人，计算机2台，照明功率密度11W/m2，新风量30m3/(人·h)。一般而言，采用风机盘管供冷、供热的建筑较多，但目前以地板辐射采暖的系统呈逐渐增多之势，故冬季采暖末端需分别考虑风机盘管和辐射地板两类形式，其后者的常规图3 辐射采暖地板的一般结构12结构如图3所示。本文计算分析所采用的辐射地板的结构和热工数据如下：表面层厚度=10mm，导热系数=0.14 W/(m·K)；找平层采用20mm水泥砂浆，=0.93 W/(m·K)；填充层采用30mm豆石混凝土，=1.28W/(m·K)；铺设水管的管间距100300mm（取平均值200mm进行计算）；埋管选用PP-R管，=0.21W/(m·K)，管径20mm，壁厚2.3mm。考虑到供暖的独立性，假设楼板下部绝热，即地板不向下层房间传热。表1 典型房间冬夏季典型日参数室外气象参数9室内设计参数9房间负荷W新风负荷注1W总负荷 W夏季9404201360冬季送风采暖320640960地板采暖注2注3250600850注1：房间不设专门的新风管，新风由门窗渗透入室内，换气次数1次/h与有组织新风的新风量相近。注2：为了与送风采暖进行对比，此处的地板采暖室外设计温度设定与空调采暖相同。注3：地板辐射供暖的辐射温度较高，且下热上冷，减少了房间上部的热损耗，故在相同舒适性条件下，计算房间热负荷时，室内设计温度应按降低2计算10。表1给出了上述典型房间在冬、夏两季典型设计日的室内、外设计条件和设计负荷，为后续分析提供依据，由于在满足相同舒适性条件下的地板辐射所需室温较低，故比风机盘管送风采暖的热负荷小。（2）送风采暖方式的回水温度取值分析对于冬、夏共用风机盘管的空调系统，设计时一般先按照夏季室内负荷确定风机盘管型号，而后校验冬季供热工况的舒适性和安全性，具体计算过程如下：1） 依据夏季设计工况确定风机盘管在表1给定的典型房间夏季典型日设计参数条件下，根据空调设计规范，可计算出冷水流速、送风量、析湿系数和所需风机盘管换热器的传热系数和传热面积等参数。计算选定采用SLX-B型换热器，其传热系数为40.0W/(m2·K)、换热面积为3.0m2。2）校核冬季供暖的舒适性图4 盘管进、出水温和室温随送风温度的变化曲线冬季制热工况的水流量和盘管换热面积保持不变，迎面风速和水侧流速也与夏季相同，根据制热工况SLX-B型换热器的换热系数公式计算其传热系数为28.7 W/(m2·K)。研究表明，为满足人体舒适性，冬季供热送风温度需高于33，同时不宜超过4211。在室外参数、房间特性、风机盘管参数和风机盘管空气侧参数已知的条件下，可根据风机盘管的换热方程和室热平衡方程联立求解热水的进、出口温度和室温，如图4所示。由图可知，在3342的送风范围内，室温均高于20，说明在设计工况下该风机盘管供暖的安全性和舒适性均有较好的保证。在实际采暖过程中，室内发热量对采暖热负荷的消减有所贡献；另外采用较低（但需高于外露皮肤温度33）的送风温度不仅能使房间温度均匀，提高舒适性，还能降低空调热水温度，提高热源效率，非常适合低温热泵的送风策略。图5与图6分别为典型房间在33、34和35这三种送风温度下，风机盘管的出水温度和室温随室内发热量的变化曲线。图5 盘管出水温度随室内发热量的变化曲线 图6 室温随室内发热量的变化曲线由图4图6可以看出，34的送风温度在室内发热量变化的情况下表现出较好的室温特性，能够适应室内的高、低发热量。所以选定空调送风温度34，相应的盘管出水温度（或热泵进口温度）为38，足以保证室内环境的舒适性。（3）地板辐射采暖方式的回水温度取值分析目前，地板辐射采暖热水温度的工程计算方法主要有两种，一种可称为等效传热系数法10,13，该方法计算简便，但由于传热模型相对简化，计算出的水温偏低；另一种可称为传热单元分析法14，该方法的传热模型相对复杂，可靠性更高，但该算法中地板向上的传热系数值较难确定。在分析上述两种方法的特点后，本文对此进行了适当改进，提出综合计算法，具体过程如下：1）确定室温tn和单位面积设计采暖负荷q，并由q=·q 计算单位面积地板散热量q，为家具遮挡修正系数，这里可取1.115；2）由公式tb=tn+9×(q/100)0.909计算地板表面温度tb；3）由公式Rd =(/)计算地板的总热阻，根据管道参数（埋管管径d、壁厚、导热系数、管间距L），计算管道与地板之间的传热热阻Rc(/)埋管L/填充/4；图7 三种计算方法下的供回水平均温度4）根据公式tp=tb+q·Rd+q·L·Rc/d/计算辐射盘管的供回水平均温度，并根据供回水温差确定出水温度（即低温热泵的回水温度）。分别用上述三种方法计算得到热水平均温度随采暖负荷的变化曲线如图7所示，由图可以看出，综合计算法算得的供回水平均温度位于其他两种方法之间，兼备一定的安全性和节能性。由表5可知，典型房间的单位面积采暖负荷为42.5W/m2，根据图7可知供回水平均温度达到36以上即可满足供暖舒适性要求。从一些设计手册也可得到同样的结论，如文献16在其“施工指导”中指出35以上的供回水平均温度就可满足地板采暖要求。综合上文对风机盘管采暖和地板辐射采暖的分析结果，确定以38作为低温热泵水侧名义制热工况的回水温度，可以满足室内安全、舒适的供暖要求。4 结论低温热泵不仅需要实现冬季供暖，还需同时承担夏季的制冷功能，为保持标准的一致性和延续性，建议其名义制冷工况与GB/T18430相同；通过对主要应用低温热泵的我国寒冷地区八个主要城市（在不同供暖时间不保证率条件下的）室外设计干球温度分布以及对应的湿球温度分布的统计分析，确定低温热泵名义制热工况的空气侧干、湿球温度；通过对典型房间分别采用风机盘管供暖和地板辐射供暖时，保证室内舒适性要求的空调末端出水温度的研究，确定低温热泵的名义制热工况回水温度。综合得到低温热泵标准的名义工况如表2所示，表中温度值未考虑工况控制精度，尚需结合产品的测试条件和相关标准进行规定。表2低温热泵的名义工况条件（未考虑温度控制精度）项目使用侧热源侧（或放热侧）水流量m3/(h·kW)进口水温()出口水温()干球温度()湿球温度()制冷0.172/735/制热38/-12-13.5本文提出的低温热泵名义制热工况，可为商用和户用低温热泵机组的标准制定提供参考，其研究方法也可为后续相关产品标准的制定所借鉴。参考文献1 GB/T18430.1, 蒸气压缩循环冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水热泵机组（报批稿）S.2 GB 50176-1993, 民用建筑热工设计规范S.3 DeST网站 .4 宋芳婷, 诸群飞, 江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST: 第5讲 影响建筑热过程的各种外界因素的取值方法J. 暖通空调, 2004, 34(11): 52-655 EnergyPlus网站 www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/.6 中国气象局气象信息中心气象资料室. 清华大学建筑技术科学系著. 中国建筑热环境分析专用气象数据库M. 中国建筑工业出版社, 2005.7 张晴原. 中国建筑用标准气象数据库M. 机械工业出版社2004.8 DBJ01-621-2005, 北京地区公共建筑节能设计标准S. 北京市地方标准.9 电子工业部第十设计研究院. 空气调节设计手册M. 北京: 中国建筑工业出版社,1995.10 JGJ 142-2004, 地面辐射供暖技术规程S, 中华人民共和国行业标准.11 周朝霞. 风机盘管加新风系统冬季空气处理过程分析及合理运行J. 建筑热能通风空调, 1999, 1:24-26.12 孙德兴, 陈海波, 张吉礼. 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