螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统模拟研究.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统模#拟研究112**贾晓渊，田琦，李勇刚5（1.太原理工大学环境科学与工程学院，太原030024；2.天津市建筑设计研究院，天津300000）摘要：螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统是一种新型的供热方式，它由两台喷气增焓螺杆式压缩空气源热泵机组串联构成，其凭借高效节能、减排环保的性能优势，尤其适用于锅10炉改造后的供暖系统。本文通过TRANSYS软件对某建筑的螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统进行模型的建立，将模拟所得数据与实测数据进行比较，验证模型达到很好的仿真效果。在此基础上，比较该系统和传统空气源热泵并联供暖系统的运行特性，分析可知螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的运行特性更佳。关键词：供热供燃气及空调工程；螺杆式双级冷凝器空气源热泵；TRNSYS软件；性能系15数中图分类号：TU832.1+3StudyOnScrewTwo-StageCondenserPerformanceAirSourceHeatPumpHeatingSystem11220jiaxiaoyuan,TianQi,LiYonggang(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024;2.Tianjininstituteofarchitecturaldesign,Tianjin300000)Abstract:Screwtwo-stagecondenserperformanceairsourceheatpumpheatingsystemisanewtype25ofheating.ItiscomprisedoftwoscrewcompressorairsourceheatpumpwithEVI(EnhancedVaporInjection).Itapplytoreformboilerheatingsystem.BybuildingsimulationmodelinTRNSYSsoftware,itcompariseofthesimulateddataandmeasureddata.Itveritythesimulationeffectofthesimulationmodel.Basedonsimulationmodel,thearticlecomparedthenewsystemandconwentionalairsourceheatpumpheatingsystem.Accordingtotheanalysisoftheiroperationcharacteristics,screwtwo-stage30condenserperformanceairsourceheatpumpheatingsystemisthebetter.Keywords:Gasforheatingandairconditioningengineering;Screwtwo-stagecondenserperformanceairsourceheatpumpheatingsystem;TRNSYSsoftware;coefficientofperformance(COP)0引言35我国的建筑能耗约占社会总能耗的23%以上。在我国的建筑能耗中，使用能耗约为建造能耗的15倍，而在使用能耗中又以供暖和制冷能耗为最高，特别在北方寒冷地区，其供[1]暖能耗约占总使用能耗的40%左右，成为建筑能耗的最大组成部分。因而供暖系统的节能是建筑节能减排的一个重要领域。为了实现建筑的节能减排，我国提出“煤改气”“煤改电”的政策，采用燃气锅炉和热泵技术替代原有的燃煤锅炉。然而燃气锅炉的供暖成本是燃煤锅炉40的两倍以上。根据国际能源署的估算，热泵技术可减少全球约8%的二氧化碳排放，因此开发利用热泵供暖技术是居民冬季供暖的必然趋势。全国多个省市地区已经制订了具体的关于基金项目：国家科技支撑计划资助项目（2012BAJ04B02）作者简介：贾晓渊（1991-），女，硕士研究生，新能源利用通信联系人：田琦（1966-），男，教授，新能源利用.E-mail:tqfyj@sohu.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn推广空气源热泵应用的政策和措施，提倡减煤代煤供暖，将低温空气源热泵列入可再生能源范畴，推荐使用。螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统是一种新型的供暖系统，它由两台喷气增焓螺杆45式压缩空气源热泵机组串联构成，其凭借高效节能、减排环保的性能优势，尤其适用于锅炉改造后的供暖系统，提供一种综合考虑维持低运行费用水平，提高系统供暖保障性和使用舒[2]适性，保障机组使用寿命的合理利用空气能的节能环保供暖系统。相比传统的空气源热泵供暖系统，该系统在初寒期和末寒期只开启第一台热泵机组，严寒期同时开启两台热泵机组，便于质调节运行调节，节省运行费用，提高机组性能，满足供暖需求。501研究对象1.1螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖机组是一种新型的供暖方式，由两台喷气增焓螺杆式压缩空气源热泵机组串联构成。每台机组分别承担总负荷的50%，两台机组逐级提高热水温度，达到系统供回水温度差值。螺杆式空气源热泵压缩机均采用喷气增焓技术，并采用如55R404A新型制冷剂，使得热泵在室外环境温度低至-25℃时依然正常工作。当初寒期和末寒期时只有第一台热泵机组运行，室内散热器或者地暖回水流经第一台热泵机组的冷凝器逆流换热升温，再流经未开启的第二台空气源热泵机组中的冷凝器流入室内作为室内散热器或者地暖的供水。当严寒期两台热泵机组同时开启，室内散热器或者地暖回水先流经第一套热泵机组的冷凝器逆流换热升温，再流经第二套热泵机组的冷凝器逆流换热60升温，共同完成采暖热水的温升，流入室内作为室内散热器或者地暖的供水管。系统的运行流程见图1。附：1：第一蒸发器；2：第一压缩机；3：第一冷凝器；4：第一膨胀阀Ⅰ；5：第一闪发蒸气分离器；6：第一膨胀阀Ⅱ；7：第二蒸发器；8：第二压缩机；9：第二冷凝器；10：第二膨胀阀Ⅰ；11：第二闪发蒸气分离器；12：第二膨胀阀Ⅱ。65图1系统运行流程图Fig.1Systemoperationflowchart-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2模拟建筑概况本项目实际案例建筑位于山西省太原市，为办公楼改造供暖项目，该办公楼总建筑面积为3375㎡；共六层，层高3.5m；建筑物总高度为21m；外墙采用三七墙无保温，窗户为塑70钢双层中空玻璃，整个采暖系统末端采用地板辐射采暖。维护结构具体参数如下：表1建筑维护结构相关参数Tab.1Relatedparametersofbuildingmaintenancestructure围护结构方位面积㎡东303南583.4外墙西303北625.8东16.2南183.6外窗西16.2北151.2地面水平562.4户门南152系统的仿真模型2.1建筑模型建立75TRNBuild提供一个用于模拟多区建筑的参数输入界面，根据实际情况用户可以设置建筑墙体关系、面积大小、墙体材料、窗户结构及传热等参数，对于材料库中没有的材料可以通过自定义传热系数的方式进行确定。这些参数可以根据公共建筑设计标准（GB50189-2015）等规范来进行设置。本文中把建筑看作整体来考虑，故在利用TRNBuild进行建筑模型建立时只需划分一个区。80建筑维护结构的设置外，还需对建筑的冷风渗透、内部得热、室内舒适度的影响因素等参数进行设置，其设置如下：InitialValues：设定初始温度20℃，相对湿度为50%。Heating：冬季采暖温度设定值，室内设计温度为18℃。Cooling：本文研究热泵系统冬季供暖，故选择关闭。Gains：室内人员的劳动强度，该建筑为办公楼，选择ISO7730中NO.4，即室内人员静坐或轻体力工作；电脑功率设为140WPCwithmonitor，每个办公室一台；照明设备设85为14W/㎡。Infiltration：取0.4L/h。Comfort：冬季时衣着热阻设置为1clo，对于轻度劳动者新陈代谢率设置为1met。设置完成并保存后，TRNBuild会自动生成包含模拟建筑信息的建筑描述文件。2.2系统主要部件模型的描述TRNSYS是瞬时系统模拟程序（全称为TransientSystemSimulationProgram），其最大90的特色在于认为传热系统均是由若干个小的系统（即模块）组成，每个模块可实现特定的功能，即模块化的分析方式。因此，只要调用特定功能的模块，给定输入条件，就可以对系统[3]进行模拟分析。系统模型以实际系统为参考，使用的部件模块主要有：气象参数、空气源热泵、温差开关控制器、时间控制器、建筑模块、计算器及打印机。其中，气象参数模块主要用于读取干95球温度、湿球温度、自来水温度及太阳辐射等参数；空气源热泵模块根据实际机组参数进行设置；温差开关控制器设定制冷剂流量上下限，根据建筑室内温度控制系统流量；时间控制器根据机组的运行时间控制热泵机组的启停；建筑模块用于读取TRNBuild中对建筑模型的设置。连接各个模块对应的输入输出参数，实现整个系统的仿真模型。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100图2TRNSYS系统模拟图Fig.2TRNSYSsimulationdiagram3模拟情况及结果3.1TRSYS软件中系统参数设置本文研究的实际建筑使用性质为办公楼，为了合理分析供暖系统的运行特性,系统运行105时间设定为早7：00开启，晚22：00关机，这种白天运行夜间停机的运行方式较之全天运[4]行运行方式性能系数高，经济性好。本研究的螺杆式双级冷凝器空气源热泵机组的名义制热工况为进水温度35℃，出水温度45℃。建筑室内温度设定为18℃，当室内温度高于20℃时，机组处于待机状态。3.2模拟数据和实测数据的比较110就实际案例采集数据期间的室外气象参数输入模型，得出2015年12月14日至26日的系统日供热量，通过对比实测数据和模拟数据来验证仿真模型的准确性。由下图3可知，螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统系统仿真模型的供热量和日用电量曲线与实际数据变化的曲线走势基本一致。模拟数据和实测数据的相对误差绝对值小于5.0%，使得模拟数据和实测数据存在误差的原因，可能存在于外界干扰的影响或者设备灵敏度不高等情况。故可115知通过TRNSYS软件建立的仿真模型是正确的。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3日供热量的比较Fig.3Thecomparisonofdailyheatingquantity3.3系统模拟比较120在TRNSYS软件中分别模拟系统一（螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统）和系统二（传统空气源热泵供暖系统）在整个采暖期内运行的仿真模型。螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统由两台热泵机组串联而成，在初寒期和末寒期仅开启一台热泵机组，严寒期开启两台热泵机组，太原市采暖期从11月15日开始，到次年3月31日结束，严寒期的时间范围为12月14日至次年1月31日。传统空气源热泵供暖系统由125两台空气源热泵机组并联而成，在整个采暖期内同时开启两台热泵机组进行供暖。通过仿真模型模拟得到整个采暖期中建筑动态室内温度、系统的逐日性能系数及用电量，将数据进行对比分析，对比两种不同系统的运行特性。1.室内动态温度供暖系统末端为地板辐射采暖，辐射表面温度比室内温度高2-3℃，因而，室内温度降[5]130低2℃仍然可以达到相同的热舒适感，室内温度允许波动幅度为2℃。如下图4为传统空气源热泵供暖系统和螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统在整个供暖期内动态的室内温度曲线。螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的平均室内温度为19.1℃，最低室内温度为12.94℃，最高室内温度为25.52℃。传统空气源热泵供暖系统的平均室内温度为18.09℃，最低室内温度为11.4℃，最高室内温度为24.07℃。两者动态室内温度基本可以满足18±2℃135的用户需求，个别时间出现室内温度低于16℃的原因是，夜间停机状态下室外温度过低，建筑围护结构需热量不足而引起的情况。室内温度大于20℃时热泵机组进入待机模式，室内温度会出现最高25℃是因为，热量来自围护结构蓄热、建筑内部人员设备散热及太阳辐射。该建筑为办公楼，当白天机组开启，室内温度随着建筑结构蓄热逐渐达到18℃，夜间温度低于16℃时，室内无人员，因而两种供暖系统室内温度均可满足用户需求。相比较而140言，传统空气源热泵供暖系统的室内温度波动更稳定。（a）系统一（b）系统二图4不同系统的室内动态温度Fig.4Indoordynamictemperatureofdifferentsystems1452.系统性能系数图5所示为为螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统和传统空气源热泵供暖系统的动态逐日性能系数。分析可知，螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的性能系数COP范围在1.62~3.07之间，系统运行的平均性能系数COP为2.51。传统空气源热泵供暖系统性能系数COP范围在1.6~2.78之间，系统运行的平均性能系数COP为2.38。系统的性能系数COP-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn150值是系统节能性的直接影响因素，对比分析可知，螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的性能系数高，节能性更佳。（a）系统一（b）系统二图5不同系统的性能系数155Fig.5Performancecoefficientsofdifferentsystems3.系统用电量图6为螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统和传统空气源热泵供暖系统的逐日用电量。分析可知螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的平均值日用电量为2279513.781kWh，传统空气源热泵并联供暖系统的平均日用电量为2550081.207kWh。单从经济性角度考虑，160螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统经济性更佳。（a）系统一（b）系统二图6不同系统的逐日用电量Fig.6ThedailyElectricityconsumptionofdifferentsystems1654结论该研究运用TRNSRYS软件，对位于山西省太原市的某办公楼的供暖系统建立仿真模型，并对比分析模拟数据和实测数据，判断仿真模型的正确性，确定其可以代表实际供暖系统情况进行进一步的系统运行研究。根据对比分析螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统和传统空气源热泵并联供暖系统170模拟数据可知：两种供暖系统的室内温度除个别夜晚时刻，因建筑维护结构蓄热不足而导致室内温度低于16℃，故两种供暖系统均能满足用户的功能需求，达到合适的热舒适感；在-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn满足用户供暖需求的情况下，螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的运行性能系数高，用电量低，节能性好。综合考虑各项参数对比分析情况，螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖系统的运行特性更佳。175基于研究方便，本文中供暖系统的模拟运行时间和室内控制温度设定单一，实际应用时，用户可根据实际建筑情况及自身情况选择合适的供暖系统。且该研究基于山西省典型年气象参数的基础上，因而存在地区局限性。[参考文献](References)[1]方经.采暖占城镇建筑能耗40%成为建筑能耗巨无霸[N].江南时报，2008，3（28）：22.180[2]郭卫强，田琦，赵小刚，；黎珍，董旭.大温差螺杆式双级冷凝器空气源热泵供暖机组[P].中国专利201520478724.7，2015.7.6[3]中国建筑科学研究院环能院（空调所）.TRNSYS介绍及主要功能[OL].[2012-12-14].http://www.trnsys.com.cn/index.php?_a=article_content&_m=mod_article&article_id=247[4]杜彦.空气源热泵直接地板辐射供暖系统运行方式及经济性研究[D].太原理工大学，2015.185[5]亢燕铭，沈恒根，徐慧英等.地板辐射供暖的节能效应分析[J].暖通空调，2011，31（4）：4-6-7-'