毛細管輻射空調系統運行的經濟性分析

摘 要

摘要：介紹了毛細管輻射空調系統概況。以天津地區某居住建筑為研究對象，采用BIN氣象參數、部分負荷率下冷熱源機組性能系數，對土壤源熱泵+風機盤管、土壤源熱泵+毛細管輻射空調
摘要：介紹了毛細管輻射空調系統概況。以天津地區某居住建筑為研究對象，采用BIN氣象參數、部分負荷率下冷熱源機組性能系數，對土壤源熱泵+風機盤管、土壤源熱泵+毛細管輻射空調系統、家用空調機+集中供熱的經濟性進行了比較，土壤源熱泵+毛細管輻射空調系統的經濟性最佳。
關鍵詞：毛細管輻射空調系統；BIN氣象參數；部分負荷；性能系數；經濟性
Economic Analysis on Operation of Capillary Radiation Air-conditioning System
YAO Wan-xiang，ZHANG Zhi-gang，ZHAO Shu-xing，DU Xue-Ha，ZHANG Jian
Abstract：The general situation of capillary radiation air-conditioning system is introduced. Taking a residential building in Tianjin region as research object，the economic efficiencies of ground-source heat pump plus fan-coil，ground-source heat pump plus capillary radiation air-conditioning system，and domestic air conditioner plus centralized heat-supply are compared by BIN meteorological parameters and coefficients of performance of cold and heat source units at partial load rates. The economic efficiency of ground-source heat pump plus capillary radiation air-conditioning system is optimal.
Key words：capillary radiation air-conditioning system；BIN meteorological parameter：partial load；coefficient of performance；economic efficiency
1 毛細管輻射空調系統簡介
    基于溶液除濕的土壤源熱泵毛細管輻射空調系統發展很快[1～5]，系統流程見圖1。采用溫濕度獨立處理原理控制室內熱濕環境：向室內送入經溶液除濕新風機組處理后的干燥空氣控制濕度和滿足新風需求，采用獨立的毛細管輻射空調系統消除顯熱控制室內溫度，從而全面調節室內熱濕環境。用土壤源熱泵作為系統的冷源，采用地板送風口送入新風，吸收室內余熱余濕的排風與新風進行全熱交換。毛細管輻射空調系統由毛細管終端、獨立新風系統、控制系統組成：
    ① 毛細管終端：由土壤源熱泵機組通過地埋管換熱器提取冷量后，供至毛細管終端，由毛細管終端向室內輻射供冷。
② 獨立新風系統：室外新風首先經過回熱裝置吸收排風的冷量后被冷卻，然后進入溶液除濕新機組，被降溫除濕后通過地板送風口送入室內。回風通過回風系統排至回熱裝置對新風進行預處理后排至室外。
③ 控制系統：各房間溫度可以單獨設定、調節，濕度由新風系統控制在設計范圍內。在各空調房間的毛細管終端設置露點開關，當檢測到毛細管終端存在結露的可能時，自動關閉毛細管終端冷水管道的電動閥門，作為防結露保護。熱泵機組自帶溫度控制系統，控制機組的供水溫度在設計狀態。
2 工程概況
① 圍護結構
天津某居住建筑總建筑面積為3365m2，占地面積為620m2，為6層建筑，建筑總高度為19.2m。外墻采用外墻外保溫技術，墻體結構由內到外依次為：180mm厚現澆混凝土(基層墻體)+聚氨酯防潮底漆+80mm厚聚氨酯保溫層+20mm厚聚氨酯界面砂漿+20mm厚聚苯顆粒漿料找平層+抗聚砂漿復合網格布+20mm厚柔性膩子+外墻涂料。屋頂結構由內到外依次為：200mm厚鋼筋混凝土屋面板+30mm厚輕集料混凝土找坡層+15mm厚水泥砂漿找平層+5mm厚防水層+70mm厚聚氨酯板+20mm保護層+20mm厚木板層。外窗：斷熱型鋁合金窗框+LOW-E中空玻璃。
② 基礎參數
天津地區供暖、空調室外計算參數見表1。根據ISO 7730室內熱環境標準的相關規定，設定空調房間的室內計算參數見表2。夏季：毛細管終端供、回水溫度為16、18℃，毛細管終端輻射面溫度約20℃，室內溫度為26℃時，單位建筑面積冷負荷取80W/m2。冬季：毛細管終端供、回水溫度為32、28℃，毛細管終端輻射面溫度約30℃，室內溫度為20℃時，單位建筑面積熱負荷為86W/m2。
表1 天津地區供暖、空調室外計算參數
冬季供暖室外計算干球溫度/℃
-9
冬季通風室外計算干球溫度/℃
-4
冬季空調室外計算干球溫度/℃
-11
夏季空調室外計算干球溫度/℃
33.4
夏季通風室外計算干球溫度/℃
29.0
夏季空調室外計算濕球溫度/℃
26.9
冬季室外計算相對濕度/%
53
夏季室外計算相對濕度/%
78
冬季室外平均風速/(m·s-1)
3.1
夏季室外平均風速/(m·s-1)
2.6
表2 空調房間的室內計算參數
空調房間
夏季
冬季
溫度/℃
相對濕度/%
氣流平均速度/(m·s-1)
溫度/℃
相對濕度/%
氣流平均速度/(m·s-1)
臥室
26
40～60
≤0.25
20
40～60
≤0.15
起居室
26
40～60
≤0.25
20
40～60
≤0.15
衛生間
25
40～60
≤0.25
20
40～60
≤0.15
廚房
25
40～60
≤0.25
20
40～60
≤0.15
 ③ 冷熱源方案
   擬選冷熱源方案為：①方案1，土壤源熱泵+風機盤管。選用HLRSW100型土壤源熱泵機組，制冷能力為100 kW，制熱能力為116kW。②方案2，土壤源熱泵+毛細管輻射空調系統，同樣選用HLR-SW100型土壤源熱泵機組。③方案3，電制冷壁掛式空調機+柜式空調機+集中供熱，選用壁掛式空調機及柜式空調機各12臺。壁掛式空調機制冷能力為3.5kW，柜式空調機制冷能力為5kW。
3 能耗分析方法及BIN氣象參數
3.1 能耗分析方法
    本文采用BIN法對空調系統的能耗進行計算[6、7]。該方法根據計算地點室外空氣比焓、含濕量、干濕球溫度出現的年頻率數(或季節頻率數)及空調系統的全年運行工況，計算出不同室外空氣狀態下的供熱量、供冷量、加濕量，然后累計計算出全年(或季節)能耗。
3.2 天津地區BIN氣象參數
    根據文獻[8]導出天津市典型氣象年逐時參數，以溫差2℃作為一個溫頻段，得到天津地區BIN氣象參數。由于該居住建筑主要使用時間是夜間，因此空調機組運行的時間分配如下：周一至周五：冬夏季18:00—8:00正常運行(正常運行模式)，冬季8:00—18:00進行低負荷防凍運行(防凍運行模式)；周六、周日：冬夏季全天正常運行(正常運行模式)。
   ① 正常運行模式
正常運行模式下BIN氣象參數見表3。
表3 正常運行模式下BIN氣象參數
室外溫度/℃
時間/h
室外溫度/℃
時間/h
-11
33
13
300
-9
122
15
301
-7
186
17
324
-5
262
19
361
-3
318
21
378
-1
332
23
436
1
265
25
406
3
260
27
275
5
235
29
123
7
262
31
61
9
243
33
34
11
253
35
12
   ② 防凍運行模式
   設定室外溫度低于5℃開啟防凍運行模式，防凍運行模式下BIN氣象參數見表4。
表4 防凍運行模式下BIN氣象參數
室外溫度/℃
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
時間/h
1
6
15
24
40
45
65
64
4 能耗分析模型及耗電量計算
4.1 能耗分析模型
    在能耗分析中做以下3點設定：對于方案1，土壤源熱泵機組、電制冷空調均采用部分負荷調節，部分負荷率分為25%、50%、75%、100%；土壤源熱泵機組、電制冷空調夏季供、回水溫度為7、12℃，冬季供、回水溫度為50、45℃；當室外溫度低于10℃時開始供熱，室外溫度高于25℃開始供冷[9]。
    根據以上設定，當部分負荷率在25%以下時，土壤源熱泵機組、電制冷空調按25%負荷的性能系數計算耗電量。當部分負荷率分別為25%～50%、50%～75%、75%～100%時，采用插值法計算土壤源熱泵機組、電制冷空調的性能系數，從而計算耗電量。土壤源熱泵機組、電制冷空調在不同負荷率下的性能系數由文獻[8]及廠商提供的樣本查得，具體見表5。
表5 土壤源熱泵機組、電制冷空調在不同負荷率下的性能系數
部分負荷率/%
方案1
方案2
方案3
制冷工況
制熱工況
制冷工況
制熱工況
制冷工況
25
4.90
4.10
5.06
4.98
2.81
50
5.00
4.19
5.16
5.09
2.87
75
4.87
4.07
5.03
4.94
2.79
100
4.84
4.05
5.00
4.92
2.78
4.2 耗電量計算
    正常運行模式、防凍運行模式下各方案土壤源熱泵、電制冷空調的耗電量計算結果見表6、7。
表6 正常運行模式下各方案土壤源熱泵、電制冷空調的耗電量計算結果
室外溫度/℃
方案1
耗電量/(kW·h)
方案2
耗電量/(kW·h)
方案3
耗電量/(kW·h)
-11
945
778
—
-9
3146
2592
—
-7
4260
3507
—
-5
5295
4359
—
-3
5450
4486
—
-1
4815
3963
—
1
3144
2588
—
3
2452
2019
—
5
1583
1303
—
7
1059
872
—
9
327
270
—
27
1122
1087
1957
29
984
953
1714
31
756
732
1317
33
562
544
978
35
248
240
432
表7 防凍運行模式下各方案土壤源熱泵的耗電量計算結果
室外溫度/℃
方案1
耗電量/(kW·h)
方案2
耗電量/(kW·h)
-11
7
5
-9
35
28
-7
76
62
-5
101
83
-3
134
110
-1
114
94
1
110
91
3
53
44
   ① 方案1
   由表6、7可以計算出，土壤源熱泵年耗電量為36779kW·h/a。根據水泵等輔助設備的電功率及運行時間，計算得到水泵等輔助設備的年耗電量為38204kW·h/a。方案1的年耗電量為74983kW
   ② 方案2
   由表6、7可計算出，方案2的土壤源熱泵年耗電量為30813kW·h/a，水泵等輔助設備的年耗電量為32007kW·h/a。方案2的年耗電量為62820kW·h/a。
   ③ 方案3
   由于電制冷壁掛式空調機及柜式空調機只在夏季運行，冬季采用集中供熱，因此方案3的耗電量只有壁掛式空調機及柜式空調機的耗電量，冬季按供熱面積計算運行費用(熱費)。經計算可得，方案3的年耗電量為6398kW·h/a。
5 經濟性分析
    電價按0.49元/(kW·h)計算，水價按3.9元/m3計算，熱價按26元/m2計算。3種方案的年運行費用計算結果見表8。由表8可知，在3種方案中，方案2的年運行費用最低，分別為其他兩種方案的85.4%、38.7%。
表8 3種方案的年運行費用
方案
年耗電量/(kW·h·a-1)
年耗水量/(t·a-1)
年熱費/(元·a-1)
年運行費用/(元·a-1)
方案1
74983
1116
—
4.11×104
方案2
62820
1116
—
3.51×104
方案3
6398
—
8.75×104
9.06×104
參考文獻：
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(本文作者：姚萬祥1 張志剛1 趙樹興1 杜雪娜2 張建2 1.天津城市建設學院 天津 300384；2.中國建筑設計研究院 北京 100044)