关键词：空调系统，能效评估，能耗模拟
The energy efficiency assessment and instance analysis of the air conditioning system
WANG Di
Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Institute 200333
Abstract: Several kinds of energy efficiency assessment methods proposed recently were presented, the energy consumption of the ground-source heat pump system was calculated based on the operation record of the ground-source heat pump system. Then the performance of the ground-source heat pump system was checked and assessed by using these indicators, and the reasons causing the different assessment results of the same system by using the different energy efficiency indicators was analyzed.
Keywords: air conditioning system, energy efficiency assessment, energy consumption simulation
引言
由现场气象条件等引起的不同工况条件下的热泵机组的COP、泵的效率、风机单位风量的功耗可不可以通过某种模型转化到一个可以检验的标准工况下，现场测试条件下的COP或者是泵、风机的效率也能用来诊断整个空调系统或部分设备的运行性能，如果可行的话，这将很有现实意义，将对热泵空调系统的现场诊断带来方便和提高测量的准确性。通过对转换误差的分析和比较，可以得出在非标准状况下最合适的工况点，以减小转换的误差。目前国内关于这方面的课题的研讨可以说是凤毛麟角，几乎是空白。
1空调能耗模拟计算的方法
空调能耗模拟计算的方法包括静态法、动态法。
1.1 传统的空调能耗模拟计算方法
传统的空调能耗模拟计算方法有静态模拟法和动态模拟法。
1) 静态模拟法
静态模拟法是一种简化的能耗模拟方法，因为此方法在理论上做了较大程度的简化，所以结果较为粗略，但该方法具有易于手算和计算速度较快的特点，可用在能耗趋势研究、系统比较与优化等方面。静态模拟法主要包括度日法、温频法、有效传热系数法、满负荷系数法等。
2） 空调能耗的动态模拟方法
通常来说，空调能耗动态模拟主要包括对于建筑动态负荷的模拟和对HVAC设备系统的模拟两个方面的内容。
一般来说，空调能耗模拟软件一般由3～4个模块组成：建筑逐时负荷模块、系统设备性能模块、机房设备性能模块和经济环境分析模块。其中，建筑逐时负荷模块是所有能耗模拟软件的核心，它由三个不可少的部分组成：室内外逐时气象数据库、建筑材料性能数据库和负荷模拟方法。不同软件的负荷模拟方法有可能是完全不同的；室内外逐时气象数据库可能相同，也可能不同；建筑材料数据库的差异不大。
1.2 基于环境和设备样本性能修正参数的空调能耗计算方法
此方法根据当年或当月的实际气候环境（气温、地下水温等）参数和空调系统中设备样本的实际性能修正曲线（特别是对冷热源机组的性能修正）来计算空调系统中设备的供冷或供热能耗。此方法在没有该空调系统当年的实际账单能耗、只有设备的某些运行参数记录却想要知道该空调整个系统或其中某部件的能耗、研究建立该建筑的能耗模拟计算模型或者是与其它形式的空调系统做经济性分析时较为适用。
2 空调能效评估的方法
2.1供热空调系统的性能系数
系统性能系数的含义为空调系统供应的热量或者冷量与消耗的能量的比值，对于消耗的燃气或者燃油可以按照相应的发电效率折算为电力。这个指标迎来衡量整个供热空调系统的总体用能效率。可以把供热和制冷分开计算，也可以合在一起进行计算。
系统性能系数分为设计性能系数和全年性能系数，全年的性能系数为全年供热或者供冷量与全年耗电量的比值，能够更全面和真实的反映系统的性能。
2.2冷源系统能效比
《公共建筑节能检验标准》首次引入的冷源系统能效比按以下公式计算：
冷源系统用电设备包括冷水机房的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机，其中冷冻水泵如果是二次泵系统，一次泵和二次泵均包括在内。冷源系统不包括空调系统的末端设备。
检测宜在夏季最热月进行，以便更容易达到测试工况，当测试结果不低于表1的规定限值时，应判为合格，否则应判为不合格。
表1 冷源空调系统能效比限值
| 类型 | 机组配置 /（kW） |
系统能效比 /（W/W） |
|
| 水 冷 冷 水 机组 冷 源 空 调 系 统 |
螺杆式 | ＜528 528～1163 ＞1163 |
2.21 2.24 2.29 |
| 离心式 | ＜528 528～1163 ＞1163 |
2.98 3.05 3.12 |
|
| 风 冷 冷 水 机组 冷 源 空 调 系 统 | 活塞式/涡旋式 | ≤50 ＞50 |
1.89 1.93 |
| 螺杆式 | ≤50 ＞50 |
1.92 2.04 |
|
| 注：计算约束条件： 冷冻水出水温度为7℃，冷却水进口温度为32℃； 机组负荷为80％； 风冷水冷机组要求室外干球温度为35℃； |
|||
1） 能质系数的定义
能质系数的定义：不同能源对外所能做的功和其总能量的比值，用λ表示，
计算公式如下,
能质系数这个概念较为适用于各种不同于环境温度的工质和化学燃料以及它们所携带的热量或冷量，可以反映建筑物耗热量和耗冷量以及各种形式的能源品位的高低。
电可以完全转换为功，是最高品质的能源，其能质系数为1，其它形式能源的能质系数则根据它们对外做功的能力来确定。
2） 建筑物耗冷量、耗热量的能质系数
为了满足建筑物所需的冷量或热量，其采暖空调系统的所需要的能源消耗转化为冷量和热量的难易程度是不一样的，因而，冷量与热量的价值是不同的。
（1） 耗热量的能质系数
冬季，建筑物采暖如果从温度为
的室外环境向温度为T的室内环境供热，其能质系数计算公式如下：
（2） 耗冷量的能质系数
建筑物夏季耗冷量的能质系数采用表征室内湿度水平的房间空气露点温度作为冷源温度来计算，不用室内空气温度。按照有关节能设计规范，夏季室内的空调设计温度一般为24～28℃，相对湿度一般为40%～65%，分别取平均值26℃和50%，此时露点温度为14.8℃。
其能质计算公式如下：
各类冷机能耗的计算要同时考虑冷却侧的能耗，也就是冷却泵和冷却塔风机的电耗；如果有利用电热的末端的设备，再热或加湿装置的电耗也要计入此项评估。
2.4输配系统的能耗指标
输配系统主要包括建筑物空调系统中各种用于输送热量和冷量的水泵和风机，例如采暖水泵、空调冷冻水泵、风机盘管风机、新风机组风机、空调箱风机（不包括冷却侧风机和水泵）等。
采用合理的供回水温差和送风温差可以确保水泵流量和风机流量适当，同时适当避免由于水泵扬程、风机机外余压过大却缺少根据负荷变化的变流量调节手段而导致的水泵和风机能耗增加，选择水泵、风机时应使其在大多数运行工况下在效率最高点附近工作。
输配系数TDC（Transport and Distribute Coefficient）是指按照输配系统的形式、在风机、水泵的选型及控制调节策略确定的条件下，空调风系统和水系统在单位耗电量下所能输送和分配的冷热量。
空调箱送回风机总压头不高于1200Pa；水泵扬程不超过30m;设计工况点下对应的风机、水泵效率均应高于70%。
3 既有地源热泵系统的年能效评估实例
3.1 工程和资料概况
某造纸机械厂以生产为主、办公为辅的高层大空间建筑，采用地源热泵三工况加冰蓄冷方式为整个厂房提供冷热源，夏季是地源热泵和冰蓄冷供冷，冬季采用地源热泵供热。夏季空调设计峰值供冷能力为1688KW,冬季空调设计峰值供热能力为1740KW。冰蓄冷空调的空调工况制冷量为841KW和559KW的地源热泵机组各一台及与系统配套的67立方米蓄冰槽为冷源，蓄冰系统与基载主机联合运行时最大供冷量为1688KW,蓄冰系统供冷最大供冷量不小于889KW。蓄冷系统采用的是并联流程,尽最大可能地发挥主机及蓄冷装置的效率；晚间基载负荷由一台制冷量为841KW的LWP2800主机提供,满足负荷要求。地埋管系统采用垂直埋管，地埋管材料为HDPE管，管径为DN32。总换热能力不低于1670KW。
冰蓄冷复合地源热泵系统全年运行记录（记录周期为 2009年12月至2010年11月，每天运行三班，分别在早上9:00、下午17:00和凌晨1:00进行各参数记录，全年运行记录包括空调侧供、回水温度和地源进、出水温度以及对应的压力等，部分缺省数据按照已有数据的规律补齐）。有关设备的性能参数在机房主要设备表上有注明。
3.2 能耗计算
1） 计算周期为2013年12月至2014年11月，每天运行三班，记录的参数是早上9:00、下午17:00和凌晨1:00，用到的有用数据包括全年运行记录中的两台热泵机组的空调侧供、回水温度和地下进、出水温度等，部分缺省的热泵机组的有关水温数据按照与之相近的日期的运行记录情况的规律补齐。
2） 根据运行记录上不同的地源进水温度和冷（热）供水温度，参照地源热泵机组样本工况性能修正曲线，可以得到机组COP与地下进水温度的一元线性关系（从运行记录看，热水供水温度在大部分集中在40℃左右，冷水供水温度大部分集中在12℃左右），供热和供冷时地源热泵机组COP与地源下水进水温度的关系分别如下：
2) 地源热泵地源水泵部分，根据运行热泵机组运行记录，供热时使用1台泵；供冷时，可以使用1台泵 或2台泵。供热和供冷期间均定流量运行，因此能耗基本恒定。水泵的运行轴功率按以下公式计算：
水泵的轴功率并不是选型样本上的电机功率，要根据实际管路中水泵的流量和扬程以及样本上的效率性能曲线计算水泵的实际轴功率。
由于空调箱全年定风量运行，所以耗功率恒定。
按照上述计算过程和有关时参数，计算得出各时刻的地源热泵机组能耗、空调水泵能耗和地下水泵能耗以及空调箱能耗进而得到该地源热泵系统的全年能耗。
3.3 该地源热泵系统年能效结果分析
按照上述能耗模拟计算方法，得到该地源热泵系统的年能耗如表2所示：
表2 地源热泵系统的年能耗
| 类型 | 供热 | 供冷 |
| 年总负荷\kWh | 1208117 | 2547927 |
| 年总能耗\kWh | 757270 | 1408313 |
| 热泵机组能耗\kWh | 247558 | 889457 |
| 泵能耗\kWh | 206640 | 293400 |
| 空调箱能耗\kWh | 303072 | 225456 |
1） 供热空调系统的性能系数
2) 冷源系统能效比
在运行记录中，当冷却水进水温度为32℃，冷负荷率为80%以上即为1606kW，热泵机组功率为490kW，空调水泵和地下水泵的功率为90kW时，冷源系统能效比为2.77。该地源热泵机组为双螺杆式机组，查表得水冷冷水螺杆式机组冷源系统根据机组容量的大小能效限值不得低于2.21至2.29，可以得知，此地源热泵机组通过了能效比检验。
3) 能源转化系统指标
3.4结论
（1） 用冷源系统能效比检验该地源热泵系统时，通过了检验，说明热泵机组、空调水泵以及地下水泵的设备性能良好。
（2） 用能源转化系统指标来检验该地源热泵系统时，冷热源和输配系统均没有通过检验，说明系统中设备的性能存在着整体或部分的缺陷。
（3） 同一套系统，用不同的指标来衡量时出现了不同的结果，这主要是两个指标衡量的标准是不相同的，冷源系统能效比主要是以设备在指定的工况下的性能，而冷热源和输配系统的能源转化系统指标主要以设备在整个供冷期或供热期的能耗消耗情况来检验的。如果设备性能是良好的，如果设备长期工作在不良的环境状态下就可能出现以上结果。
（4） 通过查看该地源热泵系统的运行记录可以得知：供冷时，7、8和9月份地源热泵系统冷凝侧的地下水进水温度在35—45℃之间，严重异常于一般的15—25℃之间，地下水进水温度太高直接影响了热泵机组的COP的大幅度减小，使热泵机组能耗大幅度增高，造成了供冷时能耗偏大；从运行记录来看，5、6月份刚开始供冷时地下水进水温度正常，一段时间后开始变高，这可能是由于管井布置太密或者是管井土壤散热不好造成的；这说明造成该系统能效指标不正常的原因可能不是设备造成的，而是系统所处的工作环境恶劣造成的。
（4） 从供热记录看，90%左右的供热时间热泵机组负荷率在50%以下，表3是主要耗能设备占年总能耗的百分比情况，泵和空调箱在大流量小温差下运行，效率不高。如果供热期间使用两台小流量的泵或使用变频泵和风机，供热期间地源热泵系统节能潜力会更大。
表3 各能耗设备占总能耗的百分比
| 年总能耗\kWh | 供热\% | 供冷\% |
| 热泵机组能耗\kWh | 32.7 | 63.2 |
| 泵能耗\kWh | 27.3 | 20.8 |
| 空调箱能耗\kWh | 40.0 | 16.0 |
由于全年不同工况下建筑物的冷热负荷有较大差异，风机、泵在大部分情况下工作在部分负荷率下，特别是冷热负荷随室外温度变化较大的建筑，对冷冻泵、冷却泵、风机等进行变频改造可取得一定的节能效果。上述系统，在供热时，泵和空调箱的能耗占了总能耗的2/3，是造成供热能耗偏大的主要原因。
参考文献
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