毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析

摘 要

摘要：介紹了毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)概況。以天津地區(qū)某居住建筑為研究對象，采用BIN氣象參數(shù)、部分負(fù)荷率下冷熱源機(jī)組性能系數(shù)，對土壤源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管、土壤源熱泵+毛細(xì)管輻射空調(diào)
摘要：介紹了毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)概況。以天津地區(qū)某居住建筑為研究對象，采用BIN氣象參數(shù)、部分負(fù)荷率下冷熱源機(jī)組性能系數(shù)，對土壤源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管、土壤源熱泵+毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)、家用空調(diào)機(jī)+集中供熱的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，土壤源熱泵+毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最佳。
關(guān)鍵詞：毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)；BIN氣象參數(shù)；部分負(fù)荷；性能系數(shù)；經(jīng)濟(jì)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(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)簡介
    基于溶液除濕的土壤源熱泵毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展很快[1～5]，系統(tǒng)流程見圖1。采用溫濕度獨(dú)立處理原理控制室內(nèi)熱濕環(huán)境：向室內(nèi)送入經(jīng)溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理后的干燥空氣控制濕度和滿足新風(fēng)需求，采用獨(dú)立的毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)消除顯熱控制室內(nèi)溫度，從而全面調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境。用土壤源熱泵作為系統(tǒng)的冷源，采用地板送風(fēng)口送入新風(fēng)，吸收室內(nèi)余熱余濕的排風(fēng)與新風(fēng)進(jìn)行全熱交換。毛細(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)由毛細(xì)管終端、獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成：
    ① 毛細(xì)管終端：由土壤源熱泵機(jī)組通過地埋管換熱器提取冷量后，供至毛細(xì)管終端，由毛細(xì)管終端向室內(nèi)輻射供冷。
② 獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)：室外新風(fēng)首先經(jīng)過回?zé)嵫b置吸收排風(fēng)的冷量后被冷卻，然后進(jìn)入溶液除濕新機(jī)組，被降溫除濕后通過地板送風(fēng)口送入室內(nèi)?；仫L(fēng)通過回風(fēng)系統(tǒng)排至回?zé)嵫b置對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理后排至室外。
③ 控制系統(tǒng)：各房間溫度可以單獨(dú)設(shè)定、調(diào)節(jié)，濕度由新風(fēng)系統(tǒng)控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在各空調(diào)房間的毛細(xì)管終端設(shè)置露點(diǎn)開關(guān)，當(dāng)檢測到毛細(xì)管終端存在結(jié)露的可能時(shí)，自動關(guān)閉毛細(xì)管終端冷水管道的電動閥門，作為防結(jié)露保護(hù)。熱泵機(jī)組自帶溫度控制系統(tǒng)，控制機(jī)組的供水溫度在設(shè)計(jì)狀態(tài)。
2 工程概況
① 圍護(hù)結(jié)構(gòu)
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(shù)，墻體結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外依次為：180mm厚現(xiàn)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(fù)合網(wǎng)格布+20mm厚柔性膩?zhàn)?外墻涂料。屋頂結(jié)構(gòu)由內(nèi)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(hù)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(chǔ)參數(shù)
天津地區(qū)供暖、空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)見表1。根據(jù)ISO 7730室內(nèi)熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，設(shè)定空調(diào)房間的室內(nèi)計(jì)算參數(shù)見表2。夏季：毛細(xì)管終端供、回水溫度為16、18℃，毛細(xì)管終端輻射面溫度約20℃，室內(nèi)溫度為26℃時(shí)，單位建筑面積冷負(fù)荷取80W/m2。冬季：毛細(xì)管終端供、回水溫度為32、28℃，毛細(xì)管終端輻射面溫度約30℃，室內(nèi)溫度為20℃時(shí)，單位建筑面積熱負(fù)荷為86W/m2。
表1 天津地區(qū)供暖、空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)
冬季供暖室外計(jì)算干球溫度/℃
-9
冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度/℃
-4
冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度/℃
-11
夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度/℃
33.4
夏季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度/℃
29.0
夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度/℃
26.9
冬季室外計(jì)算相對濕度/%
53
夏季室外計(jì)算相對濕度/%
78
冬季室外平均風(fēng)速/(m·s-1)
3.1
夏季室外平均風(fēng)速/(m·s-1)
2.6
表2 空調(diào)房間的室內(nèi)計(jì)算參數(shù)
空調(diào)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(wèi)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(fēng)機(jī)盤管。選用HLRSW100型土壤源熱泵機(jī)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(xì)管輻射空調(diào)系統(tǒng)，同樣選用HLR-SW100型土壤源熱泵機(jī)組。③方案3，電制冷壁掛式空調(diào)機(jī)+柜式空調(diào)機(jī)+集中供熱，選用壁掛式空調(diào)機(jī)及柜式空調(diào)機(jī)各12臺。壁掛式空調(diào)機(jī)制冷能力為3.5kW，柜式空調(diào)機(jī)制冷能力為5kW。
3 能耗分析方法及BIN氣象參數(shù)
3.1 能耗分析方法
    本文采用BIN法對空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行計(jì)算[6、7]。該方法根據(jù)計(jì)算地點(diǎn)室外空氣比焓、含濕量、干濕球溫度出現(xiàn)的年頻率數(shù)(或季節(jié)頻率數(shù))及空調(diào)系統(tǒng)的全年運(yùn)行工況，計(jì)算出不同室外空氣狀態(tài)下的供熱量、供冷量、加濕量，然后累計(jì)計(jì)算出全年(或季節(jié))能耗。
3.2 天津地區(qū)BIN氣象參數(shù)
    根據(jù)文獻(xiàn)[8]導(dǎo)出天津市典型氣象年逐時(shí)參數(shù)，以溫差2℃作為一個溫頻段，得到天津地區(qū)BIN氣象參數(shù)。由于該居住建筑主要使用時(shí)間是夜間，因此空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間分配如下：周一至周五：冬夏季18:00—8:00正常運(yùn)行(正常運(yùn)行模式)，冬季8:00—18:00進(jìn)行低負(fù)荷防凍運(yùn)行(防凍運(yùn)行模式)；周六、周日：冬夏季全天正常運(yùn)行(正常運(yùn)行模式)。
   ① 正常運(yùn)行模式
正常運(yùn)行模式下BIN氣象參數(shù)見表3。
表3 正常運(yùn)行模式下BIN氣象參數(shù)
室外溫度/℃
時(shí)間/h
室外溫度/℃
時(shí)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(yùn)行模式
   設(shè)定室外溫度低于5℃開啟防凍運(yùn)行模式，防凍運(yùn)行模式下BIN氣象參數(shù)見表4。
表4 防凍運(yùn)行模式下BIN氣象參數(shù)
室外溫度/℃
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
時(shí)間/h
1
6
15
24
40
45
65
64
4 能耗分析模型及耗電量計(jì)算
4.1 能耗分析模型
    在能耗分析中做以下3點(diǎn)設(shè)定：對于方案1，土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)均采用部分負(fù)荷調(diào)節(jié)，部分負(fù)荷率分為25%、50%、75%、100%；土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)夏季供、回水溫度為7、12℃，冬季供、回水溫度為50、45℃；當(dāng)室外溫度低于10℃時(shí)開始供熱，室外溫度高于25℃開始供冷[9]。
    根據(jù)以上設(shè)定，當(dāng)部分負(fù)荷率在25%以下時(shí)，土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)按25%負(fù)荷的性能系數(shù)計(jì)算耗電量。當(dāng)部分負(fù)荷率分別為25%～50%、50%～75%、75%～100%時(shí)，采用插值法計(jì)算土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)的性能系數(shù)，從而計(jì)算耗電量。土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)在不同負(fù)荷率下的性能系數(shù)由文獻(xiàn)[8]及廠商提供的樣本查得，具體見表5。
表5 土壤源熱泵機(jī)組、電制冷空調(diào)在不同負(fù)荷率下的性能系數(shù)
部分負(fù)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(jì)算
    正常運(yùn)行模式、防凍運(yùn)行模式下各方案土壤源熱泵、電制冷空調(diào)的耗電量計(jì)算結(jié)果見表6、7。
表6 正常運(yùn)行模式下各方案土壤源熱泵、電制冷空調(diào)的耗電量計(jì)算結(jié)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(yùn)行模式下各方案土壤源熱泵的耗電量計(jì)算結(jié)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(jì)算出，土壤源熱泵年耗電量為36779kW·h/a。根據(jù)水泵等輔助設(shè)備的電功率及運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算得到水泵等輔助設(shè)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(jì)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(shè)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(diào)機(jī)及柜式空調(diào)機(jī)只在夏季運(yùn)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(diào)機(jī)及柜式空調(diào)機(jī)的耗電量，冬季按供熱面積計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用(熱費(fèi))。經(jīng)計(jì)算可得，方案3的年耗電量為6398kW·h/a。
5 經(jīng)濟(jì)性分析
    電價(jià)按0.49元/(kW·h)計(jì)算，水價(jià)按3.9元/m3計(jì)算，熱價(jià)按26元/m2計(jì)算。3種方案的年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果見表8。由表8可知，在3種方案中，方案2的年運(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)用
方案
年耗電量/(kW·h·a-1)
年耗水量/(t·a-1)
年熱費(fèi)/(元·a-1)
年運(yùn)行費(fèi)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
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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(shè)學(xué)院 天津 300384；2.中國建筑設(shè)計(jì)研究院 北京 100044)