制冷季黃浦江水溫變化及水源熱泵機組能耗分析

法正皓

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

制冷季黃浦江水溫變化及水源熱泵機組能耗分析

法正皓

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

利用實際工程項目獲取的室外氣象參數及黃浦江水溫數據，分析上海地區制冷季室外溫度與江水溫度的變化，并通過逐日數據計算分析比較了江水源熱泵機組與常規冷源機組的能耗，結論顯示在制冷季中江水源熱泵機組有一定的節能優勢，但節能效果并不顯著。

黃浦江；江水水溫；江水源熱泵；制冷能耗分析

0 引言

近年來利用地表水源熱泵技術越來越多的應用于建筑領域，作為上海母親河的黃浦江水資源被有效合理地利用到了江水源熱泵技術中，并受到了普遍的關注。已建成項目中有上海十六鋪工程[1]、上海世博園區[2]、上海國際客運中心項目[3]等都是利用黃浦江水資源作為空調熱泵機組的冷熱源。

工程設計中在選擇冷熱源系統時經常涉及到江水源熱泵系統與常規冷熱源（冷水機組，燃氣鍋爐）系統的方案比較。在對兩者夏季能耗分析時，機組的制冷性能系數（COP）是計算衡量能耗的重要參數，對該項參數的選取主要以不同的機組冷凝溫度作為依據，但實際設計中常選用整個制冷季中某一典型冷凝溫度作為設計依據，例如上海地區常選取30℃及32℃作為江水源熱泵機組和常規冷水機組的冷凝溫度。因室外氣象參數不斷變化，使用固定的冷凝溫度無法較為準確的反應出整個制冷季的實際運行工況，會對能耗分析結論造成過大的偏差。本文將利用實際工程中獲取的室外氣象參數確定機組制冷性能系數，從而計算得到較為準確的機組制冷能耗比較。

1 制冷季黃浦江水溫與室外溫度分析

為充分合理的利用江水源熱泵技術，近年來對黃浦江水文資料的研究也不斷進步，總體上講黃浦江水質經過適當的水處理過程基本滿足工程中江水源熱泵機組的要求。這里以位于黃浦江浦西側北外灘區域某項目為例進行分析。該項目沿黃浦江岸線有780m，建筑面積52萬m2，用地緊鄰黃浦江岸，對設置江水源熱泵有優越的天然條件，取水口設置于枯水期水位下0.5m，底邊高出江底2.2m。

水溫是影響機組制冷性能系數及系統節能性的關鍵參數，下文將根據該項目工程2014年實測江水及室外溫度為基礎分析空調系統制冷季期間江水及室外氣溫的變化。

1.1 江水溫度逐月變化

表1為黃浦公園水文站1959-1993年歷年、松浦大橋監測站2003年及該工程實測2014年制冷季各月平均水溫。

表1 不同年份制冷季各月平均水溫℃

由表中數據可看出，黃浦江常年各月平均水溫處于相對穩定狀態，最高月平均水溫均出現在8月份。

1.2 江水溫度與室外氣溫逐日變化

圖1為2014年制冷季每日6：00-22：00江水水溫與室外干球日平均溫度數據，如圖所示，制冷季日平均水溫最高值為30.4℃，發生于8月7日，日平均室外干球溫度最高值為32.1℃，發生于7月23日。由于水的容積熱容量大于空氣，導致江水水溫雖隨著室外氣溫的升高而升高，相對于氣溫變化存在一定的延遲滯后·，因此8月份有17天江水溫度高于室外干球溫度，整個184天制冷季中有72天江水水溫高于室外氣溫。但兩者溫差較小。

1.3 江水溫度與冷卻塔出水溫度逐日變化

冷卻塔作為常規空調系統冷卻設備，其主要參數冷卻水出水溫度與室外濕球溫度、風速、填料、塔型等因素相關，在實際工程計算中可設定冷卻水出水溫度與室外濕球溫度溫差為定值，目前市場上應用于空調系統的開式冷卻塔冷卻水出水溫度與室外濕球溫度的逼近度為3~5℃，通常工程設計計算時取4℃，下文以室外濕球溫度加4℃作為冷卻水出水溫度與江水溫度進行比較分析。

圖1 制冷季日平均江水水溫與室外干球溫度

圖2制冷季日平均江水水溫與冷卻塔出水溫度

圖2 反映了上海市制冷季日平均江水水溫與冷卻塔出水溫度的關系，其中室外濕球溫度是現場實測所得。由該圖可知，在整個制冷季大多時間里江水溫度低于冷卻塔出水溫度，僅46天江水溫度高于冷卻塔出水溫度，占制冷季的25%。在制冷負荷最為集中的7、8兩個月中79%時間內江水溫度均低于冷卻塔出水溫度，其余時間兩者溫度也只有小于1℃的溫差。因此在制冷季期間由于江水源熱泵機組冷凝溫度較低帶來機組制冷性能系數的提高，可實現空調系統能耗的減少。

2 江水源熱泵機組與常規冷源機組能耗分析比較

2.1 建筑制冷季日負荷分布

為較為準確的計算機組制冷季能耗量，需得到目標建筑制冷季逐日冷負荷值，利用H D Y-SN AD空調負荷計算機分析軟件得出該項目制冷季逐日建筑冷負荷分布。

圖3 制冷季逐日冷負荷分布

圖4 冷水（熱泵）機組COP隨冷凝溫度變化曲線

該項目空調區域主要有地上辦公樓及地下一層商業服務等，由負荷分布圖中可看出制冷季逐日負荷分布規律與室外溫度變化規律相關，主要冷負荷變化均由不同室外溫度引起的建筑圍護負荷及新風負荷的變化導致。由逐時計算結果得出該項目制冷季最大日制冷負荷為573.8×103kW h，總制冷量為38703×

103kW h。

2.2 冷水（熱泵）機組制冷性能系數與冷凝溫度關系

工程中計算機組電量能耗時通常使用制冷性能系數與制冷量進行計算得出，已有文獻[4-6]研究指出，冷水（熱泵）機組在不同的冷凝溫度下制冷性能系數是變化的，低于標準工況冷凝溫度時機組制冷性能系數將提高，為了得到更準確的機組能耗數據，應使用不同冷凝溫度下機組制冷性能系數計算機組的能耗量。

根據該項目熱泵機組配置，通過設備廠家選型軟件計算得出不同負荷率下機組制冷性能系數與冷凝溫度的關系，由此可看出機組COP值隨冷凝溫度的降低近似呈線性關系增大，并且機組在70%-100%負荷率范圍內COP值相差不大。下文選取機組90%負荷率下COP值與冷凝溫度相關數據，擬合為以下公式:

式中COPe—機組設計工況制冷性能系數；

tl—機組冷凝溫度，℃。

2.3 江水源熱泵機組與常規冷源機組能耗比較

通過以上分析結果，利用制冷季逐日冷負荷量及逐日機組制冷性能系數計算得出兩種主機形式電量能耗值，見表2。

表2 制冷季機組運行能耗統計×103kW h

由計算數據得出制冷季各月江水源熱泵機組能耗在5-9月份均低于常規冷水機組，僅10月份因水溫變化的延遲性，冷凝溫度略高于冷卻塔出水溫度，整個制冷季江水源熱泵機組總能耗低于常規冷水機組3%，證明江水源熱泵技術在機組能耗上是具有一定的節能效果的。但是若簡單采用兩種不同典型冷凝溫度工況下對應的機組COP值來計算能耗比值，會過分放大節能效果，對空調系統總能耗及投資回收期分析產生較大偏差。

2.4 結果分析

以上分析是基于江水直接進入機組冷凝器，實際運行時江水中各種雜質無法完全去除，造成機組冷凝器污垢系數增大，影響換熱效率，使江水源熱泵機組COP下降，機組運行能耗要高于計算值，因此會減弱節能效果。

有實際工程中因水質及水處理工藝等原因江水未直接進入熱泵機組冷凝器，而是通過換熱器間接冷卻機組冷凝器，因此熱泵機組冷凝溫度要高于江水溫度，造成機組COP值下降。以上文機組參數計算江水換熱溫差2℃時江水源熱泵機組制冷季總能耗反而高于常規冷水機組2%，同時增加一級循環水泵使空調系統總能耗增高。

建筑空調系統包含冷熱源主機、末端空調設備、冷熱水、冷卻水輸送設備及水處理等相關附件，不同方案系統能耗比較時需要對比空調系統總能耗差值。針對不同項目情況尤其需要考慮冷卻水水質對機組COP的影響及冷卻水側輸送和水處理能耗，最終綜合比較不同方案合理性與經濟性。

3 結論

（1）根據水文資料顯示黃浦江水通過適當的水處理后可作為江水源熱泵機組的冷熱源，其水溫在75%的制冷時間內低于常規冷卻塔出水溫度；

（2）利用建筑制冷季逐日冷負荷值及相應不同冷凝溫度下機組COP值計算分析，得出的機組能耗節能效率更為準確；

（3）空調系統能耗分析時需考慮冷卻水水質對機組COP的影響及冷卻水側輸送和水處理能耗，綜合比較系統合理性及經濟性；

（4）上海地區僅用于夏季供冷的江水源制冷機組節能效果不明顯，江水間接冷卻工況下能耗反高于常規冷水機組。

4 結語

以上分析結論雖得出制冷工況下江水源熱泵機組相較于常規冷水機組在節能效果上無明顯優勢，但江水源熱泵系統通常會同時作為供熱季熱源全年使用，因此江水源熱泵系統的節能性需結合冬季制熱工況能耗分析綜合比較來確定。

[1]朱金鳴，項弸中.江水源熱泵在上海十六鋪工程中的應用[J].暖通空調，2007，37（2）：88-93.

[2]張文宇，龍惟定.上海市世博園地表水地源熱泵的應用及環境影響分析[J].暖通空調，2007，37（2）：38-41.

[3]朱學錦，趙霖，沈彬彬.上海港國際客運中心空調設計[J].暖通空調，2008，38（6）：42-45.

[4]曹曉慶，鄭潔，李菊.江水源熱泵在上海地區應用的可行性分析[J].制冷與空調，2009，9（1）：32-35.

[5]T.T.Chow.Applying district-cooling technology in H ong K ong[J]. A pplied Energy，2004，79（3）：275-289.

[6]李蘇瀧，鄒娜.空調冷卻水變流量控制方法研究[J].暖通空調，2005，35（12）：51-54.

River-water Temperature Analysis and Energy Consumption Analysis of the Huangpu River River-water Source Heat Pump in Cooling Season

FA Zheng-hao
（Shanghai Architectural Design&Research（Co.Ltd），Shanghai 200041，China）

The tem perature change ofthe outdoor air and the river waterin cooling season in Shanghaiis analyzed. The energy consum ption com parison between the river-water source heatpum p and the conventional cold source unit is carried outusing daily data.R iver-watersource heatpum p has its advantage butnotsignificantin energy saving design in cooling season.

huangpu river；river water tem perature；river-w ater source heat pum p；cooling energy consum ption com parison

TU 831

B

2095-3429（2017）02-0088-04

2017-03-31

修回日期:2017-04-17

法正皓（1984-），男，山東泰安人，碩士，工程師，從事暖通設計工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.021