毛细管辐射空调系统运行的经济性分析_经营管理

摘要

摘要：介绍了毛细管辐射空调系统概况。以天津地区某居住建筑为研究对象，采用BIN气象参数、部分负荷率下冷热源机组性能系数，对土壤源热泵+风机盘管、土壤源热泵+毛细管辐射空调

摘要：介绍了毛细管辐射空调系统概况。以天津地区某居住建筑为研究对象，采用BIN气象参数、部分负荷率下冷热源机组性能系数，对土壤源热泵+风机盘管、土壤源热泵+毛细管辐射空调系统、家用空调机+集中供热的经济性进行了比较，土壤源热泵+毛细管辐射空调系统的经济性最佳。

关键词：毛细管辐射空调系统；BIN气象参数；部分负荷；性能系数；经济性

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 毛细管辐射空调系统简介

基于溶液除湿的土壤源热泵毛细管辐射空调系统发展很快^[1～5]，系统流程见图1。采用温湿度独立处理原理控制室内热湿环境：向室内送入经溶液除湿新风机组处理后的干燥空气控制湿度和满足新风需求，采用独立的毛细管辐射空调系统消除显热控制室内温度，从而全面调节室内热湿环境。用土壤源热泵作为系统的冷源，采用地板送风口送入新风，吸收室内余热余湿的排风与新风进行全热交换。毛细管辐射空调系统由毛细管终端、独立新风系统、控制系统组成：

① 毛细管终端：由土壤源热泵机组通过地埋管换热器提取冷量后，供至毛细管终端，由毛细管终端向室内辐射供冷。

② 独立新风系统：室外新风首先经过回热装置吸收排风的冷量后被冷却，然后进入溶液除湿新机组，被降温除湿后通过地板送风口送入室内。回风通过回风系统排至回热装置对新风进行预处理后排至室外。

③ 控制系统：各房间温度可以单独设定、调节，湿度由新风系统控制在设计范围内。在各空调房间的毛细管终端设置露点开关，当检测到毛细管终端存在结露的可能时，自动关闭毛细管终端冷水管道的电动阀门，作为防结露保护。热泵机组自带温度控制系统，控制机组的供水温度在设计状态。

2 工程概况

① 围护结构

天津某居住建筑总建筑面积为3365m²，占地面积为620m²，为6层建筑，建筑总高度为19.2m。外墙采用外墙外保温技术，墙体结构由内到外依次为：180mm厚现浇混凝土(基层墙体)+聚氨酯防潮底漆+80mm厚聚氨酯保温层+20mm厚聚氨酯界面砂浆+20mm厚聚苯颗粒浆料找平层+抗聚砂浆复合网格布+20mm厚柔性腻子+外墙涂料。屋顶结构由内到外依次为：200mm厚钢筋混凝土屋面板+30mm厚轻集料混凝土找坡层+15mm厚水泥砂浆找平层+5mm厚防水层+70mm厚聚氨酯板+20mm保护层+20mm厚木板层。外窗：断热型铝合金窗框+LOW-E中空玻璃。

② 基础参数

天津地区供暖、空调室外计算参数见表1。根据ISO 7730室内热环境标准的相关规定，设定空调房间的室内计算参数见表2。夏季：毛细管终端供、回水温度为16、18℃，毛细管终端辐射面温度约20℃，室内温度为26℃时，单位建筑面积冷负荷取80W/m²。冬季：毛细管终端供、回水温度为32、28℃，毛细管终端辐射面温度约30℃，室内温度为20℃时，单位建筑面积热负荷为86W/m²。

表1 天津地区供暖、空调室外计算参数

冬季供暖室外计算干球温度/℃	-9
冬季通风室外计算干球温度/℃	-4
冬季空调室外计算干球温度/℃	-11
夏季空调室外计算干球温度/℃	33.4
夏季通风室外计算干球温度/℃	29.0
夏季空调室外计算湿球温度/℃	26.9
冬季室外计算相对湿度/%	53
夏季室外计算相对湿度/%	78
冬季室外平均风速/(m·s^-1)	3.1
夏季室外平均风速/(m·s^-1)	2.6

表2 空调房间的室内计算参数

空调房间	夏季			冬季
空调房间	温度/℃	相对湿度/%	气流平均速度/(m·s^-1)	温度/℃	相对湿度/%	气流平均速度/(m·s^-1)
卧室	26	40～60	≤0.25	20	40～60	≤0.15
起居室	26	40～60	≤0.25	20	40～60	≤0.15
卫生间	25	40～60	≤0.25	20	40～60	≤0.15
厨房	25	40～60	≤0.25	20	40～60	≤0.15

③ 冷热源方案

拟选冷热源方案为：①方案1，土壤源热泵+风机盘管。选用HLRSW100型土壤源热泵机组，制冷能力为100 kW，制热能力为116kW。②方案2，土壤源热泵+毛细管辐射空调系统，同样选用HLR-SW100型土壤源热泵机组。③方案3，电制冷壁挂式空调机+柜式空调机+集中供热，选用壁挂式空调机及柜式空调机各12台。壁挂式空调机制冷能力为3.5kW，柜式空调机制冷能力为5kW。

3 能耗分析方法及BIN气象参数

3.1 能耗分析方法

本文采用BIN法对空调系统的能耗进行计算^[6、7]。该方法根据计算地点室外空气比焓、含湿量、干湿球温度出现的年频率数(或季节频率数)及空调系统的全年运行工况，计算出不同室外空气状态下的供热量、供冷量、加湿量，然后累计计算出全年(或季节)能耗。

3.2 天津地区BIN气象参数

根据文献[8]导出天津市典型气象年逐时参数，以温差2℃作为一个温频段，得到天津地区BIN气象参数。由于该居住建筑主要使用时间是夜间，因此空调机组运行的时间分配如下：周一至周五：冬夏季18:00—8:00正常运行(正常运行模式)，冬季8:00—18:00进行低负荷防冻运行(防冻运行模式)；周六、周日：冬夏季全天正常运行(正常运行模式)。

① 正常运行模式

正常运行模式下BIN气象参数见表3。

表3 正常运行模式下BIN气象参数

室外温度/℃	时间/h	室外温度/℃	时间/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 防冻运行模式

设定室外温度低于5℃开启防冻运行模式，防冻运行模式下BIN气象参数见表4。

表4 防冻运行模式下BIN气象参数

室外温度/℃	-11	-9	-7	-5	-3	-1	1	3
时间/h	1	6	15	24	40	45	65	64

4 能耗分析模型及耗电量计算

4.1 能耗分析模型

在能耗分析中做以下3点设定：对于方案1，土壤源热泵机组、电制冷空调均采用部分负荷调节，部分负荷率分为25%、50%、75%、100%；土壤源热泵机组、电制冷空调夏季供、回水温度为7、12℃，冬季供、回水温度为50、45℃；当室外温度低于10℃时开始供热，室外温度高于25℃开始供冷^[9]。

根据以上设定，当部分负荷率在25%以下时，土壤源热泵机组、电制冷空调按25%负荷的性能系数计算耗电量。当部分负荷率分别为25%～50%、50%～75%、75%～100%时，采用插值法计算土壤源热泵机组、电制冷空调的性能系数，从而计算耗电量。土壤源热泵机组、电制冷空调在不同负荷率下的性能系数由文献[8]及厂商提供的样本查得，具体见表5。

表5 土壤源热泵机组、电制冷空调在不同负荷率下的性能系数

部分负荷率/%	方案1		方案2		方案3
部分负荷率/%	制冷工况	制热工况	制冷工况	制热工况	制冷工况
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 耗电量计算

正常运行模式、防冻运行模式下各方案土壤源热泵、电制冷空调的耗电量计算结果见表6、7。

表6 正常运行模式下各方案土壤源热泵、电制冷空调的耗电量计算结果

室外温度/℃	方案1 耗电量/(kW·h)	方案2 耗电量/(kW·h)	方案3 耗电量/(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 防冻运行模式下各方案土壤源热泵的耗电量计算结果

室外温度/℃	方案1 耗电量/(kW·h)	方案2 耗电量/(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可以计算出，土壤源热泵年耗电量为36779kW·h/a。根据水泵等辅助设备的电功率及运行时间，计算得到水泵等辅助设备的年耗电量为38204kW·h/a。方案1的年耗电量为74983kW

② 方案2

由表6、7可计算出，方案2的土壤源热泵年耗电量为30813kW·h/a，水泵等辅助设备的年耗电量为32007kW·h/a。方案2的年耗电量为62820kW·h/a。

③ 方案3

由于电制冷壁挂式空调机及柜式空调机只在夏季运行，冬季采用集中供热，因此方案3的耗电量只有壁挂式空调机及柜式空调机的耗电量，冬季按供热面积计算运行费用(热费)。经计算可得，方案3的年耗电量为6398kW·h/a。

5 经济性分析

电价按0.49元/(kW·h)计算，水价按3.9元/m³计算，热价按26元/m²计算。3种方案的年运行费用计算结果见表8。由表8可知，在3种方案中，方案2的年运行费用最低，分别为其他两种方案的85.4%、38.7%。

表8 3种方案的年运行费用

方案	年耗电量/(kW·h·a^-1)	年耗水量/(t·a^-1)	年热费/(元·a^-1)	年运行费用/(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

参考文献：

[1] 刘晓华，谢晓云，刘拴强，等.温湿度独立控制空调系统及其性能分析[J].中国建设信息供热制冷，2008，(7)：22-26.

[2] 李震，江亿，陈晓阳，等.溶液除湿空调及热湿独立处理空调系统[J].暖通空调，2003，(6)：26-33.

[3] 刘晓华，易晓勤，谢晓云，等.基于溶液除湿方式的温湿度独立控制空调系统性能分析[J].中国科技论文在线，2008，(7)：469-476.

[4] 田旭东，史敏，周建诚，等.温湿度独立控制空调系统中冷水设计温差的选取探讨[J].流体机械，2008，(12)：75-78.

[5] 施秀琴，杜珂，孙国勋，等.上海市生态住宅示范楼温湿度独立控制空调系统设计[J].暖通空调，2006，(10)：82-85.

[6] 龙惟定.用BIN参数作建筑物能耗分析[J].建筑技术通讯，1992，(2)：6-9.

[7] 苏芬仙，苏华.BIN法能耗计算中频数间隔分析及选用[J].低温建筑技术，2001，(3)：56-58.

[8] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑学院建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[9] 孙跃强，刘晓海，高贵，等.空调冷热源的选择与经济性分析[J].煤气与热力，2007，27(11)：83-86.

(本文作者：姚万祥¹ 张志刚¹ 赵树兴¹ 杜雪娜² 张建² 1.天津城市建设学院天津 300384；2.中国建筑设计研究院北京 100044)