低温空气源热泵_冷水_机组的IPLV_H_评价方法研究.kdh

9第29卷第6期2008年2月Vol.29,No.6December.2008低温空气源热泵(冷水)机组的IPLV(H)评价方法研究文章编号：0253-4339(2008)06-0009-06低温空气源热泵(冷水)机组的IPLV(H)评价方法研究王嘉1谢峤2石文星1张乐平2(1清华大学建筑学院北京100084；2同方人工环境有限公司北京100084)摘要针对低环境温度空气源热泵(冷水)机组(简称低温空气源热泵)标准制定中的制热综合部分负荷性能系数IPLV(H)的评价方法进行了研究。以IPLV的评价思想为指导，根据我国北方寒冷地区的气候条件与建筑热负荷特性，从IPLV(H)计算公式权重系数的确定、部分负荷率测试工况点的选取及制热性能系数COPh的测试方法三个方面进行探讨，提出了适用于寒冷地区计算空气源热泵的IPLV(H)计算公式：IPLV(H)=0.083×A+0.403×B+0.386×C+0.129×D，并给出了机组在100%、75%、50%和25%负荷率下COPh的测试工况和测试方案，为商用和户用低温热泵(冷水)机组的标准制定提供参考。关键词热工学；制热综合部分负荷性能系数IPLV(H)；低温空气源热泵标准；制热性能系数COPh中图分类号：TB657;TU831.4文献标识码：AResearchonIPLV(H)forLowTemperatureAirSourceHeatPump(WaterChilling)PackagesWangJia1XieQiao2ShiWenxing1ZhangLeping2(1.SchoolofArchitecture,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China;2.TongfangArtificialEnvironmentCo.Ltd,Beijing,100084,China)AbstractTheevaluationmethodofheatingintegratedpartloadvalue(IPLV(H))inthestandardonlowtemperatureairsourceheatpumpwaterchillingpackageswasinvestigatedtodetermineweightcoefficientsintheIPLV(H)equation,thetestconditionofthepartloadratio,andthetestmethodofheatingCOP(COPh)ineachloadratioaccordingtothemeteorologicaldataandbuildingloadinthecoldarea.ItconcludesthattheIPLV(H)equationforthecoldareainNorthChinacanbeIPLV(H)=0.083×A+0.403×B+0.386×C+0.129×D.Inaddition,thetestconditionsandmethodsin100%,75%,50%and25%loadratiowerepresented.KeywordsPyrology;HeatingIntegratedPartLoadValue(IPLV(H));StandardonLowTemperatureAirCourceHeatPump;HeatingCOP(COPh)在供冷、供热季的大部分时间内，建筑物的实际冷、热负荷小于设计工况，故所配备的空调热泵系统也多数时间在部分负荷率下运行。为鼓励企业优化变容量技术，提高空调机组的部分负荷性能，加快节能减排的步伐，国际上众多产品标准和建筑节能标准中使用综合部分负荷性能系数IPLV(IntegratedPartLoadValue)来评价冷水机组的季节运行性能[1]。IPLV的概念最早由美国空调制冷学会(ARI)提出。在ARI550/590-92标准中规定了IPLV的计算公式，并在ARI550/590-98标准[2]中给予了修正。IPLV的计算公式定义为：IPLV=a×A+b×B+c×C+d×D(1)其中，A、B、C、D分别表示机组在负荷率BLR(表示机组的实际制冷/热量与名义制冷/热量之比)分别为100%、75%、50%和25%时的性能系数COP，a、b、c、d分别表示各COP所对应的权重系数，对应于机组在各负荷率下运行的总供冷(热)量的比例。IPLV与SEER的区别及联系可参考文献[3]。为区分制冷与制热运行工况，分别以IPLV(C)和IPLV(H)表示机组制冷与制热的综合部分负荷性能系数。我国在GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》[4]中定义了适用于本国气候与建筑特点的IPLV(C)计算公式，并被新修订的GB/T18430.1《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组》标准[5]引用。近基金项目：国家自然科学基金资助项目(50676042)(TheprojectwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(50676042).)收稿日期：2008年6月25日第29卷第6期2008年2月制冷学报0JournalofRefrigerationVol.29,No.6December.2008年来，低环境温度空气源热泵机组(简称：低温空气源热泵)机组产品已逐渐成为我国北方寒冷地区重要的供热设备。由于低温热泵兼顾制冷、制热，而且制热是其主要功能，故考察机组的季节运行性能时，不仅需按GB50189标准评价IPLV(C)，而且还需评价其IPLV(H)。在国内的相关标准中，只有GB/T18837-2002《多联式空调(热泵)机组》[6]采用了IPLV(H)评价指标，但考虑到产品类型与适用范围的差异不宜直接引用，故尚需根据IPLV的评价思想，对低温空气源热泵标准中的IPLV(H)评价方法等问题进行研究。1IPLV的评价思想文献[5]对冷水机组的IPLV给出了明确定义：“指用一个单一数值表示的空气调节用冷水机组的部分负荷效率指标”。它是通过对有限个典型负荷率以及运行工况条件下机组的实测性能系数和运行在该负荷率下的时间分布推导出的，用以评价单台机组在供冷季或供热季的综合运行性能。目前，各国对冷水机组的IPLV(C)已有比较成熟的研究成果[3,7~11]，其中ARI标准具有代表性，体现了IPLV的评价思想。其过程包括以下几个主要部分(参见图1)，这将在研究低温热泵IPLV(H)过程中借鉴、参考。1.1确定各温频段耗冷量分布根据ASHRAE温频法思想，考察参考地域位于第j温频段的供冷小时数nj(如图1(a))；其标准建筑在第j温频段的冷负荷BLj与设计负荷DL、负荷率BLRj(如图1(b))的关系为：BLj=DL.BLRj(2)在整个供冷季的第j温频段中，冷水机组需向建筑提供的冷量为：Фj=BLj.nj=DL.BLRj.nj(3)因此，供冷量与设计负荷之比为：Фj/DL=BLRj.nj(4)各温频段的Фj/DL计算结果如图1(c)，由此可以得到建筑在各温频段的供冷量的分布情况。1.2确定各负荷率下性能系数的测试工况和权重系数由式(1)，选择BLR=100%、75%、50%和25%四个负荷率及其工况条件对机组的制冷性能系数COPc进行测量，以代表满负荷率、高负荷率、低负荷率和最低负荷率区间内的平均COPc，并进一步考察运行于这4个区间下的制冷量分布，从而获得式(1)中各负荷率下性能系数A、B、C、D的权重系数a、b、c、d。根据典型建筑的4个负荷率对应的室外温度温频段的关系，划分这4个区间对应的温频段分布，频段数的选取存在人为规定的因素。则最终权重系数a、b、c、d的取值方法如下：(a)各温频段的供冷小时数分布(b)各温频段的建筑冷负荷率分布(c)各温频段的供冷量分布图ARI标准中IPLV(C)推导过程Fig.ThederivationprocessofIPLV(C)inARIstandard第29卷第6期2008年2月Vol.29,No.6December.2008低温空气源热泵(冷水)机组的IPLV(H)评价方法研究(5)式中，j=1~k1、j=k1+1~k2、j=k2+1~k3、j=k3+1~k∞分别表示4种负荷率所对应的温频段；j=1~k∞表示全部温频段，由式(5)可知：a+b+c+d=1(6)ARI标准中的温频段划分方式如图1(c)所示。确定a、b、c、d所对应的温频段后，还需确定各负荷率的测试工况。对于风冷机组，即需确定各负荷率下代表性的室外空气温度；对于水冷机组而言，由于冷却水入口温度与室外干、湿球温度的相关性极强，所以还需采用统计的方法，研究各负荷率条件下所对应的冷却水温度分布。1.3计算冷水(热泵)机组的IPLV(C)当规定4个负荷率的测试工况后，对冷水机组的性能系数A、B、C、D进行测定，利用所得到的权重系数a、b、c、d即可根据式(1)计算出机组的IPLV(C)，以此比较各种机组季节运行性能的优劣。从IPLV的评价思想可以看出：确立低温空气源热泵机组的IPLV(H)评价方法需要从室外气象条件、典型建筑的热负荷分布和供热方式(连续或间歇)出发，研究三个问题：1)权重系数a、b、c、d的取值；2)确定机组在100%、75%、50%和25%负荷率时的测试工况；3)提出各负荷率下机组制热性能系数COPh的测试方法。下面将分别进行探讨。2IPLV(H)权重系数的取值分析2.1寒冷地区典型建筑的热负荷特性分析借鉴现有国内外标准对负荷线的定义方法，可以认为在室内均匀发热的条件下，建筑室内负荷与室外温度呈线性关系(由于冬季室内外温差大、热流单向流动，所以供热采用稳态、线性的计算方法相比供冷更为合理)。故只要给定负荷线上的两个点即可确定出典型建筑的负荷线，这两个点选取低温空气源热泵的名义制热工况点(即以机组的满负荷点作为设备选型的设计点)和供热0负荷点。文献[12]通过对低温热泵应用地区的主要城市气象参数进行统计分析，给出了名义制热工况的空气侧参数：干/湿球温度=-12/-13.5℃，因此认为外温-12℃时的建筑负荷为设计负荷点(相当于低温空气源热泵的名义制热量)。文献[13]探讨了建筑供热0负荷点的室外温度取值。研究表明，典型建筑对冷、热量的需求可以采用自然室温(当建筑中没有采暖、空调系统运行时，在室外气象条件和室内发热量的联合作用下所形成的室内空气温度)是否在室内舒适温度范围作为判据；中国人满意的室内舒适温度范围是18~26℃[13]。考虑到低温空气源热泵多数情况应用于普通公共建筑，故以此类建筑为对象进行动态负荷模拟，考察需要开始供热的室外日平均温度。计算结果表明：寒冷地区普通公建开始需要制热的最高室外日平均气温约为10℃，为保证供热安全，认为在室外日平均气温为10℃以下的时期内，逐时外温为12℃时开始供热(即13℃为制热0负荷点)。通过考察寒冷地区主要城市在法定供热季的典型气象年逐时参数[14]，统计出不高于13℃的小时数所占比例如表1所示。可见绝大多数城市的供热季中高于13℃的小时数比例不足4%，说明采用13℃为供热0负荷点具有普适性，可扩展至各类民用建筑。图2各温频段的建筑热负荷率分布Fig.2Thedistributionofbuildingheatingloadineachtemperaturefrequency确定了建筑设计负荷点和0负荷点的室外温度后即可得到建筑负荷线。按照我国习惯，以2℃为间隔划分温频进行数据整理(文献[15]论述了开始供热的室外温度在10℃以上时，采用2℃间隔已足够满足计算精度要求)，可得到各温频段室外温度对应的建筑负荷率关系，如图2所示，其中tj频段表示tj-1≤tjtj+1的温度区间。第29卷第6期2008年2月制冷学报2JournalofRefrigerationVol.29,No.6December.2008表1寒冷地区主要城市供热季中≤℃的小时数比例Tab.Thepercentageofhoursnotm