制冷季黄浦江水温变化及水源热泵机组能耗分析

法正皓

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

制冷季黄浦江水温变化及水源热泵机组能耗分析

法正皓

（上海建筑设计研究院有限公司，上海200041）

利用实际工程项目获取的室外气象参数及黄浦江水温数据，分析上海地区制冷季室外温度与江水温度的变化，并通过逐日数据计算分析比较了江水源热泵机组与常规冷源机组的能耗，结论显示在制冷季中江水源热泵机组有一定的节能优势，但节能效果并不显著。

黄浦江；江水水温；江水源热泵；制冷能耗分析

0 引言

近年来利用地表水源热泵技术越来越多的应用于建筑领域，作为上海母亲河的黄浦江水资源被有效合理地利用到了江水源热泵技术中，并受到了普遍的关注。已建成项目中有上海十六铺工程[1]、上海世博园区[2]、上海国际客运中心项目[3]等都是利用黄浦江水资源作为空调热泵机组的冷热源。

工程设计中在选择冷热源系统时经常涉及到江水源热泵系统与常规冷热源（冷水机组，燃气锅炉）系统的方案比较。在对两者夏季能耗分析时，机组的制冷性能系数（COP）是计算衡量能耗的重要参数，对该项参数的选取主要以不同的机组冷凝温度作为依据，但实际设计中常选用整个制冷季中某一典型冷凝温度作为设计依据，例如上海地区常选取30℃及32℃作为江水源热泵机组和常规冷水机组的冷凝温度。因室外气象参数不断变化，使用固定的冷凝温度无法较为准确的反应出整个制冷季的实际运行工况，会对能耗分析结论造成过大的偏差。本文将利用实际工程中获取的室外气象参数确定机组制冷性能系数，从而计算得到较为准确的机组制冷能耗比较。

1 制冷季黄浦江水温与室外温度分析

为充分合理的利用江水源热泵技术，近年来对黄浦江水文资料的研究也不断进步，总体上讲黄浦江水质经过适当的水处理过程基本满足工程中江水源热泵机组的要求。这里以位于黄浦江浦西侧北外滩区域某项目为例进行分析。该项目沿黄浦江岸线有780m，建筑面积52万m2，用地紧邻黄浦江岸，对设置江水源热泵有优越的天然条件，取水口设置于枯水期水位下0.5m，底边高出江底2.2m。

水温是影响机组制冷性能系数及系统节能性的关键参数，下文将根据该项目工程2014年实测江水及室外温度为基础分析空调系统制冷季期间江水及室外气温的变化。

1.1 江水温度逐月变化

表1为黄浦公园水文站1959-1993年历年、松浦大桥监测站2003年及该工程实测2014年制冷季各月平均水温。

表1 不同年份制冷季各月平均水温℃

由表中数据可看出，黄浦江常年各月平均水温处于相对稳定状态，最高月平均水温均出现在8月份。

1.2 江水温度与室外气温逐日变化

图1为2014年制冷季每日6：00-22：00江水水温与室外干球日平均温度数据，如图所示，制冷季日平均水温最高值为30.4℃，发生于8月7日，日平均室外干球温度最高值为32.1℃，发生于7月23日。由于水的容积热容量大于空气，导致江水水温虽随着室外气温的升高而升高，相对于气温变化存在一定的延迟滞后·，因此8月份有17天江水温度高于室外干球温度，整个184天制冷季中有72天江水水温高于室外气温。但两者温差较小。

1.3 江水温度与冷却塔出水温度逐日变化

冷却塔作为常规空调系统冷却设备，其主要参数冷却水出水温度与室外湿球温度、风速、填料、塔型等因素相关，在实际工程计算中可设定冷却水出水温度与室外湿球温度温差为定值，目前市场上应用于空调系统的开式冷却塔冷却水出水温度与室外湿球温度的逼近度为3~5℃，通常工程设计计算时取4℃，下文以室外湿球温度加4℃作为冷却水出水温度与江水温度进行比较分析。

图1 制冷季日平均江水水温与室外干球温度

图2制冷季日平均江水水温与冷却塔出水温度

图2 反映了上海市制冷季日平均江水水温与冷却塔出水温度的关系，其中室外湿球温度是现场实测所得。由该图可知，在整个制冷季大多时间里江水温度低于冷却塔出水温度，仅46天江水温度高于冷却塔出水温度，占制冷季的25%。在制冷负荷最为集中的7、8两个月中79%时间内江水温度均低于冷却塔出水温度，其余时间两者温度也只有小于1℃的温差。因此在制冷季期间由于江水源热泵机组冷凝温度较低带来机组制冷性能系数的提高，可实现空调系统能耗的减少。

2 江水源热泵机组与常规冷源机组能耗分析比较

2.1 建筑制冷季日负荷分布

为较为准确的计算机组制冷季能耗量，需得到目标建筑制冷季逐日冷负荷值，利用H D Y-SN AD空调负荷计算机分析软件得出该项目制冷季逐日建筑冷负荷分布。

图3 制冷季逐日冷负荷分布

图4 冷水（热泵）机组COP随冷凝温度变化曲线

该项目空调区域主要有地上办公楼及地下一层商业服务等，由负荷分布图中可看出制冷季逐日负荷分布规律与室外温度变化规律相关，主要冷负荷变化均由不同室外温度引起的建筑围护负荷及新风负荷的变化导致。由逐时计算结果得出该项目制冷季最大日制冷负荷为573.8×103kW h，总制冷量为38703×

103kW h。

2.2 冷水（热泵）机组制冷性能系数与冷凝温度关系

工程中计算机组电量能耗时通常使用制冷性能系数与制冷量进行计算得出，已有文献[4-6]研究指出，冷水（热泵）机组在不同的冷凝温度下制冷性能系数是变化的，低于标准工况冷凝温度时机组制冷性能系数将提高，为了得到更准确的机组能耗数据，应使用不同冷凝温度下机组制冷性能系数计算机组的能耗量。

根据该项目热泵机组配置，通过设备厂家选型软件计算得出不同负荷率下机组制冷性能系数与冷凝温度的关系，由此可看出机组COP值随冷凝温度的降低近似呈线性关系增大，并且机组在70%-100%负荷率范围内COP值相差不大。下文选取机组90%负荷率下COP值与冷凝温度相关数据，拟合为以下公式:

式中COPe—机组设计工况制冷性能系数；

tl—机组冷凝温度，℃。

2.3 江水源热泵机组与常规冷源机组能耗比较

通过以上分析结果，利用制冷季逐日冷负荷量及逐日机组制冷性能系数计算得出两种主机形式电量能耗值，见表2。

表2 制冷季机组运行能耗统计×103kW h

由计算数据得出制冷季各月江水源热泵机组能耗在5-9月份均低于常规冷水机组，仅10月份因水温变化的延迟性，冷凝温度略高于冷却塔出水温度，整个制冷季江水源热泵机组总能耗低于常规冷水机组3%，证明江水源热泵技术在机组能耗上是具有一定的节能效果的。但是若简单采用两种不同典型冷凝温度工况下对应的机组COP值来计算能耗比值，会过分放大节能效果，对空调系统总能耗及投资回收期分析产生较大偏差。

2.4 结果分析

以上分析是基于江水直接进入机组冷凝器，实际运行时江水中各种杂质无法完全去除，造成机组冷凝器污垢系数增大，影响换热效率，使江水源热泵机组COP下降，机组运行能耗要高于计算值，因此会减弱节能效果。

有实际工程中因水质及水处理工艺等原因江水未直接进入热泵机组冷凝器，而是通过换热器间接冷却机组冷凝器，因此热泵机组冷凝温度要高于江水温度，造成机组COP值下降。以上文机组参数计算江水换热温差2℃时江水源热泵机组制冷季总能耗反而高于常规冷水机组2%，同时增加一级循环水泵使空调系统总能耗增高。

建筑空调系统包含冷热源主机、末端空调设备、冷热水、冷却水输送设备及水处理等相关附件，不同方案系统能耗比较时需要对比空调系统总能耗差值。针对不同项目情况尤其需要考虑冷却水水质对机组COP的影响及冷却水侧输送和水处理能耗，最终综合比较不同方案合理性与经济性。

3 结论

（1）根据水文资料显示黄浦江水通过适当的水处理后可作为江水源热泵机组的冷热源，其水温在75%的制冷时间内低于常规冷却塔出水温度；

（2）利用建筑制冷季逐日冷负荷值及相应不同冷凝温度下机组COP值计算分析，得出的机组能耗节能效率更为准确；

（3）空调系统能耗分析时需考虑冷却水水质对机组COP的影响及冷却水侧输送和水处理能耗，综合比较系统合理性及经济性；

（4）上海地区仅用于夏季供冷的江水源制冷机组节能效果不明显，江水间接冷却工况下能耗反高于常规冷水机组。

4 结语

以上分析结论虽得出制冷工况下江水源热泵机组相较于常规冷水机组在节能效果上无明显优势，但江水源热泵系统通常会同时作为供热季热源全年使用，因此江水源热泵系统的节能性需结合冬季制热工况能耗分析综合比较来确定。

[1]朱金鸣，项弸中.江水源热泵在上海十六铺工程中的应用[J].暖通空调，2007，37（2）：88-93.

[2]张文宇，龙惟定.上海市世博园地表水地源热泵的应用及环境影响分析[J].暖通空调，2007，37（2）：38-41.

[3]朱学锦，赵霖，沈彬彬.上海港国际客运中心空调设计[J].暖通空调，2008，38（6）：42-45.

[4]曹晓庆，郑洁，李菊.江水源热泵在上海地区应用的可行性分析[J].制冷与空调，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]李苏泷，邹娜.空调冷却水变流量控制方法研究[J].暖通空调，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，山东泰安人，硕士，工程师，从事暖通设计工作。

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