重慶村鎮(zhèn)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)夜間性能實(shí)測(cè)分析

劉猛1，薛凱1，周宇2，李聰2

(1.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，綠色建筑與人居環(huán)境營(yíng)造國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，

國(guó)家級(jí)低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心，重慶 400045;

2. 重慶建工新農(nóng)村投資有限公司，重慶 402160)

摘要：針對(duì)重慶山地村鎮(zhèn)迫切的供暖需求，選取該地區(qū)典型村鎮(zhèn)搭建了空氣源熱泵供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分析了空氣源熱泵系統(tǒng)性能影響因素，并從供回水溫度、系統(tǒng)耗電量、供熱量、性能系數(shù)COP等角度對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的階段特性(啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行及全階段)進(jìn)行闡述，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在3個(gè)階段特點(diǎn)差異很大：?jiǎn)?dòng)階段初始溫度對(duì)COP影響較為明顯，除霜時(shí)系統(tǒng)性能下降25%；穩(wěn)定階段特性與初始溫度無(wú)關(guān)，室外條件較好時(shí)，降低設(shè)定溫度，COP提高明顯；總體來(lái)看，啟動(dòng)階段COP最高，全階段次之，穩(wěn)定階段COP最低。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)；空氣源熱泵；供暖；建筑節(jié)能

Received:2015-08-11

Foundation item：National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China During the “12 th Five-Year Plan” (No.2013BAJ11B05)

從“十二五”開(kāi)始，中國(guó)的能源政策從提高能效逐步轉(zhuǎn)向總量控制。從碳排放總量和能源供應(yīng)量的約束角度，中國(guó)建筑能耗總量應(yīng)該在2.93×108kJ以內(nèi)[1]。生理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冬季溫度較低時(shí)，死亡人數(shù)與氣溫之間存在明顯負(fù)相關(guān)性[2]。在南方地區(qū)，由于冬季室外空氣溫度、地下溫度都高于北方地區(qū)，所以非常適合作為各類分散式熱泵的供暖熱源[3-4]。到目前為止，熱泵技術(shù)已成為應(yīng)用于供暖領(lǐng)域最成功的技術(shù)之一[5]。空氣源熱泵由于不受水源和建筑地理?xiàng)l件的限制，冬夏共用，設(shè)備利用率高等特點(diǎn)[6]，發(fā)展越來(lái)越成熟。

根據(jù)逆卡諾循環(huán)制熱系數(shù)定義，當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時(shí)，制熱系數(shù)隨冷凝溫度升高而降低，當(dāng)冷凝溫度不變時(shí)，制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度升高而升高。對(duì)于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，環(huán)境溫度(空氣溫度)和蒸發(fā)溫度具有正相關(guān)性，熱水溫度和冷凝溫度具有正相關(guān)性，而針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的熱泵空調(diào)器在冬季結(jié)霜工況測(cè)試中，大約有1/3的供熱期受熱泵結(jié)霜的影響不能正常制熱[7]，山地城市中海拔會(huì)影響干球溫度，隨著海拔的升高使得熱泵性能變差[8]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于冷凝盤(pán)管來(lái)說(shuō)，當(dāng)盤(pán)管做成“L”型時(shí)可獲得更佳的換熱效果[9]，而垂直單回路的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致水箱內(nèi)出現(xiàn)了明顯的分層[10]；實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉浸式冷凝器的盤(pán)管布置有肋片時(shí)，在環(huán)境溫度為24 ℃、水溫為27 ℃時(shí)熱泵的性能系數(shù)COP(即在額定工況和規(guī)定條件下，熱泵制熱量與有效輸入功率之比)為2.4[11]；將熱泵熱水系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)結(jié)合實(shí)現(xiàn)多功能時(shí)，其制冷和制熱能效比平均可達(dá)3.5[12]；另外，空調(diào)熱泵的冷凝廢熱可以通過(guò)在壓縮機(jī)和冷凝器之間布置過(guò)熱換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)，為水箱容積和管道輸送策略提出了建議[13]。

重慶地區(qū)地處西南，山地特征明顯、居住較為分散，由于海拔及微氣候的影響，村鎮(zhèn)熱濕狀況與城區(qū)存在很大差距，利用空氣源熱泵供暖仍存在很多不確定性，分析熱泵在該地區(qū)的供暖性能變得尤其重要。

1氣象數(shù)據(jù)與供暖需求

通過(guò)微型氣象站采集空氣源熱泵運(yùn)行的環(huán)境條件，如圖1。

圖1　逐時(shí)氣象參數(shù)Fig.1　Hourly weather

選取該地區(qū)典型冬季連續(xù)一個(gè)月(2015-01-08—2015-02-08)的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知平均溫度為7.9 ℃，最高溫度達(dá)16.7 ℃，最低溫度達(dá)到2.2 ℃，平均相對(duì)濕度達(dá)到87%以上，天氣狀態(tài)好時(shí)，晝夜溫差較大，陰雨天時(shí)，晝夜溫差起伏不大。山地村鎮(zhèn)平均溫度比主城(10.2 ℃)低約2.3 ℃，供暖需求比城區(qū)更迫切。

空氣源熱泵供暖基本工作在夜間(晚上20:00—次日凌晨6:00)，為此對(duì)夜間運(yùn)行時(shí)間段氣象數(shù)據(jù)(如圖2)進(jìn)行分析。圖2反映了測(cè)試期間(2015-01-08—2015-02-08)白天與夜間的平均溫度及溫度波動(dòng)(最高溫與最低溫之差)對(duì)比情況，夜間日平均氣溫為7.6 ℃，略低于白天(8.3 ℃)，而從溫度波動(dòng)角度來(lái)看，夜間平均波動(dòng)為2.2 ℃，最大為4 ℃(晴天)，最小為0.7 ℃(陰雨天)，而白天溫度波動(dòng)為3.5 ℃，最大波動(dòng)達(dá)9.1 ℃，整體來(lái)看，夜間溫度要穩(wěn)定得多。

圖2　測(cè)試期間白天與夜間的平均溫度及溫度波動(dòng)Fig.2　Daytime and nighttime average temperature and temperature fluctuations during the

另一方面，重慶旅游人數(shù)逐年攀升，尤其是鄉(xiāng)村旅游，給人們生活水平帶來(lái)很大改善，如圖3。同時(shí),隨著道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，大大推動(dòng)了重慶地區(qū)旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而,該地區(qū)冬季潮濕陰冷的狀況依然很普遍，旅游住宿、熱水使用等方面，游客抱怨時(shí)有發(fā)生，給旅游產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)一定阻力。此外，現(xiàn)有供暖設(shè)施落后，主要以電暖器、柴薪、煤球?yàn)橹鱗14]，使得一方面需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)得不到滿足，另一方面這些較為原始的供暖方式污染嚴(yán)重，給人體健康帶來(lái)潛在危害。

圖3　重慶農(nóng)村發(fā)展現(xiàn)狀Fig.3　Countryside development status in

基于該地區(qū)嚴(yán)峻的供暖現(xiàn)狀，通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)際測(cè)試了空氣源熱泵在該地區(qū)的運(yùn)行特點(diǎn)，分析空氣源熱泵運(yùn)行性能的影響因素。

2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于重慶市某山地村鎮(zhèn)，建筑類型為一典型2層建筑，實(shí)驗(yàn)房間為該農(nóng)家樂(lè)2層一間臥室，面積為18.24 m2，朝向?yàn)槲鳎?面內(nèi)墻，3面外墻，鄰室和樓下房間均不供暖，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。選取的毛細(xì)管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為1.2 m×3.8 m，共選擇4片相同規(guī)格的毛細(xì)管網(wǎng)鋪設(shè)在地板下面。圖4為建筑2層平面圖。

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4　建筑2層平面圖Fig.4　Building plan of

圖5為空氣源熱泵供熱系統(tǒng)圖，供暖系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵主機(jī)、熱泵內(nèi)機(jī)、緩沖水箱以及毛細(xì)管輻射采暖末端。

測(cè)試中系統(tǒng)參數(shù)、主要儀器、測(cè)點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

圖5　空氣源熱泵供熱系統(tǒng)圖Fig.5　Air-source heat pump system of

冷媒電源制熱能力/W制冷能力/W制熱輸入功率/W制冷輸入功率/WR410A220-240V/50Hz/1PH3400~98002600~80001050~28101100~3500制熱能效比制冷能效比壓縮機(jī)類型壓縮機(jī)數(shù)量/臺(tái)風(fēng)扇類型風(fēng)扇數(shù)量2.6~4.52.3~3.2雙轉(zhuǎn)子1軸流1風(fēng)扇風(fēng)量/(m3·h-1)風(fēng)扇輸入功率/W空氣側(cè)換熱器類型空氣側(cè)換熱器管徑/mm空氣側(cè)換熱器表面積/m2水側(cè)換熱器類型2800160內(nèi)螺紋銅管-親水鋁片9.5250.705高效率殼管式換熱器水側(cè)換熱器水壓降/kPa水側(cè)換熱器連管/mm水側(cè)換熱器額定水流量/(m3·h-1)水泵全揚(yáng)程/m水泵最大流量/(m3·h-1)水泵輸入功率/W6019.051.77.86151

表3　主要儀器、測(cè)點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先用水銀溫度計(jì)對(duì)各個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)試時(shí)間在2015年1月至2015年2月。測(cè)試方案如表4。

表4　測(cè)試方案表

采用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄，時(shí)間間隔為15 min，測(cè)試參數(shù)主要包括供回水溫度、流量、供熱量、耗電量、室外溫濕度、水箱溫度等。

3數(shù)據(jù)分析

空氣源熱泵夜間供暖的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，按照供水溫度是否達(dá)到設(shè)定溫度將其分為啟動(dòng)階段與穩(wěn)定運(yùn)行階段?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)性能分析主要包括系統(tǒng)供回水溫度、系統(tǒng)耗電量、供熱量以及系統(tǒng)COP等的分析。

3.1　啟動(dòng)階段

由氣象數(shù)據(jù)可知，重慶地區(qū)冬季夜間熱泵運(yùn)行平均溫度約為7.9 ℃，空氣源熱泵大部分運(yùn)行在5~10 ℃的環(huán)境下，為此，統(tǒng)計(jì)室外溫度在此范圍內(nèi)系統(tǒng)啟動(dòng)階段情況，如圖6~8，初始溫度為10、20、30 ℃，設(shè)定溫度分別為35、40、45 ℃時(shí)，啟動(dòng)階段供回水溫度以及耗功量的變化情況，此外，當(dāng)環(huán)境露點(diǎn)溫度小于4 ℃時(shí)，系統(tǒng)室外機(jī)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，大大影響系統(tǒng)啟動(dòng)情況。對(duì)于加熱時(shí)間來(lái)說(shuō)，受初始溫度以及設(shè)定溫度之間的溫度差的影響，冬季空氣源熱泵各工況來(lái)下大部分啟動(dòng)時(shí)間在45 min以內(nèi)。

圖6　初始溫度為10 ℃供回水溫度、耗功量的變化情況Fig.6　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water initial temperature of 10 ℃

圖7　初始溫度為20 ℃供回水溫度、耗功量的變化情況Fig.7　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water initial temperature of 20 ℃

圖8　初始溫度為30 ℃供回水溫度、耗功量的變化情況Fig.8　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water initial temperature of 30 ℃

從供回水溫度來(lái)看，啟動(dòng)之后，供水溫度會(huì)快速上升至設(shè)定溫度，由于末端負(fù)荷的影響，回水溫度較低，較供水溫度穩(wěn)定有一定時(shí)間的滯后，整個(gè)啟動(dòng)階段，供回水溫差由小變大再變小。開(kāi)機(jī)之后，供回水溫度相差不大，供水溫度甚至?xí)陀诨厮疁囟?，這是由于管路中“死水”的存在，對(duì)供水溫度造成了一定影響，使得開(kāi)始時(shí)，回水溫度有可能高于供水溫度，隨著熱泵平穩(wěn)啟動(dòng)，供水溫度迅速上升，供回溫差逐漸加大。然而，隨著供水溫度進(jìn)一步上升，冷凝溫度就會(huì)提高，系統(tǒng)性能下降，供水溫度提升變慢，功耗降低，當(dāng)供水溫度達(dá)到設(shè)定溫度，耗功量逐漸穩(wěn)定，由于回水溫度有一定滯后性，所以回水溫度仍有上升趨勢(shì)。此外，當(dāng)起始溫度提高至30 ℃之后，可見(jiàn)啟動(dòng)時(shí)間大大縮短，水溫迅速達(dá)到設(shè)定溫度，供回水溫差與初始溫度10 ℃相比時(shí)，變化差別不大，接近設(shè)定溫度時(shí)，溫差減小。

從功耗角度看，各個(gè)啟動(dòng)階段，系統(tǒng)均會(huì)在啟動(dòng)15 min后，功耗達(dá)到最大，這是由于啟動(dòng)的第1個(gè)階段，水溫最低，壓縮機(jī)處于高負(fù)荷狀態(tài)。隨著供水溫度的增加，功耗逐漸降下來(lái)。當(dāng)初始溫度由10 ℃提高至30 ℃后，最大功耗將有所降低，對(duì)于不同設(shè)定溫度，平均下降20%。

為了研究系統(tǒng)啟動(dòng)階段特性，定義啟動(dòng)階段COP為啟動(dòng)階段總供熱量與啟動(dòng)階段總耗電量之比。圖9為啟動(dòng)階段不同初始溫度與設(shè)定溫度下，系統(tǒng)的耗電量、供熱量與啟動(dòng)COP情況。

圖9　不同初始溫度與設(shè)定溫度下，啟動(dòng)耗電量、供熱量與COP變化圖Fig.9　The start power consumption, heat supply and COP in different initial temperature and set

首先從耗電量角度來(lái)看，初始溫度為10 ℃時(shí)，35 ℃供水的耗電量1.4 kWh，分別為40、45 ℃的68%、61%；而當(dāng)初始溫度提高為30 ℃時(shí)，就只有0.59 kWh，分別為40、45 ℃的51%、43%，初始溫度的提高，使得耗電量下降較初始溫度10 ℃時(shí)更明顯。

對(duì)于供熱量來(lái)說(shuō)，是通過(guò)供回水溫度以及流量計(jì)算得來(lái)，隨著初始溫度以及設(shè)定溫度的變化趨勢(shì)與耗電量一致，但是下降幅度與耗電量不同，兩者直接影響著啟動(dòng)COP。

為此，從啟動(dòng)COP角度分析，初始溫度為10 ℃時(shí)，35 ℃設(shè)定溫度COP約為2.0；提高設(shè)定溫度至40、45 ℃，COP分別下降8%、10%，而當(dāng)初始溫度至20、30 ℃，35 ℃供水啟動(dòng)COP則將升高27%、48%，COP提升效果很明顯。即不同設(shè)定溫度下，啟動(dòng)COP與初始溫度呈正相關(guān)，且初始溫度對(duì)COP的影響較設(shè)定溫度更加明顯。起始溫度的提高，使得啟動(dòng)階段溫度提升減小，可以使熱泵快速啟動(dòng)，使得供熱量與耗電量均呈下降趨勢(shì)，由圖9可知，電量下降的速度等于或大于熱量下降的速度時(shí)，系統(tǒng)COP呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)。

此外，影響啟動(dòng)階段COP的因素還有室外溫度。圖10所示為固定初始溫度在20 ℃左右，不同室外溫度與設(shè)定溫度下，啟動(dòng)階段系統(tǒng)的耗電量、供熱量與啟動(dòng)COP情況。

圖10　不同室外溫度與設(shè)定溫度下，啟動(dòng)耗電量、供熱量與COP變化圖Fig.10　The start power consumption, heat supply and COP in different outside temperature and set

室外溫度小于5 ℃時(shí)，35 ℃供水的耗電量為1.823 kWh，設(shè)定溫度提高至40 ℃，耗電量將急劇升高，增加了一倍多，主要是在溫度很低時(shí)，熱泵系統(tǒng)室外機(jī)結(jié)霜，可以預(yù)見(jiàn)的是，設(shè)定溫度繼續(xù)升高，耗電量將進(jìn)一步加大。而當(dāng)室外溫度提高至10 ℃以上，35 ℃時(shí)耗電量為1 kWh，設(shè)定溫度提高至40、45℃時(shí)，分別增加了0.3倍與1.1倍。即，室外溫度增加后，提高設(shè)定溫度，耗電量增加變緩。供熱量同樣是在趨勢(shì)上與耗電量保持一致。在結(jié)霜條件下，供熱量也會(huì)急劇增加，與耗電量共同作用，使得COP下降很劇烈。

從啟動(dòng)階段COP角度分析，當(dāng)設(shè)定溫度為35 ℃時(shí)，室外溫度小于5 ℃時(shí)，COP為1.898，設(shè)定溫度提高，系統(tǒng)可能會(huì)結(jié)霜，COP下降了22%，當(dāng)室外溫度提高至5~10 ℃，35、40 ℃時(shí)COP上升很明顯，分別提高35%、60%，而隨著室外溫度的繼續(xù)提高，35、40 ℃的COP升高變得很緩慢，僅上升1%、2%。所以，空氣源熱泵應(yīng)避免進(jìn)入結(jié)霜區(qū)，即室外溫度保持大于5 ℃，且設(shè)定溫度不超過(guò)40 ℃，而在非結(jié)霜區(qū)，設(shè)定溫度的影響略大于室外溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

圖11為測(cè)試期間夜間露點(diǎn)溫度變化情況，露點(diǎn)溫度基本小于10 ℃，平均約為5.7 ℃，且溫度波動(dòng)與天氣條件有關(guān)，天氣條件好時(shí)，可達(dá)3.5 ℃，對(duì)于大部分陰雨天，露點(diǎn)波動(dòng)不大，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)露點(diǎn)溫度小于4 ℃時(shí)，室外盤(pán)管基本會(huì)出現(xiàn)霜層，末端負(fù)荷越大，結(jié)霜量越大。

圖11　測(cè)試期間夜間露點(diǎn)溫度變化情況Fig.11　During the night the dew point temperaturechange of the

當(dāng)達(dá)到一定條件，熱泵進(jìn)行除霜，此時(shí)，熱泵切換為制冷模式，室外風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，四通換向閥反轉(zhuǎn)，溫度較高的制冷劑會(huì)流向室外換熱盤(pán)管表面，進(jìn)行融霜，如圖12所示。從圖12可以看出，熱泵供回水溫度以及電功率出現(xiàn)明顯的下降，供水溫度在除霜時(shí)下降很明顯，接近回水溫度，一方面使得啟動(dòng)階段時(shí)間延長(zhǎng)，耗電量大大增加，另一方面四通換向閥反轉(zhuǎn)給壓縮機(jī)的穩(wěn)定性造成一定影響。

圖12　熱泵結(jié)霜工況Fig.12　The operation of pump frosting

圖13所示為除霜過(guò)程與非除霜過(guò)程運(yùn)行時(shí)間、啟動(dòng)能耗、供熱量以及COP的變化情況，從運(yùn)行時(shí)間上看，除霜模式下，運(yùn)行時(shí)間約為不除霜時(shí)的2倍，啟動(dòng)能耗約為不除霜時(shí)的2.1倍，啟動(dòng)供熱量約為1.6倍。對(duì)于COP來(lái)說(shuō)，除霜模式下，COP不到1.5，性能下降了約25%。惡劣條件下結(jié)霜的存在使得系統(tǒng)運(yùn)行性能大大降低。

圖13　除霜工況與非除霜工況對(duì)比圖Fig.13　The difference between defrost conditions and non-defrost

李臘芳[7]采用冬夏兩用分體式熱泵(額定制熱量3.5 kW)針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)空氣源熱泵進(jìn)行了除霜實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)室外溫度低于5 ℃時(shí)，COP平均約為1.23，較本實(shí)驗(yàn)略低，在氣象條件相差不大的條件下，主要是本實(shí)驗(yàn)采用制熱能力更大(10 kW)的機(jī)組，融霜時(shí)間更短，并且結(jié)構(gòu)上采用水作為載冷劑，消耗能量更少。

3.2　穩(wěn)定運(yùn)行階段

熱泵在供水溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，時(shí)間占整個(gè)夜間的90%以上。穩(wěn)定階段近似保溫階段，首先熱泵壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將供水溫度加熱至設(shè)定溫度，而后自動(dòng)停機(jī)，室外風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，但供熱過(guò)程不會(huì)停止，水泵持續(xù)不斷向室內(nèi)供熱，直到供水溫度下降至熱泵重新啟動(dòng)設(shè)定的溫度值時(shí)，室外機(jī)又開(kāi)始啟動(dòng)，達(dá)到設(shè)定溫度又自動(dòng)停機(jī)，周而復(fù)始的進(jìn)行下去，直至凌晨6:00，到達(dá)停機(jī)時(shí)間。所以，整個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程與進(jìn)水溫度的高低沒(méi)有關(guān)系，只與該階段室外溫度以及設(shè)定溫度有關(guān)。

圖14~16為不同設(shè)定溫度下，系統(tǒng)穩(wěn)定階段供回水溫度及耗功量的變化情況。由圖14~16可見(jiàn)，室外溫度在整夜變化不大，供回水溫度變化同步，且波動(dòng)不大，但是隨著供水溫度的升高有上升趨勢(shì)，35、40、45 ℃對(duì)應(yīng)的平均溫差分別為1.8、2.1、2.4 ℃，主要是設(shè)定溫度提高后，供熱量增加，在流量變化不大的情況下，供水溫差有所增加。從耗功量角度來(lái)看，設(shè)定溫度越高，需要提升的溫度越高，耗功量相應(yīng)加大。

圖14　設(shè)定溫度35 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.14　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 35 ℃

圖15　設(shè)定溫度40 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.15　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 40 ℃

圖16　設(shè)定溫度45 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.16　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 45 ℃

圖17為不同設(shè)定溫度下供回水溫差的變化情況。由圖17可以看出，同一設(shè)定溫度下，供水與回水溫度在不同室外條件下相差不大，但是均沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度，這與管路沿程熱損失有關(guān)。從供回水溫差來(lái)看，設(shè)定溫度為45 ℃時(shí)，供回水溫差要高于35 ℃與40 ℃時(shí)，設(shè)定溫度越高，提供給末端熱量越多。

定義穩(wěn)定階段COP為穩(wěn)定階段總供熱量與總耗電量之比。由于穩(wěn)定階段耗電量與起始溫度無(wú)關(guān)，將相似工況下耗電量與穩(wěn)定COP進(jìn)行平均，得到耗電量、供熱量與穩(wěn)定COP隨室外溫度及設(shè)定溫度的變化情況，如圖18所示。

圖17　不同室外溫度與設(shè)定溫度下，穩(wěn)定供回水溫度變化圖Fig.17　The stable supply/return temperature in different outside temperature and set

圖18　不同室外溫度與設(shè)定溫度下穩(wěn)定耗電量、供熱量與COP變化圖Fig.18　The stable power consumption, heat supply and COP in different outside temperature and set

從耗電量來(lái)看，當(dāng)設(shè)定溫度為45 ℃時(shí)，室外溫度處于5~10 ℃，耗電量為14.3 kWh，隨著設(shè)定溫度的降低，耗電量減小，在40與35℃時(shí)，分別降低至11.2、9.0 kW·h，減小了22%與37%。當(dāng)室外條件逐漸變好至10 ℃以上時(shí)，設(shè)定溫度45 ℃，耗電量減小為12 kW·h，降低設(shè)定溫度對(duì)耗電量的影響略有增強(qiáng)，分別減小了25%和38%，耗電量減小幅度略有增強(qiáng)。即室外溫度提高時(shí)，降低設(shè)定溫度對(duì)耗電量的降低有一定加強(qiáng)作用。

對(duì)于供熱量來(lái)說(shuō)，與耗電量趨勢(shì)一致，但是供熱量下降趨勢(shì)沒(méi)有耗電量大。

從穩(wěn)定階段COP角度來(lái)看，當(dāng)設(shè)定溫度為45 ℃時(shí)，室外溫度在5~10 ℃，穩(wěn)定COP為1.628，隨著設(shè)定溫度的降低，COP提高，在40與35℃時(shí)，分別提高至1.746與1.771，提高了7%與9%。當(dāng)室外條件逐漸變好至10 ℃以上時(shí)，設(shè)定溫度45 ℃，COP提高為1.693，降低設(shè)定溫度對(duì)COP的增強(qiáng)效果明顯，分別增加了11%和20%。即室外溫度提高時(shí)，降低設(shè)定溫度對(duì)COP的提升有明顯加強(qiáng)作用。由于時(shí)間上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)階段，所以耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于啟動(dòng)階段耗電量，COP總體上來(lái)說(shuō)較啟動(dòng)階段低，穩(wěn)定階段COP的改善更值得關(guān)注。

3.3　全階段

全階段綜合了啟動(dòng)階段以及穩(wěn)定運(yùn)行階段，從晚上20:00開(kāi)機(jī)，直到次日早上6:00關(guān)機(jī)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10 h。由于全階段中有90%以上的時(shí)間系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行工況，所以初始溫度對(duì)全階段性能的影響可忽略不計(jì)。

如圖19~21，為不同設(shè)定溫度(35、40、45℃)下的系統(tǒng)供回水溫度以及耗功情況，啟動(dòng)階段最大功耗約為穩(wěn)定階段的3倍。熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定以供水溫度穩(wěn)定為準(zhǔn)，室內(nèi)房間的穩(wěn)定以供回水溫差的穩(wěn)定為準(zhǔn)?？芍归g20:00開(kāi)機(jī)，不論設(shè)定溫度為多少，系統(tǒng)基本上在2 h以后供回水溫差維持不變，室內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，與設(shè)定溫度的高低沒(méi)有關(guān)系。供回水溫度的其他分析見(jiàn)前文。

圖19　設(shè)定溫度35 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.19　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 35 ℃

圖20　設(shè)定溫度40 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.20　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 40 ℃

圖21　設(shè)定溫度45 ℃，供回水溫度及耗功量的變化圖Fig.21　The variation of supply and return water temperature,power consumption when the water set temperature of 45 ℃

將相似工況下全階段耗電量、供熱量與COP進(jìn)行平均，得到耗電量、供熱量與COP的變化情況，如圖22~24所示。

圖22　不同初始溫度與設(shè)定溫度下全階段耗電量變化圖Fig.22　The whole stage power consumption in different initial temperature and set

圖23　不同初始溫度與設(shè)定溫度下全階段供熱量變化圖Fig.23　The whole stage heat supply in different initial temperature and set

圖24　不同室外溫度與設(shè)定溫度下全階段耗電量、供熱量與COP的變化圖Fig.24　The whole stage power consumption, heat supply and COP in different outside temperature and set

對(duì)于全階段耗電量與供熱量來(lái)說(shuō)，包括啟動(dòng)階段與穩(wěn)定階段，由于穩(wěn)定階段與初始溫度無(wú)關(guān)，耗電量、供熱量相差不大，所以采用平均耗電量與平均供熱量進(jìn)行分析，不同設(shè)定溫度下耗電量分別為10、12、14 kW·h，供熱量分別為16.4、19.5、21.3 kW·h。啟動(dòng)階段耗電量與供熱量約占到全階段的10%左右，這與付詳釗等[15]采用制熱能力10.5 kW的空氣源熱泵機(jī)組針對(duì)重慶某150 m2住宅進(jìn)行的冬季地板供暖實(shí)測(cè)分析，啟動(dòng)階段能耗占總能耗的9.5%的結(jié)論相近。

從COP角度來(lái)看，由于全階段COP為啟動(dòng)與穩(wěn)定階段的供熱量之和與耗電量之和的比值，又由于啟動(dòng)階段COP總體上高于穩(wěn)定階段，所以，全階段COP比穩(wěn)定階段COP略有提高，但總體上還是低于文獻(xiàn)[16]空氣源熱泵系統(tǒng)(制熱能力13 kW)的COP，約為2.4，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組相差不大的情況下，主要是氣象參數(shù)的影響，重慶地區(qū)與鄭州相比，室外溫度相差不大時(shí)，由于重慶冬季濕度90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鄭州，除霜時(shí)間較長(zhǎng)，融霜能量較大，COP會(huì)略低一些。重慶地區(qū)對(duì)空氣源熱泵運(yùn)行中結(jié)霜的考慮更加迫切。

熱泵冬季夜間運(yùn)行過(guò)程中，為了維持室內(nèi)一定溫度，需要滿足供熱量等于耗熱量，耗熱量主要包括兩部分，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱量以及由于氣密性差異所帶來(lái)的冷風(fēng)滲透耗熱量。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)與文獻(xiàn)[14]為同一試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)可知，供水溫度在35 ℃以上時(shí)，室內(nèi)均能達(dá)到16 ℃以上，對(duì)于設(shè)定溫度為40 ℃時(shí)，整夜供熱量可達(dá)23.115 kW·h，穩(wěn)態(tài)計(jì)算得供暖整夜通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量見(jiàn)圖25，圖中耗熱量單位為W。

圖25　圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量(單位：W)Fig.25　Building envelope basic heat

此外，由于滲透所帶來(lái)的冷風(fēng)滲透耗熱量可采用式(1)計(jì)算。

Q=0.278LρwCp(tN-tw)

(1)

式中：L為風(fēng)量，m3/h;0.278為單位換算系數(shù);ρw為供暖室外計(jì)算溫度下的空氣密度，kg/m3；Cp為冷空氣的比定壓熱容，kJ/kg·℃；tN為供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；tw為供暖室外設(shè)計(jì)溫度，℃。

由此可估算出房間換氣次數(shù)約為1.4 h-1，建筑氣密性能遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)建筑0.5 h-1的性能水平。圖26為全階段早上6:00供熱停止后，供水溫度、室內(nèi)溫度以及室外溫度的變化情況。

圖26　供水溫度、室內(nèi)溫度以及室外溫度的變化情況Fig.26　The variety in water temperature, indoor temperature and outdoor temperature

由圖26可以看出，停止供熱后，供水溫度會(huì)迅速下降，這與室外氣象條件惡劣以及管路保溫性能差有很大關(guān)系，而對(duì)于室內(nèi)溫度來(lái)說(shuō)，供熱停止就呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，一方面與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能很差有關(guān)，重慶村鎮(zhèn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)均較低，熱穩(wěn)定性較差；另一方面，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性不足所帶來(lái)的冷風(fēng)滲透耗熱量也是導(dǎo)致室內(nèi)溫度同步下降的原因，該地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)重慶山地村鎮(zhèn)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能測(cè)試，得到以下結(jié)論及建議：

1)對(duì)于啟動(dòng)階段來(lái)說(shuō)，受室外溫度、初始溫度以及設(shè)定溫度的影響。其中,冬季大部分啟動(dòng)時(shí)間在45 min以內(nèi)；起始溫度提高，啟動(dòng)時(shí)間將大大縮短，最大功耗平均下降20%，且初始溫度對(duì)COP的影響較設(shè)定溫度更加明顯。

2)當(dāng)露點(diǎn)溫度小于4 ℃時(shí)，室外盤(pán)管結(jié)霜，除霜模式下，系統(tǒng)COP不到1.5，性能下降了約25%。而提高初始溫度可以減少系統(tǒng)的啟動(dòng)負(fù)荷，縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，惡劣條件下，還能防止室外盤(pán)管的結(jié)霜，提高了性能的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行階段，時(shí)間占整個(gè)夜間的90%以上，從而弱化了初始溫度對(duì)該階段性能的影響；而室外溫度提高時(shí)，對(duì)COP的提升則有明顯加強(qiáng)作用。

4)全階段綜合了啟動(dòng)階段以及穩(wěn)定運(yùn)行階段，其中,啟動(dòng)階段耗電量與供熱量約占到全階段的10%左右，全階段COP比穩(wěn)定階段COP略有提高，但總體規(guī)律與穩(wěn)定階段近似，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性能差以及冷風(fēng)滲透的影響使得房間蓄熱能力很差，在該地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

5)結(jié)合重慶山地村鎮(zhèn)的特點(diǎn)，可從主動(dòng)、被動(dòng)兩方面來(lái)對(duì)熱泵運(yùn)行性能進(jìn)行因地制宜的優(yōu)化，被動(dòng)策略包括提高系統(tǒng)自身保溫性能(水箱、管路等)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能，減少熱損失，主動(dòng)策略主要針對(duì)啟動(dòng)階段，可以將冬季有限的太陽(yáng)能資源或沼氣資源等與空氣源熱泵復(fù)合來(lái)預(yù)先加熱初始水溫，此外利用熱泵本身，將啟動(dòng)時(shí)刻與啟動(dòng)溫度提前至室外天氣條件好、運(yùn)行效率高的白天，對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，都可以有效解決熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)階段效率低時(shí)間長(zhǎng)的劣勢(shì)。

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(編輯胡英奎)

Author brief：Liu Meng(1979- ), professor, PhD, main research interests: green building technology and building energy conservation, (E-mail) liumeng2033@126.com.

Nighttime performance analysis of air source heat pump heating system in Chongqing rural residential

Liu Meng1, Xue Kai1, Zhou Yu2, Li Cong2

(1.Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering；Joint International Research Laboratory of

Green Building and Built Environment ,Ministry of Education；National Centre for International

Research of Low-carbon and Green Builidings， Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China;

2.Chongqing Construction of New Countryside Investment Co, ltd, Chongqing 402160, P. R. China)

Abstract:According to the urgent requirements for the winter heating in a rural residential in Chongqing, it has set up air-source heat pump heating system experiment platform. From the perspective of supply and return water temperature, power consumption, heat supply and coefficient of performance (COP), it has analyzed the system performance factors and phase characteristics (including starting, stable operation and whole stage) during operation, and the system has been very different characteristics in this three stages. Primarily, the initial temperature of the starting phase has obviously influenced COP of the system and when defrosting, it has a 25% drop in performance of the system. For stable operation of the stage, the performance and the initial temperature are not related. Reducing the set temperature, the COP has increased significantly, when there has been a good outdoor condition. Overall, COP in starting stage is the highest, then the whole stage, and COP of stable operation is lowest.

Key words:rural; air source heat pumps; heating; building energy conservation

作者簡(jiǎn)介：劉猛(1979-)，男，教授，博士，主要從事綠色建筑技術(shù)、建筑節(jié)能研究，(E-mail) liumeng2033@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目(2013BAJ11B05)

收稿日期：2015-08-11

中圖分類號(hào)：TU831.1；TU832.1；TU833.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2015)06-0087-11

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.012