吳 方 康 磊 么 旭(.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津 3009；.天津市環(huán)境保護科學研究院，天津 3009)

天津市極端氣象條件下空氣源熱泵適用性分析

吳 方1康 磊2么 旭1
(1.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津 300191；2.天津市環(huán)境保護科學研究院，天津 300191)

以天津市示范項目為例，實測空氣源熱泵今年冬季運行的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，通過對天津地區(qū)氣候條件、空氣源熱泵機組實際運行能效數(shù)據(jù)的分析，以及實際運行能效比與設(shè)計理論值的對比，得出空氣源熱泵在天津地區(qū)具有一定適用性。

空氣源熱泵；能效比；天津

引言

空氣源熱泵作為采暖熱源的選擇技術(shù)之一，因其以空氣作為低溫熱源，來源廣泛、方便、可持續(xù)，且具有機組集成性高，占用空間少，組裝簡便，便于運行管理，并兼具環(huán)保、節(jié)能、高效等特點，成為較水源、地源熱泵應(yīng)用最為廣泛的一種熱泵型式[1-3]。但它的應(yīng)用也受到低溫氣候條件的約束，當室外空氣溫度降低時，空氣源熱泵的制熱量也將降低，但需熱量卻因外溫的下降而迅速上升。

本文以天津市示范項目為例，實測空氣源熱泵今年冬季運行的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，對空氣源熱泵制熱能效比(COP)運行效果進行分析論證，特別是今年冬天天津市出現(xiàn)極端嚴寒天氣，通過對天津地區(qū)氣候條件、空氣源熱泵機組實際運行能效數(shù)據(jù)的分析和對空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計理論能效值的對比，分析研究空氣源熱泵在天津地區(qū)的適用性。

1 示范項目介紹

為響應(yīng)天津市委、市政府提出并組織實施的“美麗天津 一號工程”，將“控煤”作為治理霧霾控制措施中的首要任務(wù)，天津市環(huán)保局在全市開展數(shù)個散煤清潔替代技術(shù)示范工程。本文所提示范項目，即是在此背景下開展的首個采暖改造示范項目。

示范項目位于天津市和平區(qū)，該區(qū)域范圍內(nèi)市政熱力管道、天然氣管道均未鋪設(shè)，大多數(shù)住戶冬季仍使用傳統(tǒng)的散燒煤采暖方式。示范項目為該區(qū)域社區(qū)居委會辦公樓，樓高三層，建筑面積約900m2，室內(nèi)采暖方式為地板盤管，原自備燃油熱水供暖鍋爐。

示范項目選用一臺60KW、R32工質(zhì)的空氣源熱泵機組作為采暖熱源替代原燃油鍋爐，該項目已于2015年2月12日完成工程改造投入試運行，本次分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為對示范項目進行2015-2016年度為期一個采暖季的實測數(shù)據(jù)。

2 天津市氣象氣候條件

2016年1月23日，天津市遭遇強冷空氣過程，該日全市平均氣溫僅-14.1℃，其中市區(qū)等9個區(qū)縣觀測站氣溫為1961年以來最低值；全市日最高氣溫平均僅為-11.2℃，各區(qū)縣日最高氣溫均為1961年以來歷史同期最低值；全市最低氣溫平均為-16.2℃，市區(qū)最低氣溫-14.0℃，接近1985年以來歷史同期最低值。

根據(jù)采集數(shù)據(jù)，整個采暖季空氣源熱泵系統(tǒng)可確保室內(nèi)溫度穩(wěn)定達到20℃以上(室內(nèi)平均溫度為22.46℃)。該項目室內(nèi)實時溫度及對應(yīng)實時室外溫度曲線如圖1、圖2所示。

圖1 2015-2016采暖季天津市氣候溫度

圖2 2016年極寒天氣室外平均溫度

將出現(xiàn)極寒天氣的前后三天室外日均氣溫與室內(nèi)溫度對比發(fā)現(xiàn)，當室外平均溫度下降到-12℃時，室內(nèi)溫度也出現(xiàn)最低值20℃，這是因為當室外出現(xiàn)極寒天氣時，空氣源熱泵出現(xiàn)結(jié)霜問題，示范項目機組自帶反水除霜功能，熱水優(yōu)先進行除霜，必然導致制熱量下降，室內(nèi)溫度降低。

3 制熱能效比(COP)分析

3.1 示范項目實際運行制熱能效比分析

空氣源熱泵制熱能效比(COP)實際就是熱泵系統(tǒng)所能實現(xiàn)的制熱量和輸入功率的比值，在相同的工況下，其比值越大說明這個熱泵系統(tǒng)的效率越高越節(jié)能。

制熱能效比(COP)分整個供暖系統(tǒng)能效比和空氣源熱泵機組能效比，系統(tǒng)能效比為包括循環(huán)水泵在內(nèi)整個空氣源熱泵系統(tǒng)整體運行能效比，機組能效比單指空氣源熱泵機組運行能效比。

示范項目空氣源熱泵機組選用清華同方R32工質(zhì)低溫空氣源熱泵機組，根據(jù)該機組設(shè)計標況參數(shù)顯示，該機組運行標況制熱能效比(COP)為3.43。

經(jīng)對實際監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算可知，本項目空氣源熱泵機組的實際運行制熱能效比(COP)均值為3.33，整體供暖系統(tǒng)的實際運行能效比(COP)均值為2.81.

根據(jù)實際機組運行數(shù)據(jù)可知，今年采暖季，空氣源熱泵機組實際運行狀態(tài)尚未達到標況水平，主要原因是今年冬天天津市出現(xiàn)極端低氣溫，室外環(huán)境溫度的降低使得空氣源熱泵蒸發(fā)器表面溫度低于0℃，進而發(fā)生結(jié)霜，示范項目機組自動反水除霜功能使得熱水優(yōu)先進行除霜工作，在供熱端不做功，因此制熱量減小，進而導致了機組COP急劇下降，最冷日1月23日(室外最低溫度-14℃)，機組制熱能效比僅為1.8，整個供暖系統(tǒng)運行能效比僅為1.6。

3.2 與機組設(shè)計理論值對比分析

本項目熱泵機組品牌商清華同方對空氣源熱泵機組進行過低溫環(huán)境下的運行測試。制熱性能系數(shù)(COP)衰減的原因是多方面的，從原理上來說，理想的熱泵循環(huán)制熱系數(shù)ε=Th/(Th-Tl)，也就是說Th的升高即高溫熱源溫度的升高，或者Tl的降低即低溫熱源溫度的降低，都會導致熱泵循環(huán)制熱系數(shù)的減少，也就是說，在室外氣溫下降時，熱泵的工作原理就決定了工作性能有所下降。但是，在實際運行過程中，熱泵制熱系數(shù)(COP)還受到如蒸發(fā)溫度下降，蒸發(fā)壓力下降進而制冷劑流量減少、壓縮比增大，或者室外溫度降低，蒸發(fā)器結(jié)霜，系統(tǒng)除霜等因素的影響[4-5]。因此，空氣源熱泵系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)會比測試理論值偏低。

4 結(jié)論及建議

在天津地區(qū)，室外氣溫很低造成空氣源熱泵效率極低甚至不能工作的時間非常短，根據(jù)前節(jié)對天津市歷史氣溫值的分析可知，今年1月23日出現(xiàn)的低氣溫是自1961年來歷史同期最低值，實屬罕見，且該低氣溫天氣僅持續(xù)一天，大部分時間室外環(huán)境溫度還是相對較高的，可以滿足空氣源熱泵正常運行的氣候條件，且不會對系統(tǒng)壓縮機產(chǎn)生破壞性影響?？諝庠礋岜迷谔旖蚴械臍夂驐l件下是具有一定適應(yīng)性的。

可以通過降低采暖用熱媒的溫度來降低冷凝壓力和冷凝的溫度，進而減小壓縮比，提高熱泵系統(tǒng)制熱性能，低溫熱水地板輻射供暖相對于其他供暖末端設(shè)備，其熱水溫度是最低的，所以空氣源熱泵冷熱水機組配合地板輻射供暖技術(shù)應(yīng)該成為其在天津擴大應(yīng)用范圍重要技術(shù)措施。

[1]王芳，范曉偉.我國空氣源熱泵的技術(shù)進展[J].能源工程，2002(4)：1-5.

[2]王建民.基于北京地區(qū)的空氣源熱泵能耗分析及節(jié)能改造[D].天津大學機械工程學院，2012(5).

[3]董旭.低溫空氣源熱泵應(yīng)用技術(shù)研究.2013，12.

[4]李寧，石文星等.廣義空氣源熱泵制熱/除霜周期的性能模型[J].制冷學報，2015，36(2)：1-7.

[5]沈明，宋之平.空氣源熱泵應(yīng)用范圍北擴的可能性分析及其技術(shù)措施述評[J].暖通空調(diào)HV&AC，2002，32(6)：37-39.

Applicability Analysis of Air Source Heat Pump under Extreme Weather Conditions in Tianjin

WU Fang1KANG Lei2YAO Xu1
(Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191)

Take the demonstration project in Tianjin as an example，the measured parameters data of air source heat pump running this winter. Furthermore，to analysis Tianjin’s climate conditions，and actual operating energy efficiency data of air source heat pump units. In addition，to compare the actual operating energy efficiency and the design theoretical value. Therefore，it is concluded that the air source heat pump in Tianjin has certain applicability.

air source heat pump；energy efficiency ratio；Tianjin

吳方，學士，工程師，主要從事環(huán)境管理、清潔生產(chǎn)審核、低碳及節(jié)能環(huán)保方面的工作

X21

A

1673-288X(2017)01-0133-02

引用文獻格式：吳 方 等.天津市極端氣象條件下空氣源熱泵適用性分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(1)：133-134.