金洪文 宋炳奇 劉亞平 劉超越 侯慶瑩 蔣祥婷 龔恒勤

1 長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院

2 吉林建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心

熱泵作為一種節(jié)能技術(shù)受到了世界各國的普遍重視，而空氣源熱泵可從環(huán)境大氣中吸取豐富的低品位能量，使用方便，安裝費用較低，因此空氣源熱泵成為熱泵諸多型式中應(yīng)用最為廣泛的一種?？諝庠礋岜迷趪?yán)寒以及寒冷地區(qū)應(yīng)用多年，其應(yīng)用范圍仍受到很多因素的約束。在氣候條件上，隨著室外溫度的降低，用戶的需熱量不斷增加。當(dāng)室外氣溫很低時，空氣源熱泵能效比降低，除霜頻繁，制熱量不能滿足用戶采暖要求?？傮w來說，空氣源熱泵彌補了集中供暖系統(tǒng)管道敷設(shè)困難或采用區(qū)域供熱鍋爐房成本高昂的不足。本文將對空氣源熱泵在長春地區(qū)某高校的應(yīng)用試驗效果做具體分析研究，以期對后續(xù)空氣源熱泵的設(shè)計和應(yīng)用提供經(jīng)驗以及技術(shù)支持。

1 實驗條件

1.1 工程概況

實驗項目為某高校實驗樓，地點位于吉林省長春市。該建筑主體框架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于非節(jié)能型建筑。該建筑共6 層，層高4.2 m，建筑高度25.2 m，建筑總面積為19047 m2。實驗測試房間位于建筑一層北向三個房間，測試房間使用面積共550 m2。

1.2 項目條件

長春市冬季采暖室外計算溫度為-21.1 ℃[1]，實驗測試時間從11 月1 日到次年的3 月28 日。實驗房間原是由集中供熱系統(tǒng)采暖，應(yīng)實驗需要把房間的原有供熱散熱器系統(tǒng)分割開來，與空氣源熱泵系統(tǒng)一起形成一個獨立的小型采暖供熱系統(tǒng)。實驗使用的空氣源熱泵設(shè)在實驗樓一樓室外，熱泵型號為MAC340DR5HW，冬季工況下制熱量為100 kW，最低工作環(huán)境溫度為-30 ℃，2 臺壓縮機，單臺功率30 kW。熱泵以及水泵的用電消耗由電表進行記錄。

實驗系統(tǒng)于室內(nèi)外分別設(shè)置3 個溫度測點，供回水各一個溫度測點，通過多參數(shù)巡檢儀每隔半小時記錄一次數(shù)據(jù)，多參數(shù)巡檢儀型號為JK-16C。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

在2019 年至2020 年采暖季，本實驗測試時長共148 天。根據(jù)開始試驗與結(jié)束試驗的電表示數(shù)可知整個采暖季本供熱系統(tǒng)消耗總電量（循環(huán)水泵耗電量加主機耗電量）為28484.8 度，實驗房間使用面積共550 m2，實際建筑面積為785.7 m2。實驗過程中因為更換水泵導(dǎo)致實驗分兩個階段來進行，第一階段66 天，第二階段82 天。本文主要通過水泵工變頻的影響以及各不同時期耗能制熱情況進行展開分析。實驗系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖

2.1 水泵耗電分析

本實驗熱泵采暖系統(tǒng)工作時使用一臺水泵，普通工頻水泵功率為1.1 kW。由于水泵為全天24 小時的連續(xù)工作模式，其電量消耗在整個能耗中占有不小的比例，因此水泵的節(jié)能措施也是實現(xiàn)整個供暖系統(tǒng)節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。此供暖系統(tǒng)在供暖前期使用的是普通工頻水泵，當(dāng)意識到水泵能耗后更換了變頻水泵。

在水泵實際運行測試中，所謂工頻運行指的是在熱泵運行時熱泵與用戶間的循環(huán)水泵保持滿負荷運行狀態(tài)，當(dāng)用戶室內(nèi)溫度達到滿足工作生活標(biāo)準(zhǔn)時，熱泵機組停止運行，此時循環(huán)水泵依舊繼續(xù)運行，只有供熱系統(tǒng)斷電才能停止工作。如此就造成了循環(huán)水泵耗電量過大，對熱用戶來說產(chǎn)生了“大流量小換熱”的情況，在供熱系統(tǒng)中水泵的功耗占比過高。

實驗之初想通過斷電啟停機組的方式降低系統(tǒng)功耗，但機組頻繁的啟停嚴(yán)重影響其運行狀態(tài)，達不到節(jié)能目的。在實際運行中，第二階段更換水泵后通過水泵頻率與轉(zhuǎn)速成正比來推算低頻運行時實際功率。

根據(jù)公式：

當(dāng)循環(huán)水泵變頻運行應(yīng)用上述計算公式結(jié)果可得到整個采暖系統(tǒng)耗電對比，如表1 所示。

表1 循環(huán)水泵不同頻率下采暖系統(tǒng)耗電對比

由此看到降頻后功率為0.238 kW 時，比原來節(jié)省近78%的電耗，更換水泵后，采暖季第二階段節(jié)省電量2144.9 kWh，節(jié)能效果明顯。如果本實驗系統(tǒng)應(yīng)用于大型項目工程，節(jié)能效果將更加突出。

2.2 供熱初末期分析

在供熱實驗初期2019 年11 月11 日至2019 年11 月17 期間，室外最高溫度達8.4 ℃，最低溫度達-11.4 ℃，期間室外平均溫度-2.7 ℃，實驗測試房間內(nèi)平均溫度可達20.3 ℃，系統(tǒng)供回水平均溫度分別為30.5 ℃/20.3 ℃。在供熱實驗?zāi)┢?020 年3 月10 日-3月20 日期間，室外最低溫度-9.4 ℃，室外最高溫度13.2 ℃，平均溫度0.6 ℃，實驗測試房間內(nèi)平均溫度19.6 ℃，實驗系統(tǒng)供回水平均溫度則分別為27.5 ℃/25.1 ℃。

通過供熱初期2019.11.11-11.14 運行數(shù)據(jù)分析圖如圖2 所示，當(dāng)室外平均溫度在3 ℃左右時，熱泵機組頻繁啟停，機組大部分時間制熱量在5 kJ/s 以下，室內(nèi)溫度保持在平均19.1 ℃。

圖2 2019.11.11-11.14 運行數(shù)據(jù)分析圖

因此室外溫度對機組的制熱量、制熱效果有很大影響。11 日和13 日分別有一次機組制熱量驟增達到82 kJ/s 和71 kJ/s，并使房間溫度隨之升高至21.5 ℃/20.9 ℃，是由于人為操作調(diào)節(jié)空氣源熱泵供水溫度，使供水溫度升高制熱量增大，改善了房間溫度和室內(nèi)環(huán)境。從圖中還可以觀測到13 日機組除霜頻繁，制熱效果不明顯。長春市處于我國溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，相對于西北地區(qū)大陸性氣候濕度較大，在空氣溫度一定時，相對濕度越大結(jié)霜越嚴(yán)重。結(jié)霜及霜層的阻塞效應(yīng)使空氣流道表面粗糙度增大，通過空氣側(cè)換熱器的壓降不斷增大，風(fēng)量不斷減少，影響空氣側(cè)換熱，使機組運行效率下降。參考環(huán)境因素了解到13 日當(dāng)天是降雪天氣，全天室外濕度處于68%～83%之間，因此機組結(jié)霜嚴(yán)重，使其頻繁除霜，降低了制熱量，影響了制熱效果[2]。

同時如圖3 所示，2019.11.14-11.17 運行數(shù)據(jù)分析圖中14 日和16 日分別有兩段時間制熱量明顯降低至10 kJ/s 和25 kJ/s，機組進水溫度23 ℃，此時室外溫度分別從-11.2 ℃升高至-3.8 ℃以及從-8.2 ℃到-3.2 ℃。當(dāng)制熱量不明顯時，室內(nèi)溫度并沒有很快下降。所以空氣源熱泵制熱效果不僅與室外溫度有關(guān)，還與室外濕度和墻體蓄熱有關(guān)，如何快速除霜或者降低結(jié)霜面積以及如何降低外部因素對于機組性能和制熱效果的影響是解決問題的關(guān)鍵。

圖3 2019.11.14-11.17 運行數(shù)據(jù)分析圖

2.3 供熱嚴(yán)寒期分析

供熱嚴(yán)寒期2019 年12 月26 日-2020 年1 月5日期間，室外最低溫度-21.5 ℃，最高溫度0.4 ℃。實驗測試房間平均溫度18.2 ℃，系統(tǒng)供回水平均溫度分別為31.7 ℃/33.9 ℃。本時間段低于-20 ℃有15 h。在嚴(yán)寒期的最后時段供回水溫度升高主要是為了測試機器在低溫環(huán)境下能達到的最高出水溫度，實際證明在原有設(shè)計負荷下，機器溫度升高緩慢，將系統(tǒng)所帶負荷減少一部分，出水溫度升高比較迅速，這為今后選配機器容量提供了很好的借鑒意義[3]。

觀察極寒天氣下機組運行情況如圖4 所示，并不是所有極寒天氣時段機組制熱量都降低，室外溫度在-20 ℃左右的大部分時間機組正常工作，相反室外溫度從-10 ℃降低至-20 ℃的過程中，機組制熱量衰減幅度很大。經(jīng)過對機組部件進行檢測時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降時，機組各部件還未適應(yīng)調(diào)整機組內(nèi)部運行狀態(tài)，溫度降低使制冷循環(huán)中的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力也降低，于是壓縮機的吸氣壓力也會下降，吸入制冷劑密度變小，壓縮機的實際單位質(zhì)量排量減小，其產(chǎn)熱量自然會降低[4]。此理論經(jīng)過本實驗得到證實。

圖4 2019.12.26-2020.1.5 運行數(shù)據(jù)分析圖

3 系統(tǒng)能效比分析

熱泵供回水溫差Δt 由供水溫度和回水溫度計算得出，供回水溫差Δt 大于0.2 ℃為制熱狀態(tài)；供回水溫差Δt 在-0.2 ℃～0.2 ℃為停機狀態(tài)；供回水溫差Δt小于-0.2 ℃為除霜狀態(tài)。

熱泵制熱量可根據(jù)下式計算得出結(jié)果

式中：Q 為熱泵制熱量；cp為水的比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；m 為循環(huán)水流量。

整個采暖季熱泵總制熱量為63093.18 kJ/s，總制熱時長1839.77 h，熱泵制熱時長占總時長的比例為51.7%，循環(huán)水流量為1.05×104kg/h。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集計算采暖季熱泵總耗電量為25367.85 kW·h，水泵總耗電量為3116.95 kW·h。

空氣源熱泵系統(tǒng)綜合能效比是指系統(tǒng)全年運行過程總制熱量與同期間內(nèi)消耗的電量總和之比[5]。則空氣源熱泵主機能效比（COP）可定義為：

式中：Q 為實驗期熱泵的輸出總制熱量；W泵為實驗期熱泵的總耗電量。

經(jīng)計算空氣源熱泵主機能效比為2.49，計算熱泵采暖系統(tǒng)系統(tǒng)能效比（COP）為2.21。

4 經(jīng)濟性分析

整個采暖季實驗測試時間自2019 年11 月1 日-2020 年3 月30 日共148 天，試驗測試系統(tǒng)總耗電量為28484.8 kWh，日均消耗電量192.5 kWh。測試房間實際建筑面積為785.7 m2。若按長春市采暖總時長168天折算采暖季總耗電量為32340 kWh，采暖季每平米消耗電量41.16 kWh，按照民用電價每度0.525 元計算[2]，采暖季熱泵供熱費用為21.6 元/m2。

長春市采暖時間為每年10 月20 日至次年4 月6日，共169 天。采暖費用為27 元/m2。按長春市熱力收費折算辦法，將建筑超高部分多消耗的熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)值層高超過3 m 的，每超0.3 m，熱費加收5%。本實驗樓層高4.2 m，采暖費用按32.4 元/m2計算。

采用空氣源熱泵供暖運行費用遠低于集中供熱，利用空氣源熱泵作為熱源供熱節(jié)能效果非常明顯。具體數(shù)據(jù)對比如表2。

表2 熱泵供暖與集中供暖經(jīng)濟對比

5 結(jié)論

本文由低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的實驗測試數(shù)據(jù)得到，整個試驗階段32 路多參數(shù)巡檢儀數(shù)據(jù)記錄分析得出熱泵機組與采暖系統(tǒng)COP 值分別為2.49/2.21。熱泵供暖系統(tǒng)采用變頻水泵節(jié)能效果明顯，如果熱泵采暖可以推廣應(yīng)用在大型項目工程，節(jié)能效果會更加突出。低溫空氣源熱泵的制熱效果不僅與室外溫度有關(guān)，還與室外濕度、墻體蓄熱等因素有關(guān)。室外溫度過低，濕度較大都可以導(dǎo)致熱泵結(jié)霜，尤其是降雪之后第二天室外濕度最高可達82%，熱泵結(jié)霜嚴(yán)重，影響制熱效果。相比于低溫環(huán)境，室外溫度從高溫到低溫的降溫過程更能影響熱泵制熱效果，制熱量嚴(yán)重衰減。本實驗測試房間位于建筑北向房間，無太陽能日照得熱影響，由于采暖季冷風(fēng)的影響，體感溫度更是低于測試溫度。在此嚴(yán)苛的條件下，試驗測試結(jié)果非常理想，對于嚴(yán)寒地區(qū)熱泵供暖的設(shè)計研究有一定借鑒意義。