徐 策 徐昭煒 王智超 孫曉雨

（建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

中國(guó)北方冬季燃煤供暖，特別是農(nóng)村地區(qū)的散煤燃燒造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-2]。為改善大氣環(huán)境，中國(guó)推動(dòng)了北方地區(qū)的清潔取暖工作，而其難點(diǎn)與重點(diǎn)都在農(nóng)村[3]。空氣源熱泵具有高效節(jié)能、安裝和操作便捷、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。經(jīng)過北京市2013—2015年的試點(diǎn)驗(yàn)證以及2016—2018年的大規(guī)模推廣實(shí)施，空氣源熱泵被認(rèn)為是中國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)中主要和理想的清潔能源方式[4-7]?，F(xiàn)有空氣源熱泵的研究主要從熱泵機(jī)組方式選擇、熱泵機(jī)組容量和建筑負(fù)荷配比、供暖系統(tǒng)配置等方面進(jìn)行，更多地是適用于新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行。對(duì)既有系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提升，特別是對(duì)因使用情況發(fā)生變化而帶來的容量負(fù)荷配置比發(fā)生改變的系統(tǒng)鮮有針對(duì)性的研究。該文通過實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比分析的方法和改變機(jī)組控制回差設(shè)定的方法，探討性能提升的可能，以期為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。并選取北京“煤改電”工程中一典型農(nóng)村住宅配備的空氣源熱泵系統(tǒng)，于2019—2020 年供暖季進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)，并考察其效果，為運(yùn)行節(jié)能提供參考。

1 實(shí)例研究

1.1 建筑情況

該文選取北京郊區(qū)一配備空氣源熱泵系統(tǒng)的典型農(nóng)村住宅，進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)與回差設(shè)定試驗(yàn)研究。建筑信息見表1。

表1 建筑信息

1.2 供暖系統(tǒng)情況

由于農(nóng)村住宅為戶主自建房，因此難以準(zhǔn)確定量評(píng)估建筑的熱負(fù)荷[8]。在北方各省推廣清潔取暖時(shí)，為了保證供暖效果，一般確定設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為80W/m2~100W/m2。

此外，該建筑在初期設(shè)備選型時(shí)選用了某額定制熱量為13.5kW 的變頻式空氣源熱泵機(jī)組，存在機(jī)組選型偏大的情況。該空氣源熱泵系統(tǒng)詳細(xì)信息見表2，系統(tǒng)原理圖見圖3。供水溫度設(shè)定值Ts,set由用戶根據(jù)其所需溫度進(jìn)行控制。上行回差（ΔT+s,set）和下行回差（ΔT-s,set）的初始值均為2℃，在試驗(yàn)過程中ΔT+s,set固定在2℃，ΔT-s,set可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行控制示意圖

圖2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供水溫度回差控制示意圖

圖3 運(yùn)行實(shí)測(cè)期間室溫情況

表2 空氣源熱泵系統(tǒng)詳細(xì)信息

1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括室外空氣溫度Tout與相對(duì)濕度RHout、室內(nèi)空氣溫度Tin、機(jī)組供水溫度Ts與回水溫度Tr、水流量G與系統(tǒng)耗電量P?；跍y(cè)試結(jié)果，以建筑單位面積供熱量q與室內(nèi)空氣溫度Tin評(píng)價(jià)建筑供熱保障水平，以系統(tǒng)耗電量P與能效比COPsys等評(píng)價(jià)機(jī)組性能，相關(guān)計(jì)算如公式（1）~公式（2）所示。

2 監(jiān)測(cè)情況

基于上述空氣源熱泵實(shí)際項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，于2019年11 月15 日~2020 年1 月15 日進(jìn)行了變回差試驗(yàn)，回差上行值固定為2℃，下行值調(diào)整不同取值。供暖初期室外溫度較高，供暖需求較低，為避免頻繁啟停，考慮較大的下行值6℃。進(jìn)而隨室外溫度降低，將下行值逐步調(diào)整為4℃、2℃，具體時(shí)間安排見表3。

表3 各工況階段回差設(shè)定、室外溫度與相對(duì)濕度情況

3 結(jié)果與討論

3.1 氣象條件

2019 年11 月15 日~2020 年1 月15 日的室外溫度與相對(duì)濕度情況見表3?？梢?，ΔT-s,set=-6℃、-4℃、-2℃對(duì)應(yīng)時(shí)段的平均室外溫度分別為2.7℃、-0.8℃、-1.5℃，呈逐漸降低趨勢(shì)。

3.2 建筑供熱需求保障情況

為了評(píng)估空氣源熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑供暖的保障水平，分析了試驗(yàn)期間不同回差設(shè)置下的室內(nèi)溫度和單位面積供熱量的情況。在試驗(yàn)過程中，用戶可以根據(jù)自己的需求調(diào)節(jié)供水溫度設(shè)置。當(dāng)室外日平均溫度在-4.0℃~9.4℃時(shí)，室內(nèi)日平均溫度在15.0℃~19.1℃。室內(nèi)溫度滿足GB/T 50824—2013 中農(nóng)村住宅14.0℃的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

由于建筑熱負(fù)荷隨室外溫度的增加而減少，因此空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供熱量呈相應(yīng)的下降趨勢(shì)，如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行實(shí)測(cè)期間供熱量情況

空氣源熱泵日耗電量情況如圖5 所示。由于負(fù)載率的降低，因此單日耗電量隨室外溫度的增加而降低。此外，參考圖7 所示的Tout=0℃左右的結(jié)果，在相同的室外氣候條件下，日耗電量隨下行回差的增加而降低。

圖5 運(yùn)行實(shí)測(cè)期間系統(tǒng)耗電量情況

系統(tǒng)COP 情況如圖6 所示。不同回差設(shè)置周期下的系統(tǒng)COP 數(shù)據(jù)見表4。在變回差試驗(yàn)期間，COPsys隨著Tout的增加而增加，在1.47 到2.79 之間變化。室外平均氣溫為0.0℃，平均COPsys為1.81。此外，在相同的室外氣候條件下，COPsys隨著ΔT-s,set的增加而增加。如圖6 所示，更大的ΔT-s,set下的COPsys的增長(zhǎng)率更高。

圖6 運(yùn)行實(shí)測(cè)期間系統(tǒng)性能系數(shù)情況

表4 典型日運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)

綜上所述，在不同的回差設(shè)置下，空氣源熱泵系統(tǒng)的性能不同并且系統(tǒng)的性能隨回差的增加而增加。為了理解這一現(xiàn)象，選擇了具有相似室外氣候條件的3 個(gè)典型日進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.3 典型日的性能分析和詳細(xì)說明

針對(duì)3 種ΔT-s,set設(shè)定，為詳細(xì)分析空氣源熱泵機(jī)組COPsys發(fā)生變化的原因，選取室外氣象條件接近的3 個(gè)典型日，從啟停、水溫變化、運(yùn)行總時(shí)間與其間機(jī)組狀態(tài)等角度進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)3 個(gè)典型日的情況可知，住戶根據(jù)實(shí)際情況自行調(diào)節(jié)供水溫度設(shè)定值Ts,set，3 個(gè)典型日均呈現(xiàn)日間供水溫度低而夜間供水溫度高的特點(diǎn)。隨著ΔT-s,set的變化，機(jī)組呈現(xiàn)不同的啟停特性與運(yùn)行狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)3 個(gè)典型日的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)（見表4），具體分析如下。

首先，啟停次數(shù)由5.9h-1降至2.9h-1、1.2h-1，減至原有的65.9%、27.3%，頻繁啟?，F(xiàn)象得到改善，有助于避免啟停過程中的損耗。

其次，主機(jī)運(yùn)行時(shí)段平均供水溫度分別為43.2℃、43.1℃、42.3℃，為用戶設(shè)定水溫與不同回差設(shè)定共同影響的結(jié)果；平均供回水溫差分別為2.4℃、2.9℃、3.6℃，隨ΔT-s,set的增大而增大。ΔT-s,set=6℃工況下供水溫度的降低有助于機(jī)組性能的提升，而較大的供回水溫差則在較低供水溫度下滿足了建筑供熱需求。

最后，主機(jī)總運(yùn)行時(shí)間由15.6h 減至11.9h、8.4h，而運(yùn)行時(shí)段機(jī)組平均功率由3.19kW 增至3.49kW、3.95kW，系統(tǒng)總耗電量由51.95kW·h 降至43.14kW·h、34.66kW·h，即隨ΔT-s,set的增大，主機(jī)運(yùn)行總時(shí)間變短，工作負(fù)荷率更高，有利于系統(tǒng)能效比的提升。

結(jié)合上述分析，在相同的氣候條件下，隨著ΔT-s,set的增加，COPsys從1.58 增加到1.76 和2.00，ΔT-s,set從2℃增加到4℃和6℃，分別增加了11.4%和26.6%。此外，值得關(guān)注的是，當(dāng)室外日平均氣溫在-1.8℃~-1.6℃時(shí)，在3 個(gè)典型日均沒有觀察到結(jié)霜或除霜過程，因此該文沒有對(duì)結(jié)霜和除霜現(xiàn)象進(jìn)行研究。

該文根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容，提出了基于供需匹配的空氣源熱泵供熱系統(tǒng)變回差水溫控制方法，并形成專利。該方法能夠隨室外溫度的升高動(dòng)態(tài)增大水溫控制回差，可改善低負(fù)荷狀態(tài)下空氣源熱泵機(jī)組的頻繁啟停問題，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)耗電量，減少啟停過程中的噪聲影響[9]。

4 結(jié)論

空氣源熱泵系統(tǒng)是中國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)理想的清潔能源取暖方式之一。針對(duì)其在實(shí)際運(yùn)行中長(zhǎng)期工作在部分負(fù)荷工況、能效比偏離理想值的問題，該文提出隨室外溫度變化動(dòng)態(tài)分段調(diào)整水溫回差控制下行差ΔT-s,set的方案，并基于北京“煤改電”工程中一配備空氣源熱泵系統(tǒng)的典型農(nóng)村住宅進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)考察該方法的可行性與效果。結(jié)果表明：1）在2019 年11 月15 日到2020 年1 月15 日期間，隨室外溫度的降低，分別采用（+2℃，-6℃）、（+2℃，-4℃）、（+2℃，-2℃）的供水溫度控制回差設(shè)定，建筑供熱需求均可得到滿足，在-4.0~9.4℃的室外溫度下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度為15.0℃~19.1℃。2）在相同的室外氣候條件下，當(dāng)ΔT-s,set增大時(shí)，可有效減少啟停循環(huán)次數(shù)，降低啟停過程中的能量損耗。運(yùn)行期間平均供水溫度降低，而較大的供回水溫差滿足了建筑供暖需求?？傔\(yùn)行時(shí)間減少，高負(fù)荷率下運(yùn)行時(shí)間比例增加。ΔT-s,set的增加可以提高COPsys并且隨著室外空氣溫度的升高，優(yōu)化效果也變得更好。

該文提出的變回差控制算法可以在保證加熱效果的前提下，提高COPsys，并降低功耗。該文為AWHP 系統(tǒng)提供了一種低成本、便捷的節(jié)能優(yōu)化方案，為建筑節(jié)能減排帶來了顯著的效益。同時(shí)基于上述研究?jī)?nèi)容形成了相關(guān)發(fā)明專利，可有效改善低負(fù)荷狀態(tài)下空氣源熱泵機(jī)組的頻繁啟停問題，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)耗電量，減少啟停過程中的噪聲影響。