北京某教學(xué)樓空氣源熱泵供暖系統(tǒng)現(xiàn)場實驗

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院 哈爾濱 150090； 2 黑龍江省建筑節(jié)能與能源利用重點實驗室 哈爾濱 150090； 3 丹佛斯自動控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

空氣源熱泵供暖作為一種清潔的供暖形式[1]，在我國北方，特別是京津冀地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景[2]。隨著國家“煤改清潔能源”政策的推廣，空氣源熱泵逐漸在寒冷地區(qū)普及。為滿足市場需求，保證供暖系統(tǒng)在室外氣溫較低時可以高效穩(wěn)定運行，市場上出現(xiàn)了大量低溫型空氣源熱泵產(chǎn)品[3-6]，低溫工況下的性能系數(shù)也有很大提高[7]。但是在實際應(yīng)用中空氣源熱泵的運行工況常常偏離名義工況和低溫工況，存在運行性能遠低于銘牌性能的實際問題[8]。因此，為了解空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在整個供暖期的運行狀況，需要大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的支撐。

隨著熱計量的推行[9]，溫控器逐漸應(yīng)用于常規(guī)的供暖系統(tǒng)[10-11]，既節(jié)能又能保證室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，克服了用戶難以調(diào)控供熱量及房間溫度過高的難題[12-13]。而將溫控器應(yīng)用到空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，溫控器對空氣源熱泵的供暖效果、機組性能以及節(jié)能性是否會產(chǎn)生影響，目前相關(guān)的研究較少。

本文以建筑供暖為研究對象，通過室溫控制結(jié)合水力平衡措施減少室內(nèi)供熱量，降低空氣源熱泵的能耗，達到節(jié)能減排的目的。根據(jù)北京某教學(xué)樓現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，采用量化的方法分析了帶室溫控制的空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)的供暖效果、機組性能及節(jié)能性。

1 現(xiàn)場測試方案

1.1 測試系統(tǒng)原理

測試的北京某教學(xué)樓的建筑平面圖如圖1所示。供暖區(qū)域分為A、B兩區(qū)，分別采用了一套空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)，熱源均采用某品牌噴液型低溫空氣源熱泵，額定制熱量為90.0 kW，兩套系統(tǒng)相互獨立。圖2所示為A/B區(qū)的供暖系統(tǒng)原理。

圖1 建筑平面圖Fig.1 Architectural plan

圖2 供暖系統(tǒng)原理Fig.2 The principle of heating system

A區(qū)地板輻射供暖末端的分集水器處安裝了溫控器+動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥(后簡稱調(diào)節(jié)閥)，現(xiàn)場安裝如圖3所示。溫控器可以自動控制供熱閥門的開斷，實現(xiàn)控制室溫和節(jié)能的目的；調(diào)節(jié)閥集壓差控制器與電動調(diào)節(jié)閥為一體，既可控制流量又能保證持續(xù)的自動水力平衡，原理可參考文獻[14]。在供回水主干路上安裝了壓差旁通閥，用于供熱水系統(tǒng)的壓差旁通控制，保護系統(tǒng)的正常運行。B區(qū)未安裝溫控器、調(diào)節(jié)閥及壓差旁通閥，運行中不做流量和室內(nèi)溫度控制。

A區(qū)建筑面積為1 722 m2，根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得到熱指標為61.6 W/m2，B區(qū)建筑面積為1 615 m2，熱指標為56.9 W/m2，A區(qū)和B區(qū)建筑面積和熱指標接近，系統(tǒng)形式和布置相同，具有可比性。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，按該教學(xué)樓的教學(xué)時間設(shè)定溫控器的預(yù)設(shè)溫度，該教學(xué)樓周一至周五8∶00—21∶30為教學(xué)時間，周末全天無人。綜合考慮地板輻射供暖的房間預(yù)熱特性，溫控器房間溫度預(yù)設(shè)值為：周一至周五05∶30—22∶30及22∶30—05∶30設(shè)定溫度分別為21 ℃及12 ℃，周末全天設(shè)定溫度為12 ℃。

圖3 A區(qū)溫控器+調(diào)節(jié)閥的現(xiàn)場安裝Fig.3 Field installation of the thermostat and control valve in area A

機組出水溫度根據(jù)學(xué)校教學(xué)日歷設(shè)定：階段1(教學(xué)期間)為2016-12-15—2017-01-23，需保證供暖需求，機組出水溫度為35 ℃；階段2(寒假期間)為2017-01-24—2017-02-19)，僅需防凍，機組出水溫度為20 ℃。

測試了系統(tǒng)的供回水溫度、系統(tǒng)流量、耗電量及室內(nèi)外溫度。在熱泵機組附近各設(shè)1個溫度傳感器，測試室外溫度波動，測試精度為±0.3 ℃；在供回水總干管處各設(shè)1個Pt1000鉑電阻溫度傳感器，測試系統(tǒng)供回水溫度，測試精度為±0.1 ℃；各房間根據(jù)JGJ/T177—2009[15]按面積大小分別設(shè)置1～3個Pt100鉑電阻溫度傳感器，測試房間室內(nèi)溫度，測試精度為±0.1 ℃。系統(tǒng)供水管處設(shè)電磁流量計，測試精度0.5級。電表測試精度1級。測試周期均為5 min，溫度、系統(tǒng)流量、耗電量的測試數(shù)據(jù)由電腦自動采集和存儲。

1.2 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)供熱量：

(1)

式中：QH為系統(tǒng)的供熱量，kW·h；ρ為水的密度，kg/m3；cp為水的比熱容，J/(kg·K)；V為系統(tǒng)循環(huán)流量，m3/s；tw1i為i時刻供暖系統(tǒng)供水溫度，℃；tw2i為i時刻供暖系統(tǒng)回水溫度，℃；Δτi為i次測試時間間隔，s；T為測試周期。

熱泵機組性能系數(shù)：

(2)

式中：COPi為第i時段熱泵機組性能系數(shù)；QHi為第i時段熱泵機組供熱量，kW·h；Ni為第i時段熱泵機組耗電量，kW·h。

區(qū)別于機組性能系數(shù)，考慮水泵對系統(tǒng)性能影響，系統(tǒng)性能系數(shù)：

(3)

機組負荷率：

(4)

式中：K為機組負荷率；Tc為機組所有壓縮機當(dāng)日總工作時間，h；n為機組壓縮機個數(shù)。

供熱量、COP和COP′的相對誤差分別為±0.8%、±1.8%和±1.8%。

2 現(xiàn)場實驗結(jié)果及分析

2.1 供暖效果

圖4所示為2016-12-15—2017-02-19測試期間，房間室內(nèi)溫度隨時間的變化。106和107房間屬于A區(qū)系統(tǒng)，108和109房間屬于B區(qū)系統(tǒng)。

圖4 房間室內(nèi)溫度隨時間的變化Fig.4 The variation of indoor temperature with time

階段1期間的系統(tǒng)出水溫度為35 ℃，A區(qū)系統(tǒng)房間溫度波動范圍為16.4～23.5 ℃，低溫時段出現(xiàn)在周末，與溫控器溫度預(yù)設(shè)值相吻合，而高溫時段主要出現(xiàn)在工作日，從整體上看室溫以7 d為一個周期呈周期性分布。B區(qū)系統(tǒng)房間溫度波動范圍為22.5～27.4 ℃，室溫波動小。階段2期間的系統(tǒng)出水溫度為20 ℃，A區(qū)系統(tǒng)室溫為12.6～21.9 ℃，B區(qū)系統(tǒng)室溫為13.6～23.8 ℃，兩個系統(tǒng)大多數(shù)時間室溫約維持15 ℃。

該供暖系統(tǒng)的供暖效果滿足我國寒冷地區(qū)室內(nèi)溫度18～24 ℃的設(shè)計要求[16]，在溫控器的調(diào)節(jié)下，A區(qū)系統(tǒng)的室溫低于B區(qū)系統(tǒng)的室溫，且更滿足室溫設(shè)計要求。

2.2 供熱量及調(diào)控

在供暖期間，室外溫度是影響建筑需熱量變化的主要因素，室外溫度升高，建筑所需供熱量也會相應(yīng)降低。圖5所示為2016-12-15—2017-02-19總測試期間，A/B區(qū)系統(tǒng)逐日供熱量及日均溫隨時間的變化。可知，階段1的日供熱量大于階段2，這主要是由于機組出水溫度由35 ℃降為20 ℃導(dǎo)致。在整個運行階段，A區(qū)的日供熱量小于B區(qū)，特別是周末，日供熱量下降明顯，說明溫控器發(fā)揮了調(diào)控日供熱量的作用，能進一步發(fā)揮空氣源熱泵的節(jié)能性。

圖5 日供熱量與日均溫隨時間的變化Fig.5 The variation of daily heating capacity and daily average temperature with time

為進一步研究溫控器的控制作用，選取一組典型的實驗數(shù)據(jù)分析室溫控制對系統(tǒng)流量和供熱量的影響。圖6所示為系統(tǒng)的逐時供熱量和逐時流量隨時間的變化，其中圖6(a)中測試時間為2017-01-18—2017-01-23(階段1)，圖6(b)中測試時間為2017-02-02—2017-02-08(階段2)。由圖6(a)可知，A區(qū)系統(tǒng)在溫控器、調(diào)節(jié)閥與壓差旁通閥協(xié)同作用下，實際為變流量運行。在工作日的工作時間(05∶30—22∶30)溫控器設(shè)定溫度為21 ℃，供熱量需求大，流量增大；當(dāng)室內(nèi)溫度滿足需求后，轉(zhuǎn)為低流量運行；無人時(22∶30—05∶30)溫控器設(shè)定溫度為12 ℃，供熱量需求小，流量減小。周末，全天溫控器設(shè)定為12 ℃，供熱需求較低，整個時間段都處于低流量運行。A區(qū)系統(tǒng)逐時流量呈明顯的周期性變化。B區(qū)系統(tǒng)無室溫調(diào)控，逐時流量維持不變，在周末無人時，存在較大逐時供熱量情況，能量浪費嚴重。

圖6 逐時供熱量和逐時流量隨時間的變化Fig.6 The variation of hourly heating capacity and flow with time

由圖6(b)可知，A/B區(qū)系統(tǒng)的機組出水溫度均降為20 ℃，但A區(qū)室內(nèi)房間溫控器的控制邏輯仍與階段1相同，機組出水溫度難以滿足房間室溫21 ℃的設(shè)定要求，在工作日白天仍以大流量供熱，這也是造成圖5中A區(qū)與B區(qū)階段2期間逐時供熱量相差不大的原因。A區(qū)功耗增大，節(jié)能潛力下降。因此在實際運行中，室內(nèi)房間的控制邏輯應(yīng)與室外機組的控制邏輯相匹配。

2.3 能耗及能效

2.3.1能耗

選取2018年1—10月在我院接受治療的60例急性單純性闌尾炎患者作為研究對象，按照隨機數(shù)字表法分為兩組，每組各30例。觀察組中，男17例，女13例；年齡12～79歲，平均年齡（34.86±3.92）歲；病程1～10 h，平均病程（4.06±1.33）h。對照組中，男16例，女14例；年齡19～75歲，平均年齡（35.08±3.14）歲；病程1～10 h，平均病程（4.12±1.27）h。兩組患者一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

在空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)上引入室溫控制，實現(xiàn)按需供熱，提高系統(tǒng)的節(jié)能性。耗電量可直觀反映引入室溫控制的節(jié)能效果，為了消除供暖面積和熱負荷略微差異的影響，引入單位面積耗電量計算節(jié)能率。圖7所示為2016-12-15—2017-02-19總測試期間，日耗電量隨時間的變化，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖7 日耗電量隨時間的變化Fig.7 The variation of daily power consumption with time

由圖7可知，階段1與階段2相比，熱泵機組出水從35 ℃降至20 ℃，日耗電量明顯下降，階段2的日耗電量約為階段1的1/3。階段1期間，A區(qū)系統(tǒng)的日耗電量顯著低于B區(qū)系統(tǒng)的日耗電量；階段2期間，工作日的日耗電量A區(qū)系統(tǒng)與B區(qū)系統(tǒng)相差不大，但周末的日耗電量A區(qū)系統(tǒng)明顯低于B區(qū)系統(tǒng)。由于水泵為定頻水泵，其耗電量接近，圖7中水泵的耗電量占總耗電量比重較大，特別是A區(qū)系統(tǒng)，階段1水泵耗電量達到30%以上，階段2時水泵占比超過50%，說明今后的研究中需要進一步降低水泵的耗電量。

由表1可知，引入室溫控制后，解決了供熱過量的問題，大大降低了耗電量。階段1期間，系統(tǒng)正常供暖，節(jié)能率為24.4%；階段2期間，防凍運行工況，節(jié)能率略有下降，為16.3%?？倻y試期間，節(jié)能率為22.5%。階段2期間節(jié)能率下降的主要原因是在出水溫度降為20 ℃后，溫控器的設(shè)置并沒有改變，導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足室內(nèi)設(shè)定溫度，熱泵機組工作時間延長，能耗增加。說明當(dāng)熱泵機組在防凍低溫運行時，溫控器需要相應(yīng)降低設(shè)定的室溫，以獲得更大節(jié)能效益。

表1 單位建筑面積耗電量的統(tǒng)計Tab.1 Statistics of power consumption per unit building area

2.3.2能效

圖8所示為為測試期間A/B區(qū)的COP和COP′隨時間的變化。階段1期間，A區(qū)系統(tǒng)COP在3.21～4.47波動，COP′在2.26～2.86波動；B區(qū)系統(tǒng)COP在2.80～4.91波動，COP′在2.32～3.82波動。可知階段1期間，兩系統(tǒng)的熱泵機組工作相對平穩(wěn)，A區(qū)與B區(qū)系統(tǒng)的COP分別為3.56和3.54，無明顯差距。說明出水溫度為35 ℃時，引入室溫控制和水力平衡調(diào)控措施對熱泵機組的性能無明顯影響。階段1期間，A區(qū)與B區(qū)系統(tǒng)COP′分別為2.56和2.86，原因在于A區(qū)系統(tǒng)實際為變流量系統(tǒng)，實際運行中水泵流量需求小于設(shè)計流量，水泵耗電量占比更大，因此水泵能耗對整個系統(tǒng)的COP′有較大影響。

圖8 COP和COP′隨時間的變化Fig.8 The variation of daily COP and COP′ with time

階段2期間，A區(qū)和B區(qū)系統(tǒng)的COP均高于階段1，分別為6.38和4.74，其中A區(qū)系統(tǒng)提升更為明顯，周末COP大于10。原因為階段2期間，熱泵機組出水溫度為20 ℃，有利于冷凝器側(cè)的換熱；A區(qū)系統(tǒng)帶有室溫控制，周末大部分時間溫控器關(guān)閉，建筑側(cè)的耗熱量降低導(dǎo)致機組長時間停機，但水泵仍繼續(xù)運行，而由于室溫較低(圖4階段2)，室內(nèi)側(cè)的換熱仍持續(xù)進行，出現(xiàn)了COP非常高的情況。

圖9所示為A區(qū)系統(tǒng)階段2期間，機組負荷率隨時間的變化，1月28日(周六)供熱量是1月27日(周五)供熱量的59%，但1月28日的耗電量僅為1月27日耗電量的32%，故出現(xiàn)了周末COP偏高的情況，周末的部分熱量是工作日所制得。對于B區(qū)系統(tǒng)，沒有工作日與周末的區(qū)別，負荷率變動幅度不大，故圖8(a)中B區(qū)系統(tǒng)COP變化幅度較小。

圖9 機組負荷率隨時間的變化Fig.9 The variation of load factor with time

圖10 熱泵性能曲線驗證Fig.10 Verification of heat pump performance curve

3 結(jié)論

本文對北京某教學(xué)樓A/B區(qū)域的兩套空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進行的現(xiàn)場實驗測試，其中A區(qū)系統(tǒng)末端安裝了溫控器與動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥，通過運行性能對比分析，得到如下結(jié)論：

1)帶有室溫控制的A區(qū)系統(tǒng)供暖效果優(yōu)于無室溫控制的B區(qū)系統(tǒng)，室溫更符合人員需求。室溫控制的空氣源熱泵能根據(jù)用戶需求向室內(nèi)提供熱量，達到“按需供熱”的目的。

2)在正常供暖時，加入室溫控制和水力平衡控制不會降低機組性能，且實際COP接近機組的性能。供暖期間，A區(qū)和B區(qū)系統(tǒng)的COP分別達到3.56和3.54，無明顯差異。

3)合理設(shè)置溫控器參數(shù)，可以提高系統(tǒng)節(jié)能率。在出水35 ℃的正常供暖期間，A區(qū)系統(tǒng)相比于B區(qū)實現(xiàn)了24.4%的較高節(jié)能率。在出水20 ℃的防凍期間，由于溫控器設(shè)置未相應(yīng)更改，A區(qū)系統(tǒng)節(jié)能率僅為16.3%，整個測試期間的節(jié)能率降為22.5%，說明室溫控制應(yīng)與出水溫度相匹配。

4)適合的水泵運行策略，可以提高系統(tǒng)的性能?？紤]水泵的耗電量，A區(qū)和B區(qū)供暖期間COP′分別為2.56和2.86，過高的水泵耗電占比是導(dǎo)致A區(qū)系統(tǒng)性能略低于B區(qū)系統(tǒng)性能的主要原因，可考慮采用變頻策略控制水泵運行或者兩臺小型泵，應(yīng)對不同負荷下的運行，改善系統(tǒng)性能。