低環(huán)境溫度空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的供暖效果

王偉潔， 楊 麗、2， 王曉偉, 王宗偉

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院， 山東 濟南 250101； 2.貝萊特空調(diào)有限公司，山東 德州 253500; 3.長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院， 陜西 西安 710000)

1 概述

由于常規(guī)空氣源熱泵應(yīng)用于低溫環(huán)境存在很大局限性，因此國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對適用于低溫環(huán)境的空氣源熱泵展開了多方面研究[1-6]，但是缺乏相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗。本文結(jié)合實際工程，對低環(huán)境溫度空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的供暖效果進行實測分析。

2 工程概況

泰安市1幢住宅樓總供暖面積約5 570 m2，室內(nèi)采用地面輻射供暖系統(tǒng)。圍護結(jié)構(gòu)的做法及傳熱系數(shù)見表1。建筑物各朝向的窗墻比為：東向為0.14，西向為0.12，南向為0.52，北向為0.47。供暖室外計算溫度為-6.7 ℃，供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃?？紤]建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱量、冷風滲透量，建筑設(shè)計熱負荷為132.9 kW，考慮管道熱損失，設(shè)計熱負荷取140 kW。

表1 圍護結(jié)構(gòu)的做法及傳熱系數(shù)

3 設(shè)備選型與系統(tǒng)流程

低環(huán)境溫度空氣源熱泵采用噴氣增焓式空氣源熱泵。噴氣增焓式空氣源熱泵可在蒸發(fā)溫度為-30 ℃的工況運行，并提供有效的供暖熱水[7]。

該工程選用2臺額定制熱量為88 kW的低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組，額定輸入電功率為29.3 kW，設(shè)計進、出水溫度為40、45 ℃。一級側(cè)循環(huán)泵配置2臺，采取1機配1泵的原則，單臺質(zhì)量流量為18 t/h，揚程為20 m，電機額定輸入電功率為2.2 kW。二級側(cè)循環(huán)泵配置1臺，考慮管道沿程及局部阻力、最不利用戶室內(nèi)系統(tǒng)阻力、建筑高程，二級循環(huán)泵的質(zhì)量流量為35 t/h，揚程為61.5 m，電機額定輸入電功率為10.85 kW。水箱容積選取為20 m3。

供暖系統(tǒng)流程見圖1。機房設(shè)在建筑一層地面，循環(huán)泵安裝在機房內(nèi)，熱泵機組安裝在機房外。兩臺熱泵機組并聯(lián)運行，熱泵機組出水經(jīng)一級循環(huán)泵加壓后進入水箱上部。水箱上部的高溫熱水經(jīng)二級循環(huán)泵進入建筑室內(nèi)供暖系統(tǒng)供暖，放熱后的低溫熱水回到水箱底部，然后進入熱泵機組繼續(xù)被加熱。

圖1 供暖系統(tǒng)流程

4 評價指標與測量方案

① 評價指標

評價指標除熱泵機組出水溫度外，還有熱泵機組制熱性能系數(shù)。

熱泵機組制熱性能系數(shù)ICOP的計算式為：

Q=cpqρt(θs-θr)

式中ICOP——制熱性能系數(shù)

Q——制熱量，kW·h

E——熱泵機組耗電量，kW·h

cp——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.18 kJ/(kg·K)

q——計算時間內(nèi)一級管網(wǎng)平均流量，m3/s

ρ——熱水密度，kg/m3，本文取992 kg/m3

t——計算時間，h

θs——計算時間內(nèi)熱泵機組平均出水溫度，℃

θr——計算時間內(nèi)熱泵機組平均進水溫度，℃

② 測量方案

測試期為2018年11月15日—2019年3月15日的供暖期，測試內(nèi)容主要包括室外溫度、熱泵機組進出水溫度、一級管網(wǎng)流量、熱泵機組耗電量。測量裝置的測量范圍、測量對象見表2。除熱泵機組耗電量讀取記錄時間間隔為1 h外，其他參數(shù)讀取記錄時間間隔為10 min。

表2 測量裝置的測量范圍、測量對象

5 測量結(jié)果與分析

在供暖期的前期、中期分別選取1日作為典型日，分析低溫空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的供暖效果。各典型日的室外溫度見表3。

表3 各典型日的室外溫度

5.1 熱泵機組出水溫度

① 典型日1

典型日1室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化見圖2。由圖2可知，典型日1的室外溫度范圍為-5～0 ℃。熱泵機組出水溫度平穩(wěn)，最高出水溫度為41.9 ℃，最低出水溫度為40.7 ℃，平均出水溫度為41.2 ℃。

圖2 典型日1室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化

② 典型日2

典型日2室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，典型日2室外溫度比較低(變化范圍為-11.4～-3.9 ℃)，熱泵機組出水溫度僅隨室外溫度的降低出現(xiàn)了小幅下降。熱泵機組最高出水溫度為37.4 ℃，最低出水溫度為36.4 ℃，平均出水溫度為37.1 ℃，雖然整體低于室外溫度比較高的典型日1，但總體保持平穩(wěn)。基本符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第5.4.1條的規(guī)定(熱水地面輻射供暖系統(tǒng)供水溫度宜采用35～45 ℃，不應(yīng)大于60 ℃)。

圖3 典型日2室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化

5.2 制熱性能系數(shù)

典型日熱泵機組制熱性能系數(shù)見表4。由表4可知，供暖中期熱泵機組制熱性能系數(shù)低于供暖初期，說明室外空氣溫度是低環(huán)境溫度空氣源熱泵性能主要影響因素之一。在室外溫度比較高的供暖初期，熱泵機組平均制熱性能系數(shù)超過3.0。在室外溫度比較低的供暖中期，熱泵機組平均制熱性能系數(shù)接近3.0，說明低環(huán)境溫度空氣源熱泵性能滿足寒冷地區(qū)供暖要求。

表4 典型日熱泵機組制熱性能系數(shù)

6 結(jié)論

① 供暖初期典型日，室外溫度范圍為-5～0 ℃，熱泵機組出水溫度平穩(wěn)，平均出水溫度為41.2 ℃。供暖中期典型日，室外溫度比較低(變化范圍為-11.4～-3.9 ℃)，熱泵機組出水溫度僅隨室外溫度的降低出現(xiàn)了小幅下降，平均出水溫度為37.1 ℃，總體保持平穩(wěn)。符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》第5.4.1條的規(guī)定(熱水地面輻射供暖系統(tǒng)供水溫度宜采用35～45 ℃，不應(yīng)大于60 ℃)。

② 供暖中期的熱泵機組制熱性能系數(shù)低于供暖初期。在供暖初期，熱泵機組平均制熱性能系數(shù)超過3.0。在供暖中期，熱泵機組平均制熱性能系數(shù)接近3.0。

③ 室外空氣溫度是低環(huán)境溫度空氣源熱泵性能的主要影響因素之一，低環(huán)境溫度空氣源熱泵性能滿足寒冷地區(qū)供暖要求。