低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究

金洪文 宋炳奇 劉亞平 劉超越 侯慶瑩 蔣祥婷 龔恒勤

1 長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)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(guó)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(fèi)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。空氣源熱泵在嚴(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(shí)，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(lái)說(shuō)，空氣源熱泵彌補(bǔ)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(duì)空氣源熱泵在長(zhǎng)春地區(qū)某高校的應(yīng)用試驗(yàn)效果做具體分析研究，以期對(duì)后續(xù)空氣源熱泵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 工程概況

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為某高校實(shí)驗(yàn)樓，地點(diǎn)位于吉林省長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)測(cè)試房間位于建筑一層北向三個(gè)房間，測(cè)試房間使用面積共550 m2。

1.2 項(xiàng)目條件

長(zhǎng)春市冬季采暖室外計(jì)算溫度為-21.1 ℃[1]，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間從11 月1 日到次年的3 月28 日。實(shí)驗(yàn)房間原是由集中供熱系統(tǒng)采暖，應(yīng)實(shí)驗(yàn)需要把房間的原有供熱散熱器系統(tǒng)分割開來(lái)，與空氣源熱泵系統(tǒng)一起形成一個(gè)獨(dú)立的小型采暖供熱系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)使用的空氣源熱泵設(shè)在實(shí)驗(yàn)樓一樓室外，熱泵型號(hào)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(tái)壓縮機(jī)，單臺(tái)功率30 kW。熱泵以及水泵的用電消耗由電表進(jìn)行記錄。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)于室內(nèi)外分別設(shè)置3 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，供回水各一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)多參數(shù)巡檢儀每隔半小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，多參數(shù)巡檢儀型號(hào)為JK-16C。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在2019 年至2020 年采暖季，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)共148 天。根據(jù)開始試驗(yàn)與結(jié)束試驗(yàn)的電表示數(shù)可知整個(gè)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(jī)耗電量）為28484.8 度，實(shí)驗(yàn)房間使用面積共550 m2，實(shí)際建筑面積為785.7 m2。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)楦鼡Q水泵導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行，第一階段66 天，第二階段82 天。本文主要通過(guò)水泵工變頻的影響以及各不同時(shí)期耗能制熱情況進(jìn)行展開分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

2.1 水泵耗電分析

本實(shí)驗(yàn)熱泵采暖系統(tǒng)工作時(shí)使用一臺(tái)水泵，普通工頻水泵功率為1.1 kW。由于水泵為全天24 小時(shí)的連續(xù)工作模式，其電量消耗在整個(gè)能耗中占有不小的比例，因此水泵的節(jié)能措施也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(shí)到水泵能耗后更換了變頻水泵。

在水泵實(shí)際運(yùn)行測(cè)試中，所謂工頻運(yùn)行指的是在熱泵運(yùn)行時(shí)熱泵與用戶間的循環(huán)水泵保持滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)用戶室內(nèi)溫度達(dá)到滿足工作生活標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，熱泵機(jī)組停止運(yùn)行，此時(shí)循環(huán)水泵依舊繼續(xù)運(yùn)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(guò)大，對(duì)熱用戶來(lái)說(shuō)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(guò)高。

實(shí)驗(yàn)之初想通過(guò)斷電啟停機(jī)組的方式降低系統(tǒng)功耗，但機(jī)組頻繁的啟停嚴(yán)重影響其運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)不到節(jié)能目的。在實(shí)際運(yùn)行中，第二階段更換水泵后通過(guò)水泵頻率與轉(zhuǎn)速成正比來(lái)推算低頻運(yùn)行時(shí)實(shí)際功率。

根據(jù)公式：

當(dāng)循環(huán)水泵變頻運(yùn)行應(yīng)用上述計(jì)算公式結(jié)果可得到整個(gè)采暖系統(tǒng)耗電對(duì)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(duì)比

由此看到降頻后功率為0.238 kW 時(shí)，比原來(lái)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于大型項(xiàng)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(shí)驗(yàn)初期2019 年11 月11 日至2019 年11 月17 期間，室外最高溫度達(dá)8.4 ℃，最低溫度達(dá)-11.4 ℃，期間室外平均溫度-2.7 ℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)試房間內(nèi)平均溫度可達(dá)20.3 ℃，系統(tǒng)供回水平均溫度分別為30.5 ℃/20.3 ℃。在供熱實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)測(cè)試房間內(nèi)平均溫度19.6 ℃，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供回水平均溫度則分別為27.5 ℃/25.1 ℃。

通過(guò)供熱初期2019.11.11-11.14 運(yùn)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(shí)，熱泵機(jī)組頻繁啟停，機(jī)組大部分時(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)分析圖

因此室外溫度對(duì)機(jī)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(jī)組制熱量驟增達(dá)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(cè)到13 日機(jī)組除霜頻繁，制熱效果不明顯。長(zhǎng)春市處于我國(guó)溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，相對(duì)于西北地區(qū)大陸性氣候濕度較大，在空氣溫度一定時(shí)，相對(duì)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(guò)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(jī)組運(yùn)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(jī)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(shí)如圖3 所示，2019.11.14-11.17 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析圖中14 日和16 日分別有兩段時(shí)間制熱量明顯降低至10 kJ/s 和25 kJ/s，機(jī)組進(jìn)水溫度23 ℃，此時(shí)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(shí)，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(duì)于機(jī)組性能和制熱效果的影響是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖3 2019.11.14-11.17 運(yùn)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)間段低于-20 ℃有15 h。在嚴(yán)寒期的最后時(shí)段供回水溫度升高主要是為了測(cè)試機(jī)器在低溫環(huán)境下能達(dá)到的最高出水溫度，實(shí)際證明在原有設(shè)計(jì)負(fù)荷下，機(jī)器溫度升高緩慢，將系統(tǒng)所帶負(fù)荷減少一部分，出水溫度升高比較迅速，這為今后選配機(jī)器容量提供了很好的借鑒意義[3]。

觀察極寒天氣下機(jī)組運(yùn)行情況如圖4 所示，并不是所有極寒天氣時(shí)段機(jī)組制熱量都降低，室外溫度在-20 ℃左右的大部分時(shí)間機(jī)組正常工作，相反室外溫度從-10 ℃降低至-20 ℃的過(guò)程中，機(jī)組制熱量衰減幅度很大。經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)組部件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降時(shí)，機(jī)組各部件還未適應(yīng)調(diào)整機(jī)組內(nèi)部運(yùn)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(jī)的吸氣壓力也會(huì)下降，吸入制冷劑密度變小，壓縮機(jī)的實(shí)際單位質(zhì)量排量減小，其產(chǎn)熱量自然會(huì)降低[4]。此理論經(jīng)過(guò)本實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。

圖4 2019.12.26-2020.1.5 運(yùn)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(jì)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(jī)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(jì)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(gè)采暖季熱泵總制熱量為63093.18 kJ/s，總制熱時(shí)長(zhǎng)1839.77 h，熱泵制熱時(shí)長(zhǎng)占總時(shí)長(zhǎng)的比例為51.7%，循環(huán)水流量為1.05×104kg/h。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集計(jì)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(yùn)行過(guò)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(jī)能效比（COP）可定義為：

式中：Q 為實(shí)驗(yàn)期熱泵的輸出總制熱量；W泵為實(shí)驗(yàn)期熱泵的總耗電量。

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

4 經(jīng)濟(jì)性分析

整個(gè)采暖季實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間自2019 年11 月1 日-2020 年3 月30 日共148 天，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)總耗電量為28484.8 kWh，日均消耗電量192.5 kWh。測(cè)試房間實(shí)際建筑面積為785.7 m2。若按長(zhǎng)春市采暖總時(shí)長(zhǎng)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(jià)每度0.525 元計(jì)算[2]，采暖季熱泵供熱費(fèi)用為21.6 元/m2。

長(zhǎng)春市采暖時(shí)間為每年10 月20 日至次年4 月6日，共169 天。采暖費(fèi)用為27 元/m2。按長(zhǎng)春市熱力收費(fèi)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(guò)3 m 的，每超0.3 m，熱費(fèi)加收5%。本實(shí)驗(yàn)樓層高4.2 m，采暖費(fèi)用按32.4 元/m2計(jì)算。

采用空氣源熱泵供暖運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)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(duì)比如表2。

表2 熱泵供暖與集中供暖經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié)論

本文由低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)得到，整個(gè)試驗(yàn)階段32 路多參數(shù)巡檢儀數(shù)據(jù)記錄分析得出熱泵機(jī)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(xiàng)目工程，節(jié)能效果會(huì)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(guò)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(dá)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(guò)程更能影響熱泵制熱效果，制熱量嚴(yán)重衰減。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試房間位于建筑北向房間，無(wú)太陽(yáng)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(cè)試溫度。在此嚴(yán)苛的條件下，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常理想，對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)熱泵供暖的設(shè)計(jì)研究有一定借鑒意義。