采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵空調系統研究

靳成成王如竹翟曉強金哲權

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學能源與過程工程系 特隆赫姆）

采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵空調系統研究

靳成成1王如竹1翟曉強1金哲權2

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學能源與過程工程系 特隆赫姆）

為了提高空氣源熱泵空調系統運行性能，研究了一套采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵機組的制冷性能。實驗研究表明，變回水溫度工況可滿足室內冷負荷需求。與傳統采用定12℃回水溫度的空氣源熱泵空調系統相比，COP更高，耗電量更小，是一種高效節能的空氣源熱泵空調系統控制方法。此外，所建立的Dymola模型從理論上驗證了實驗結果，在此基礎上模擬實際空調系統的能耗，模擬結果表明，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

空氣源熱泵；變回水溫度；Dymola模擬；制冷性能實驗；性能系數（COP）

隨著人民生活水平的提高，建筑能耗在全國總能量中的比例日益加大，2014年我國建筑能耗占全國能源消費總量約為25%。而在歐洲發達國家，建筑能耗已經占總能耗的40%和CO2排放量的36%［1］。中國提出到2020年單位GDP碳排放下降40%～45%的減排目標［2］，根據預測，到2020年，我國建筑能耗消費總量還會有較顯著的提升。而在建筑能耗中，空調能耗占50%［3］。因此，降低空調能耗對建筑節能具有重要意義。Jenkins D等［4］對空氣源熱泵進行經濟性分析，得出空氣源熱泵空調系統相對于傳統空調系統更加節能，且在減少辦公室CO2排放量方面有顯著優勢。空氣源熱泵冷熱水機組可以與風機盤管結合形成比較高效的建筑樓宇空調系統，對解決舒適性供暖和高效制冷具有積極意義。

目前一些文獻已就提高空氣源熱泵性能進行了研究，齊亞茹等［5］提出引入強化補氣技術，在低溫環境下使系統COP提高7.7% ～25.0%。楊亮等［6］提出一種外繞微通道冷凝器，通過仿真分析指出增大冷凝器可以提高系統COP，王志華等［7］、郝鵬飛等［8］提出了新型無霜空氣源熱泵。對于供回水溫度對空調系統的性能影響一些學者也進行了研究。Bertsch S S等［9］、Li Y等［10］提出雙級壓縮熱泵在低溫環境下仍能達到較高的COP。王剛［11］提出優化系統運行時應根據實際運行工況、系統阻力損失等因素來確定冷凍水的供回水溫度。楊曉敏［12］通過空調系統實際運行數據對小流量大溫差與大流量小溫差的運行工況的節能性能進行了對比分析，表明小溫差（5～7℃）下的系統節能率比大溫差（8℃）的節能率高。吳海平［13］通過擬合公式得出制冷量和溫差不變時，機組供水溫度由5℃升高至10℃時，COP提高約15%。鄭東林等［14］對不同運行模式（定流量、定溫差、調節流量、調節末段開啟臺數控制）下的系統能耗進行了分析，結果表明采用不同供回水溫差的控制方式可達到能耗最小的效果。吳偉等［15］通過實驗驗證，得出當夏季供10℃的冷水時，可實現冷水機組節能13%。從以上可以看出，已有研究集中于對10℃以下的供水溫度和5℃以上的較大供回水溫差的系統性能進行研究。此外，對供回水溫度的控制方式比較模糊，未明確如何通過具體的物理參數對其進行控制。而本文對工況為13℃以上的供水溫度，3℃以下的小供回水溫差，回水溫度隨室外溫度變化的控制策略下的空氣源熱泵空調系統進行了實驗研究與分析。通過對定、變回水溫度兩種控制策略下的系統性能進行實驗和模擬對比分析，得到具有實際應用價值的結論。

1　實驗系統介紹

基于上海交通大學中意綠色能源實驗樓的一套空氣源熱泵冷熱水空調系統，開展了系列實驗研究，空調區域的總建筑面積為292 m2。室外機組為渦旋式風冷熱泵冷熱水機組，額定制冷量為39.2 kW，額定制熱量為39.5 kW，壓縮機額定功率為12.2 kW，所采用的制冷劑為R410A。冷凍水供回水設計溫度為7℃ /12℃。制冷機組有兩臺壓縮機，通過壓縮機啟停來控制供回水溫度，室內末端的啟停來控制室內溫度。

圖1所示為測試系統示意圖，系統共包含11個風機盤管末端，通過調節末端的數量來控制系統的冷負荷。在空氣源熱泵換熱器進風側放置溫度記錄儀，每隔2 min采集一次數據作為室外溫度，存儲24 h的數據，再導入Excel表格進行分析處理。供回水溫度采用Pt1000熱電阻進行測量，耗電量采用電流互感器進行測量，在數據采集儀上每隔2 min讀取數據，其測試精度與測試范圍如表1所示。實驗中共測試了4個工況，如表2所示。

圖1　測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

表1　測試系統中不同傳感器的測試精度與測試范圍Tab.1 Specification of the sensors used in test system

表2　4種測試工況Tab.2 4 kinds of test condition

2　系統性能評價方法

通過上述實驗數據，可得到機組總制冷量Q:

式中:c為水的比熱容，取4200 kJ/（kg·℃）；ρ為水的密度，取103kg/m3；v為空氣源熱泵機組的水流量，m3/h；Tin為回水溫度，℃；Tout為供水溫度，℃。

制冷機組平均COP為:

機組負荷率定義為一段時間內機組實際耗電量與滿負荷運行時的機組耗電量之比，即:

3　空調運行性能實驗研究

3.1定回水溫度控制策略

如圖2所示，本次實驗選擇了氣候條件相似的兩天，比較回水溫度為12℃時兩種工況下機組的性能。

圖2　室外溫度隨時間變化曲線Fig.2 Variation of outdoor air temperature w ith time

圖3（a）和（b）分別表示末端開啟個數不同時的供回水溫度變化，定回水溫度策略時供回水溫差約為5℃。工況1負荷率較大，壓縮機切換了30次，工況2負荷率較小，運行一個壓縮機即可在短時間內達到室內設定溫度，造成壓縮機切換次數較多，切換了64次，對應的是供回水溫度變化的次數，所以工況1供水溫度變化較平穩，工況2供水溫度在6～12℃間劇烈變化。

圖3　供回水溫度隨時間變化曲線Fig.3 Variation of inlet and outlet tem perature w ith time

定回水溫度策略時兩種工況，流量為3.0 m3/h，工況1的平均制冷量為18.08 kW，負荷率為60%，COP為2.98；工況2的平均制冷量為15.46 kW，負荷率為40%，COP為3.80。由圖4可知，壓縮機運行狀態不同，對應的COP不同。從圖中可以看出，實驗過程中，負荷相同時，相對于一個壓縮機連續運行，工況1的COP為3.19，工況2的COP為3.49；在機組處于不停地切換運行狀態時，能效降低，工況1的COP降低了6.6%，工況2的COP降低了4.6%，并且機組頻繁啟停會造成潤滑油發熱，壓縮機摩擦阻力變大，所以采用適當的控制策略避免機組頻繁啟停對降低機組能量損失有重要意義。

圖4　兩種工況機組功率隨時間變化曲線Fig.4 Variation of unit power consum ption w ith time under two conditions

3.2變回水溫度控制策略

根據熱泵的理論循環，供水溫度的提升可以優化運行工況，COP將有較大提升，所以可以設想在滿足室內負荷的情況下適當提高供水溫度，水溫提高除濕能力降低，建議在實際應用中配置獨立除濕機組，例如固體吸附材料除濕［16］，形成溫濕度獨立控制的空調系統。隨著供水溫度提高，室內末端與空氣的換熱量降低，在冷負荷較大時，若供水溫度設置過高，有可能不滿足室內冷負荷需求，因此需要根據室外溫度調節供回水溫度。

圖5所示為變回水溫度實驗下的室外溫度隨時間的變化曲線，認為是在相似的氣候條件下，對系統性能進行對比。

如圖6所示，室外溫度較高時，供回水溫度同時下降，且回水溫度的下降速度高于供水溫度的下降速度，導致供回水溫差增大。系統全天運行實驗表明，工況1的供回水溫差為2.69℃，是定回水溫度的54.7%，工況2的供回水溫差為2.38℃，是定回水溫度的53.8%。根據多次實驗擬合得如下公式:

圖5　室外溫度隨時間變化曲線Fig.5 Variation of outdoor air temperature w ith time

圖6　供回水溫度隨時間變化曲線Fig.6 Variation of inlet and outlet temperature w ith time

式中:Tin為回水溫度，℃；Toutdoor為室外溫度，℃。實驗期間，室內負荷基本固定，所以，此擬合關系適用于本實驗系統。

變回水溫度策略時供回水溫差較小，流量為3.8 m3/h。工況1的制冷量為15.95 kW，負荷率為40%，COP為3.68；工況2的制冷量為15.29 kW，負荷率為28%，COP為5.43。由圖7可知，功耗的大小主要體現在壓縮機運行時間和停機時間的比例，停機時間長，平均功耗較小。工況1壓縮機停機6 h，工況2壓縮機停機11 h，所以工況2負荷率較小。

圖7　兩種工況機組功率隨時間變化曲線Fig.7 Variation of unit power consumption w ith time under two conditions

3.3定回水溫度策略與變回水溫度策略比較

定回水溫度與變回水溫度控制策略均能使室內溫度穩定在設定點，衡量這兩種控制策略的節能性就表現為機組COP。

圖8　定回水溫度策略與變回水溫度策略系統性能比較Fig.8 System performance comparison of fixed inlet water temperature strategy and variable inlet water tem perature strategy

如圖8所示，采用定回水溫度控制策略時，工況1的COP為2.98，工況2的COP為3.80；采用變回水溫度控制策略時，對應工況的COP分別為3.68和5.43，與前者相比，工況1的COP提高了23%，工況2的COP提高了43%，所以變回水溫度控制策略在工況2下耗電量更小，COP更高。

4　系統性能仿真

4.1建立模型

Dymola是一種較好的模擬熱泵的軟件，采用Modelica語言編寫程序，可調用多種模型庫，圖9中模型建立在TIL庫的基礎上，為以R410a為制冷劑的空氣源熱泵空調系統循環。空氣側室外風機是在最大風量的限制下，根據冷凝器進口處，制冷劑和室外空氣最小溫差，采用PI控制。制冷劑循環系統包含壓縮機，板式蒸發器，翅片盤管冷凝器，膨脹閥等。壓縮機根據回水溫度進行PI控制；膨脹閥根據熱力膨脹閥的原理，使用3℃的過熱度進行閥門開度控制。根據實驗工況下所測得數據，包括冷負荷、室外空氣溫、濕度為邊界條件，模擬出某一夏季工況下的熱泵運行特性。主要模擬結果包括:機組COP，供回水溫度以及機組功耗隨時間的變化情況。

圖9　空氣源熱泵空調系統制冷循環模型圖Fig.9 M odel diagram of air source heat pum p cooling system

4.2模型驗證與預測

以定回水溫度策略的工況2和變回水溫度策略的工況2中室外溫濕度、制冷量作為邊界條件驗證模型的準確性。表3所示為模擬結果與實測結果比較。

由圖10（a）可知，室外溫度升高時，模擬的COP降低，與理論相符。但在室外溫度較低時，實際測試中使用的雙壓縮機啟停，機組的啟停較為頻繁，造成機組損耗較大。全天COP模擬值與實測值相差7%以內，工程上滿足精度要求。

表3　模擬與實測全天平均制冷量、耗電量、COP比較Tab.3 Com parison of average cooling consum ption，power consum ption and COP all day

以定回水溫度策略的工況2所測室外溫濕度、制冷量為邊界條件，導入回水溫度與室外空氣溫度擬合關系式公式（4）測得變回水溫度控制策略模擬結果，消除了實驗中室外溫度變化和流量變化的影響，確保與定回水溫度策略比較時結果的可信性。由表4和圖11可知，室外溫度較高時，回水溫度降低，供水溫度降速更快，對應的供回水溫差變大，與實驗所測趨勢一致。

表4　回水溫度模擬值與實測值比較Tab.4 Comparison of simulated and experimental inlet water temperature

輸入制冷量為15.46 kW，模擬得變回水溫度控制策略的耗電量為3.52 kW，COP為4.39。在相同的邊界條件下，設定回水溫度為12℃，即為表3中定回水溫度工況2所示，定回水溫度控制策略的COP 為3.99，變回水溫度控制策略較定回水溫度控制策略COP提高了10%。

5　結論

本文對采用了變回水溫度控制策略的空氣源熱泵空調系統進行了研究，可得出如下結論:

圖10　兩種工況的COP模擬值與實測值比較Fig.10 Com parison of simulated and experimental COP under two conditions

圖11　變回水溫度策略下模擬供回水溫度Fig.11 Simulated inlet and outlet water tem perature w ith variable inlet water tem perature strategy

1）實驗表明，采用變回水溫度控制策略較定回水溫度控制策略COP更高，在部分末端運行時效果更好，COP的提高更加明顯；

2）系統模擬表明，典型日變回水溫度工況優于定回水溫度工況，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

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Wang Ruzhu，male，Ph.D.，professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn.Research fields:air source heat pump，building energy saving，absorption refrigeration.

Analysis of an Air Source Heat Pum p Space Cooling System under Variable Inlet W ater Tem perature Condition

Jin Chengcheng1Wang Ruzhu1Zhai Xiaoqiang1Jin Zhequan2

（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China；2.Institute of Energy and Process，Norwegian University of Science and Technology，Trondheim）

In order to enhance the operating performance of air source heat pump，the performance of air source heat pump（ASHP）system with the variable inletwater temperature strategywas experimentally studied.As field testshows，the condition of variable outletwater temperature could satisfy the indoor cooling demmand.Compared with traditional ASHP cooling system adopting fixed 12℃ inlet water temperature，this kind of system is proved to bewith higher COP and lower power consumption，and therefore is an obvious energy saving system.In addition，the Dymolamodelwas established to verify the experimental results，and the simulation of energy consumption ofactual air conditioning system was conducted based on themodel.The results indicated that COPwould improve 10 percent from 3.99 to 4.39. Keywords air source heat pump；variable inletwater temperature；Dymola simulation；refrigeration performance test；COP

About the

TQ051.5；TU831.3；TP391.9

A

0253-4339（2016）05-0075-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.075

2016年2月25日

簡介

王如竹，男，博士，教授，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，（021）34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向:空氣源熱泵、建筑節能、吸附制冷。