北京某教學樓空氣源熱泵供暖系統現場實驗

(1 哈爾濱工業大學建筑學院 哈爾濱 150090； 2 黑龍江省建筑節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，特別是京津冀地區具有良好的應用前景[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普及。為滿足市場需求，保證供暖系統在室外氣溫較低時可以高效穩定運行，市場上出現了大量低溫型空氣源熱泵產品[3-6]，低溫工況下的性能系數也有很大提高[7]。但是在實際應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在整個供暖期的運行狀況，需要大量的現場測試數據的支撐。

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

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

1 現場測試方案

1.1 測試系統原理

測試的北京某教學樓的建筑平面圖如圖1所示。供暖區域分為A、B兩區，分別采用了一套空氣源熱泵+地板輻射供暖系統，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，兩套系統相互獨立。圖2所示為A/B區的供暖系統原理。

圖1 建筑平面圖Fig.1 Architectural plan

圖2 供暖系統原理Fig.2 The principle of heating system

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

A區建筑面積為1 722 m2，根據圍護結構參數，計算得到熱指標為61.6 W/m2，B區建筑面積為1 615 m2，熱指標為56.9 W/m2，A區和B區建筑面積和熱指標接近，系統形式和布置相同，具有可比性。

根據現場調研結果，按該教學樓的教學時間設定溫控器的預設溫度，該教學樓周一至周五8∶00—21∶30為教學時間，周末全天無人。綜合考慮地板輻射供暖的房間預熱特性，溫控器房間溫度預設值為：周一至周五05∶30—22∶30及22∶30—05∶30設定溫度分別為21 ℃及12 ℃，周末全天設定溫度為12 ℃。

圖3 A區溫控器+調節閥的現場安裝Fig.3 Field installation of the thermostat and control valve in area A

機組出水溫度根據學校教學日歷設定：階段1(教學期間)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 ℃。

測試了系統的供回水溫度、系統流量、耗電量及室內外溫度。在熱泵機組附近各設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1個Pt1000鉑電阻溫度傳感器，測試系統供回水溫度，測試精度為±0.1 ℃；各房間根據JGJ/T177—2009[15]按面積大小分別設置1～3個Pt100鉑電阻溫度傳感器，測試房間室內溫度，測試精度為±0.1 ℃。系統供水管處設電磁流量計，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、系統流量、耗電量的測試數據由電腦自動采集和存儲。

1.2 數據處理

系統供熱量：

(1)

式中：QH為系統的供熱量，kW·h；ρ為水的密度，kg/m3；cp為水的比熱容，J/(kg·K)；V為系統循環流量，m3/s；tw1i為i時刻供暖系統供水溫度，℃；tw2i為i時刻供暖系統回水溫度，℃；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：

(2)

式中：COPi為第i時段熱泵機組性能系數；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。

區別于機組性能系數，考慮水泵對系統性能影響，系統性能系數：

(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日總工作時間，h；n為機組壓縮機個數。

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

2 現場實驗結果及分析

2.1 供暖效果

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

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

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

該供暖系統的供暖效果滿足我國寒冷地區室內溫度18～24 ℃的設計要求[16]，在溫控器的調節下，A區系統的室溫低于B區系統的室溫，且更滿足室溫設計要求。

2.2 供熱量及調控

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降低。圖5所示為2016-12-15—2017-02-19總測試期間，A/B區系統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 ℃導致。在整個運行階段，A區的日供熱量小于B區，特別是周末，日供熱量下降明顯，說明溫控器發揮了調控日供熱量的作用，能進一步發揮空氣源熱泵的節能性。

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據分析室溫控制對系統流量和供熱量的影響。圖6所示為系統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區系統在溫控器、調節閥與壓差旁通閥協同作用下，實際為變流量運行。在工作日的工作時間(05∶30—22∶30)溫控器設定溫度為21 ℃，供熱量需求大，流量增大；當室內溫度滿足需求后，轉為低流量運行；無人時(22∶30—05∶30)溫控器設定溫度為12 ℃，供熱量需求小，流量減小。周末，全天溫控器設定為12 ℃，供熱需求較低，整個時間段都處于低流量運行。A區系統逐時流量呈明顯的周期性變化。B區系統無室溫調控，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區系統的機組出水溫度均降為20 ℃，但A區室內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區與B區階段2期間逐時供熱量相差不大的原因。A區功耗增大，節能潛力下降。因此在實際運行中，室內房間的控制邏輯應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，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

在空氣源熱泵+地板輻射供暖系統上引入室溫控制，實現按需供熱，提高系統的節能性。耗電量可直觀反映引入室溫控制的節能效果，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，統計結果見表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區系統的日耗電量顯著低于B區系統的日耗電量；階段2期間，工作日的日耗電量A區系統與B區系統相差不大，但周末的日耗電量A區系統明顯低于B區系統。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區系統，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，系統正常供暖，節能率為24.4%；階段2期間，防凍運行工況，節能率略有下降，為16.3%。總測試期間，節能率為22.5%。階段2期間節能率下降的主要原因是在出水溫度降為20 ℃后，溫控器的設置并沒有改變，導致系統無法滿足室內設定溫度，熱泵機組工作時間延長，能耗增加。說明當熱泵機組在防凍低溫運行時，溫控器需要相應降低設定的室溫，以獲得更大節能效益。

表1 單位建筑面積耗電量的統計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區的COP和COP′隨時間的變化。階段1期間，A區系統COP在3.21～4.47波動，COP′在2.26～2.86波動；B區系統COP在2.80～4.91波動，COP′在2.32～3.82波動。可知階段1期間，兩系統的熱泵機組工作相對平穩，A區與B區系統的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控措施對熱泵機組的性能無明顯影響。階段1期間，A區與B區系統COP′分別為2.56和2.86，原因在于A區系統實際為變流量系統，實際運行中水泵流量需求小于設計流量，水泵耗電量占比更大，因此水泵能耗對整個系統的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區和B區系統的COP均高于階段1，分別為6.38和4.74，其中A區系統提升更為明顯，周末COP大于10。原因為階段2期間，熱泵機組出水溫度為20 ℃，有利于冷凝器側的換熱；A區系統帶有室溫控制，周末大部分時間溫控器關閉，建筑側的耗熱量降低導致機組長時間停機，但水泵仍繼續運行，而由于室溫較低(圖4階段2)，室內側的換熱仍持續進行，出現了COP非常高的情況。

圖9所示為A區系統階段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區系統，沒有工作日與周末的區別，負荷率變動幅度不大，故圖8(a)中B區系統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 結論

本文對北京某教學樓A/B區域的兩套空氣源熱泵供暖系統進行的現場實驗測試，其中A區系統末端安裝了溫控器與動態壓差平衡型電動調節閥，通過運行性能對比分析，得到如下結論：

1)帶有室溫控制的A區系統供暖效果優于無室溫控制的B區系統，室溫更符合人員需求。室溫控制的空氣源熱泵能根據用戶需求向室內提供熱量，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區和B區系統的COP分別達到3.56和3.54，無明顯差異。

3)合理設置溫控器參數，可以提高系統節能率。在出水35 ℃的正常供暖期間，A區系統相比于B區實現了24.4%的較高節能率。在出水20 ℃的防凍期間，由于溫控器設置未相應更改，A區系統節能率僅為16.3%，整個測試期間的節能率降為22.5%，說明室溫控制應與出水溫度相匹配。

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