低溫空氣源熱泵在嚴寒地區應用實驗研究

金洪文 馬 喆 楊 蕾 趙 麒 馬 爽 徐 輝張自國 孫 妍 王柯增

低溫空氣源熱泵在嚴寒地區應用實驗研究

金洪文1，2馬 喆1，2楊 蕾1，2趙 麒1，2馬 爽1，2徐 輝1，2張自國1，2孫 妍3王柯增4

（1.長春工程學院 長春 130012；2.吉林建筑能源供應及室內環境控制工程研究中心 長春 130012；3.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；4.深圳麥克維爾空調有限公司 深圳 518000）

通過在嚴寒地區低溫空氣源熱泵的應用實驗，檢驗了機組在極端天氣能夠正常工作，且在該條件下系統和機器的平均能效比達到1.5以上。通過供暖末期和嚴寒期能耗折算對全供暖季進行測算，得出全采暖季消耗標準煤15～20kg/m2，低于集中供熱標煤消耗值，且全供暖季系統和機器的平均COP值達到2以上。低溫空氣源熱泵在嚴寒地區應用節能效果明顯。

空氣源熱泵；能效比；能耗

0 引言

我國嚴寒地區冬季供暖通常以燃煤方式為主，無論集中供熱還是分散的小鍋爐。然而，隨著2016年國務院下發《“十三五”節能減排綜合工作方案》中目標的確定，能源消費燃煤總量要控制在50億噸標準煤以內，SO2、NOx排放總量要控制在1580萬噸、1574萬噸，比上一個年度要下降15%[1]。國家對燃煤污染物排放總量進行限制，這就迫使我們尋找新的供暖方式。在2017年《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021）》出臺，對清潔能源取暖有了明確要求，到2021年，電供暖（含熱泵）面積達到15億m2[2]，其中：分散式電供暖7億m2、電鍋爐供暖3億m2、熱泵供暖5億m2。這就為北方嚴寒地區發展清潔能源取暖提供條件[3,9]。在集中供熱管網輻射不到的地方或者對供熱時段有不同需求的場所，就可以采用低溫空氣源熱泵進行靈活、精準供暖。但是，大家對使用空氣源熱泵供暖還持有懷疑的態度。為驗證其在嚴寒地區的應用效果，筆者對采用低溫空氣源熱泵系統的長春某高校實驗樓進行制熱測試，并對測試結果分析與整理。以期為嚴寒地區采用低溫度空氣源熱泵供暖方式的設計與應用提供幫助。

1 測試對象與方法

1.1 項目概況

實驗項目位于吉林省長春市，為某高校實驗樓，該建筑6層，層高4.2m，建筑高度25.2m，該建筑屬于非節能建筑。測試房間使用面積為550m2，均為一層北向中間的房間。長春市冬季采暖室外計算干球溫度為-21.1℃。實驗樓原有是集中供熱系統，把實驗房間的原有供熱散熱器系統分割開獨立形成一個小循環系統，以方便實驗使用。通過負荷計算，實驗房間冬季設計熱負荷為36kW。采用的低溫空氣源熱泵為麥克維爾的MAC340，標準工況下制熱量為100kW，最低工作環境溫度為-30℃，2臺壓縮機，單臺功率30kW，電能消耗由電表記錄。

1.2 監測階段氣象參數

長春市每年供熱時間為10月25日到次年的04月10日，通過溫度記錄儀每隔0.5h記錄室外、室內溫度，室外設置2個測點，室內設置4個測點，之后求平均值得到室外、室內平均溫度。溫度記錄儀型號為YBJL-803-4，測試量程為-40～100℃，精度為±0.5℃。

2 測試能耗分析

由于實驗設備安裝和調試，實際投入使用是在11月7日，結束日期在次年的3月22日，共計136天，累計消耗電量為30882kWh。數據在記錄過程中，有部分數據損壞，但是關鍵時間段的數據沒有損壞，電量記錄是完整的。重點分析供暖初寒、末寒期與嚴寒期的能耗、制熱情況，同時檢驗機器在極端溫度下工作狀況。

圖1 2018.2.27-3.1運行數據分析圖

2.1 供暖初末期數據分析

供暖初期時間2017年12月22日～2018年1月9日，期間最低溫度-19.2℃，最高溫度-0.9℃，室外平均溫度-10.36℃，4個實驗房間達到的平均溫度20.5℃。系統供回水平均溫度為33.1℃、34.7℃。總耗電量4547kWh，總的制熱量10515kW，系統和機組平均COP值為2.32/2.6[4]。

供暖末期2018年2月27日-2018年3月22日期間，期間最低溫度-15.5℃，最高溫度11.4℃，平均溫度-3.9℃，4個實驗房間達到的平均溫度17.2℃。系統供回水平均溫度為25.9℃、27.1℃。總耗電量3456kWh，總制熱量為9472kW，系統和機器平均COP值2.75/3.36[4]。

通過供暖末期的2月27日～3月1日的數據繪制成曲線圖，如圖1所示，在室外溫度回升，平均在-10℃左右情況下，機組設置的進水溫為25℃，室內基本維持在17℃左右，室內消耗熱量不是很多，且通過曲線圖還發現，機器起停比較頻繁，造成電耗相對較大。這是在今后設計應用中應重點解決的問題。

2.2 供暖嚴寒期數據分析

供暖嚴寒期2018年1月15日～2018年1月24日期間，期間最低溫度-26.7℃，最高溫度-4.1℃，平均溫度-14.5℃，4個實驗房間達到的平均溫度17.2℃。系統供回水平均溫度為29.6℃、31.2℃。總耗電量2660kWh，總制熱量為5461kW，系統和機器平均COP值為2.06/2.28[4]。在這個時間段低于-25℃有10h。通過圖2我們看到系統供水、回水溫度局部拉高，主要是為了測試機器在低溫環境下能達到的最高出水溫度，實際證明在原有設計負荷下，機器溫度升高緩慢，將系統所帶負荷減少一部分，出水溫度升高比較迅速，這為我們在今后選配機器容量提供了很好的借鑒意義[5]。

圖2 2018.1.15-24運行數據分析圖

1月22日～1月24日為測試時間段內平均溫度最低段，在圖3中最高室外溫度-19.1℃，最低溫度-26.7℃，平均溫度-22.6℃。此時設置的機組進水溫度為在30-40℃之間，所以出現總耗電量較高和平均COP值偏低情況，電耗為1829kWh，系統和機組平均COP值為1.492/1.56[4]。還可在圖中看到，在極寒天氣情況下，機組除霜比較頻繁，也是能耗過高的原因之一。此時，并不是真實具備結霜環境下制冷化霜現象開始頻發。在曲線的后半段，由廠家調整控制除霜條件[6,7]，機器在低溫下反復除霜現象得以緩解，運行趨于穩定，供水溫度也迅速上升。

在記錄時間段（2017年11月7～2018年3月22日，136d）供暖能耗統計，測試系統總電耗量為30882kWh，日均消耗電量227kWh/d，按此折算全供暖季（168d）總電耗量為38136kWh/a，折合供暖季消耗熱量為0.25GJ/m2。供暖初期和末期能量消耗比嚴寒期少許多，這種折合方式顯然過于保守，必然導致能耗指標過高。如果按供暖末期3月20～22日的平均電耗量72kWh/d，計入32d的電量為2304kWh，得到全供暖季總電耗量33186kWh/a，折合供暖季消耗熱量為0.217GJ/m2[8]，這種折算方式接近實際情況。按長春市熱力收費折算辦法，將建筑超高部分多消耗的熱量折算成標準值后熱耗指標為0.18GJ/m2。按電力的折標系數為0.3～0.4kgce/kWh（kgce為千克標準煤），則全采暖季消耗標準煤15～20kg/m2[8]。我國集中供暖能耗平均在20～25kgce/m2，采用低溫空氣源熱泵能耗遠低于集中供熱能耗平均值。因此，采用空氣源熱泵制熱效果在節能方面是十分明顯的。

3 結論

低溫空氣源熱泵在嚴寒地區供暖應用測試數據得到，機器在極寒天氣-26.7℃環境下能正常工作。在室外平均溫度-22.6℃時段，系統和機器的平均COP值為1.492/1.56。在數據記錄時間段內系統和機器的平均COP值為2.4/2.7，節能效果明顯，尤其是與電采暖相比。在嚴寒地區機器結霜條件主要受室外空氣相對濕度影響較大，觀測到機器幾次結霜室外相對濕度都超過了60%，尤其是下雪的第二天，機組底部形成的冰極少。通過在嚴寒地區某高校實驗樓一層北向的苛刻條件下測試，在沒有任何輔助熱源情況下，測試效果達到比較理想的結果，為嚴寒地區推廣應用低溫空氣源熱泵供暖起到借鑒意義。

[1] “十三五”節能減排綜合工作方案[M].北京,2016.

[2] 北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021）[M].北京,2017.

[3] 沈明,宋之平.空氣源熱泵應用范圍范圍北擴的可能性分析及其技術措施述評[J].暖通空調,2002,32(6):37-39.

[4] GB 50189-2015,公共建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.

[5] 金洪文,孫妍,馬喆,等.超低溫空氣源熱泵在嚴寒地區供暖應用研究[J].哈爾濱商業大學學報(自然科學版),2017,33(6):728-731,743.

[6] 姜益強,姚楊,馬最良.空氣源熱泵結霜除霜損失系數的計算[J].暖通空調,2000,30(5):24-26.

[7] 王洋,江輝民,馬最良,等.增大蒸發器面積對延緩空氣源熱泵冷熱水機組結霜的實驗與分析[J].暖通空調,2006,36(7):83-87.

[8] CJJ 34-2010,城鎮供熱管網設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[9] 王偉,倪龍,馬最良.空氣源熱泵技術與應用[J].北京:中國建筑工業出版社,2017.

Experimental Study on Application of Low Temperature Air Source Heat Pump in Severe Cold Regions

Jin Hongwen1,2Ma Zhe1,2Yang Lei1,2Zhao Qi1,2Ma Shuang1,2Xu Hui1,2Zhang Ziguo1,2Sun Yan3Wang Kezeng4

( 1.Changchun institute of engineering, Changchun, 130012;2.Jilin construction energy supply and indoor environment control engineering research center, Changchun, 130012;3.Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, 519070;4.Shenzhen McQuay Air Conditioning Co., Ltd, Shenzhen, 518000 )

In this paper, through the application experiment of low temperature air source heat pump in severe cold area, tested that the unit can work normally in extreme weather, and the average energy efficiency ratio of the system and machine reaches 1.5 or more under this condition. Calculate the total heating season by calculating the energy consumption at the end of the heating period and the cold period.It is concluded that the standard coal consumption in the whole heating season is 15～20 kg/m2, which is lower than the consumption value of the central heating standard coal, and the average cop value of the system and machine for the entire heating season is more than 2. Low-temperature air source heat pump has obvious energy-saving effect in severe cold regions.

air source heat pump; energy efficiency ratio; energy consumption

1671-6612（2019）06-691-04

TU831

A

吉林省發改委項目（2019C057-4）；空氣源熱泵科研創新團隊（320180005）

金洪文（1970-），男，研究生，教授，E-mail：ccjinhongwen@163.com

2019-03-04