邯鄲地區某空氣源熱泵供暖系統運行性能分析

熊楚超 羅景輝,2 王景剛 魏 瑩 劉 歡 侯立泉

(1 河北工程大學能源與環境工程學院 邯鄲 056038； 2 河北省暖通空調技術創新中心 邯鄲 056038)

隨著社會的快速發展，能源消耗和環境污染問題日趨嚴重，冬季清潔供暖逐漸成為大家關注的焦點[1]。近年來，隨著低溫空氣源熱泵技術的逐漸成熟，其在北方城鎮地區供熱中的應用范圍得到了進一步擴大[2-3]。空氣源熱泵以空氣作為低溫熱源，通過消耗少量電能驅動壓縮機運轉，實現從室外空氣中提取熱量，制取能滿足供熱需求的熱水，具有節能、環保等優勢[4-5]。在實際應用過程中，為分析空氣源熱泵的實際運行效果，相關研究人員進行了很多現場測試分析[6-7]，研究結果表明，空氣-水空氣源熱泵供暖系統通常存在機組與末端不匹配、機組運行不佳等問題，系統節能潛力較大。為了降低空氣源熱泵的系統運行能耗，可通過加裝水力平衡裝置結合室溫控制來實現按需供熱，以達到節能目的[8]。此外也可以直接調整機組運行頻率等參數[9-10]，優化系統運行策略來降低能耗。對于空氣-水空氣源熱泵供暖系統而言，系統運行性能受到的影響因素較多，其中機組供回水溫度對系統運行能耗影響較大[11-12]。

目前，對空氣源熱泵供暖系統采用分階段和分時段變水溫調節方式的現場實際運行效果以及節能性的相關研究較少。本文在2019—2020年供暖季，對邯鄲地區某老舊小區空氣源熱泵供暖系統的運行情況進行了現場實測，根據113 天的測試數據，分析不同室外溫濕度環境條件下，采用分階段和分時段變水溫調節方式時空氣源熱泵供暖系統的運行特性。

1 現場測試

1.1 系統概況

現場實測對象為邯鄲市某老舊小區供熱系統，該小區有11棟樓，總建筑面積為23 000 m2，原采用燃煤鍋爐進行采暖。由于環保要求，需選用新的熱源方式供暖。小區距離市區較遠，接入市政熱網費用和天然氣成本太高，最終選用空氣-水空氣源熱泵作為供暖熱源。考慮建筑為老舊建筑和室外環境因素，設計面積熱指標為55 W/m2，系統采用16臺適用于環境溫度為-15 ℃的空氣源熱泵機組，配置3臺變頻循環水泵，兩用一備，單臺額定流量200 m3/h，采暖末端包括散熱器和地暖。由于該小區2018—2019年供暖季空氣源熱泵結霜較為嚴重，系統運行較差，在2019—2020年供暖季將其中8臺熱泵替換為適用于環境溫度為-25 ℃的熱泵機組。依據該小區供暖情況(實際供暖用戶203戶，供熱率為59 %)，實際供暖負荷相比設計負荷較小，通常只需開啟-25 ℃類型的8臺空氣源熱泵機組，將此作為本次研究的主要測試對象。該類型機組主要參數為：低溫制熱量為89.5 kW，機組低溫名義工況COP為2.66。該小區供熱系統運行采用變水溫調節方式，通過設定不同的回水溫度值來控制機組的運行。以邯鄲地區往年室外逐時溫度氣象參數為依據，將供暖期劃分為5個階段[13]，如圖1所示。供暖前期Ⅰ和末期Ⅴ，室外溫度較高，溫度均值大于5 ℃；過度期Ⅱ、Ⅳ，室外溫度均值在0～5 ℃之間；供熱中期Ⅲ，室外溫度均值低于0 ℃。整體上分階段變水溫運行，供暖水溫設置趨勢為從低到高再到低，并以室外相對濕度為依據，結合峰谷電價分時段變水溫運行。

測試參數包括空氣源熱泵熱水側的供/回水溫度及流量、室外環境的溫濕度及設備能耗情況。在熱水側循環管路使用溫度記錄儀測量系統的供/回水溫度，測量精度為±0.3 ℃，測量范圍為-50 ℃/100 ℃；使用溫濕度記錄儀測量室外空氣溫濕度，測量精度分別為±0.3 ℃、±3%RH，測量范圍分別為-35 ℃/80 ℃、0/100%RH，測試間隔為5 min。使用超聲波流量計測量水流量，使用功率測量表測量機組和水泵功率，使用機械電表記錄設備耗電參數，測量精度為±1%。

圖1 不同階段劃分情況

1.2 參數計算

通過供/回水溫度、系統水流量及設備耗電等參數的監測數據，對系統供熱量和系統性能系數等參數進行計算分析。

1)系統供熱量，按式(1)計算：

(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，kJ/(kg·K)；V為系統循環體積流量，m3/h；tw1i和tw2i分別為i時刻供暖系統的供、回水溫度，℃；Δτi為i次測試時間間隔，s；T為測試周期。

2)系統性能系數

熱泵機組性能系數COP是從能量利用角度衡量其工作性能常用的評價指標。一般而言，當室外空氣溫度為0 ℃時，空氣源熱泵機組可以實現的轉換效率達3.0。區別于機組性能系數，系統性能系數COP′需考慮水泵能耗對系統性能的影響，按式(2)進行計算：

(2)

式中：COPi′為第i時段供熱的系統性能系數；NJi為第i時段熱泵機組的耗電量，kW·h；Nsi第i時段循環水泵的耗電量，kW·h。

2 測試結果分析

2.1 測試工況分析

2.1.1 測試工況

圖2所示為2019-11-24至2020-03-15測試期間，為期113天的室外溫濕度變化情況。由圖2可知，溫度平均值為3.5 ℃，日平均溫度波動范圍為-3.6～17.2 ℃，日平均溫度低于0 ℃的有23天，低于5 ℃的有82天；相對濕度平均值為64.7 %，日平均相對濕度波動范圍為17.8 %～95.9 %，日平均相對濕度高于60 %的有69天，高于80 %的有33天。在測試期內，室外溫度低于0 ℃時，容易伴隨較高的相對濕度。從整體趨勢來看，溫度變化趨勢與圖1一致，濕度變化也有類似趨勢。隨著時間推移，室外溫度后期有較為明顯的上升趨勢；相對濕度通常維持較高值，且波動幅度較大。

圖2 室外日平均溫濕度變化

圖3所示為結霜工況分布，根據室外空氣溫度和相對濕度繪制。霜譜圖分為結霜區、結露區和無霜區，結霜區根據結霜生長速率和不同的除霜時間又以可劃分為5個區域[14-16]。將測試的2 703 h的室外氣象參數繪制到結霜圖譜中，得到邯鄲地區結霜工況分布情況。由圖3可知，邯鄲地區空氣源熱泵結霜工況較多。測試期內65.8%的狀態點均處于結霜區域，其中重霜區占26.7%，一般結霜區占29.8%，輕霜區占9.3%。處于無霜區內的狀態點占20.1%，處于結露區的狀態點占14.1%。

圖3 結霜工況分布

2.1.2 典型工況運行特性分析

為了對比不同工況條件下系統運行特性，在測試期內對低溫、高濕、變水溫和對照工況4種條件下的運行情況進行測試，結霜工況分布如圖3中①～④所示，每個工況參數值為測試當日18：00至次日08：00的連續測量數據，并從測試工況、供熱量和COP′等方面進行分析，運行特性如圖4和圖5所示。

圖4所示為工況1、2的運行特性。低溫工況1(12月30日)位于無霜區，室外最低溫度達到-9.4 ℃，相對濕度平均值為39.1%；高濕工況2(1月8日)位于重霜區，室外溫度平均值為-0.9 ℃，相對濕度平均值為96%。工況1平均回水溫度為40.5 ℃，供水溫度為42.2 ℃；工況2平均回水溫度39.1 ℃，供水溫度41.1 ℃，兩者供回水溫差較小，溫度變化趨勢差別較大。工況1平均供熱量為44 kW，工況2為48 kW，低溫工況下制熱量衰減大于高濕工況下制熱量衰減。從性能系數來看，工況1平均COP′為1.53，工況2為1.56。結果表明，在低溫工況和高濕工況條件下，相比機組名義工況下的運行性能均有較大衰減，系統運行效果較差。

圖5所示為工況3、4的運行特性。分時段變水溫工況3 (1月17日)位于重霜區，室外溫度平均值為-0.8 ℃，相對濕度平均值為95.7 %；工況4 (2月1日)位于輕霜區，室外溫度平均值為2.5 ℃，相對濕度平均值為49.4 %。考慮在濕度較高工況下供熱量衰減較大，該小區結合邯鄲地區供暖季每日19∶00至次日08∶00谷電，在20∶00—22∶00和06∶00—08∶00升高空氣源熱泵回水溫度設定值[16-17]。根據測試數據可知，工況3平均回水溫度為40.2 ℃，供水溫度為42.5 ℃，平均供熱量為50 kW，平均性能系數為1.58。與工況2相比，供水溫度、供熱量和COP′均有所提高。工況4的室外環境條件較好，其平均回水溫度為40.1 ℃，供水溫度為42.5 ℃。供熱量和COP′均較高，平均供熱量為60 kW，平均性能系數為2.37。對比上述4個工況，高濕環境機組容易結霜、低溫環境制熱量不足等均影響空氣源熱泵機組運行。對于邯鄲地區，室外環境低溫工況較少，高濕結霜工況相對較多。在室外濕度較高、室外溫度較低時，可采用分時段升高水溫的調節方式來滿足用戶供暖需求。

圖4 低溫與高濕工況運行特性

圖5 變水溫工況系統運行特性

2.2 測試期系統整體運行情況

對于測試期供熱系統整體運行情況的分析，將從系統水溫變化和系統供熱性能等方面進行。描述了環境條件、供/回水溫度、運行時間和結霜情況，分析了分階段運行和分時段運行時系統的運行特性。整體運行情況如圖6～圖8所示。

2.2.1 系統分階段運行性能

圖6 各階段空氣源熱泵運行情況

圖6所示為各階段內空氣源熱泵供/回水溫度、運行時間及結霜工況的變化情況。整個測試期內，供水平均溫度為40.2 ℃，回水平均溫度為38.2 ℃。由圖6中水溫逐時變化情況可知，分階段水溫調節模式下，第Ⅰ～Ⅴ階段的供/回水溫度均值分別為39.3 ℃/37.5 ℃、40.1 ℃/38.6 ℃、42.2 ℃/40.2 ℃、39.7 ℃/37.6 ℃、38.2 ℃/36.2 ℃。其中在第Ⅲ階段水溫均值達到最高值，對應階段結霜工況占比較大；第Ⅴ階段水溫均值達到最低值。不同階段的水溫均值可作為每個階段水溫調節的參考值。此外，空氣源熱泵供熱系統日運行時間平均值為14.2 h，其變化趨勢與回水溫度變化趨勢一致，在第Ⅲ階段系統運行時間均值達到16.2 h，在供熱初期Ⅰ和末期Ⅴ，機組水溫設置較低，系統運行時間較少。

圖7所示為測試期內系統制熱量、開啟時間和性能系數隨室外溫濕度的變化。由圖7可知，室外溫度工況在-2～4 ℃時較為集中，而相對濕度在40%～90%工況分布較為均勻。由于該小區供熱系統運行時采用了水溫調節措施，隨著環境溫度的升高，系統供熱量、開啟時間呈下降趨勢，系統性能系數呈上升趨勢。隨著環境濕度的升高，系統供熱量、開啟時間呈上升趨勢，系統性能系數呈下降趨勢。測試結果表明，采取分階段水溫調節后，室外溫度較高、相對濕度較低的工況時間的系統能耗得到降低。

圖7 供熱量、運行時間和性能系數隨環境溫濕度的變化

2.2.2 系統分時段運行性能

圖8所示為測試期內日平均制熱量、耗電量和COP′的變化。該小區供熱系統包括兩排空氣源熱泵，可實現分排控制，在設備出現故障和制熱量不足時才全部開啟，其余時間只開啟適用于環境溫度為-25 ℃的機組，考慮機組關閉時的散熱和防凍需求，不開啟的機組采取調小閥門開度等措施。由圖8可知，日供熱量平均值為12.454 MW，變化范圍為3.682～17.157 MW，單位建筑面積耗熱量平均值為45 W/m2。日耗電量平均值為6.492 MW，變化范圍為1.2～10 MW；日平均COP′均值為2.04，變化范圍為1.2～3.4。在分階段水溫調節運行情況下，第Ⅰ～Ⅴ階段平均COP′分別為2.05、1.63、1.76、2.17、2.51。結合圖2和圖6可知，第Ⅱ階段設置水溫相對較低，隨著相對濕度的變化，空氣源熱泵的COP′變化較為明顯，對系統性能產生了較大影響。供暖中期室外環境溫度較低，為了滿足用戶供暖需求，供暖水溫通常需設置較高。當室外相對濕度變化較大時，熱泵機組的運行效果較差，此時采用分時段變水溫調節模式，即通過部分時間升高水溫滿足供暖需求。測試期間，第Ⅱ階段未采用分時段調節措施，第Ⅲ階段在濕度較大時采用了調節措施，從兩階段的COP′來看，由1.63提高至第Ⅲ階段的1.76，提高了8%。

圖8 系統日供熱量、耗電量和性能系數的變化

3 結論

通過對邯鄲地區某老舊小區空氣源熱泵供熱系統的現場實測分析，得到分階段和分時段變水溫下空氣源熱泵供暖系統的實際運行性能。得到如下結論：

1)測試期內，該系統日平均供熱量為12.454 MW，系統日平均COP′為2.04。供暖期不同階段采用不同的回水溫度參數值進行調節，可較好降低供熱需求較少時間的系統運行能耗，特別是對于供暖前期和供暖末期。

2)對于邯鄲地區而言，除低溫環境對熱泵運行影響較大外，室外相對濕度較大且容易波動，也容易導致空氣源熱泵的運行效果不佳、供熱量不足。在高濕環境條件下，采用分時段變水溫調節策略優于定水溫度調節策略。在分階段水溫調節的基礎上，依據室外空氣相對濕度分時段調節水溫的模式下，第Ⅱ階段的COP′由1.63升至第Ⅲ階段的1.76，提高了8%，系統運行效果得到了改善。