空氣源熱泵供熱案例調(diào)節(jié)策略分析

張 龍，趙 哲

(寶雞市熱力有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

1 引言

現(xiàn)如今“煤改氣、煤改電”已成為推進(jìn)我國北方地區(qū)清潔供熱的重要方式。天然氣作為主要清潔能源被廣泛使用，然而，隨著天然氣供熱面積的急劇增加，燃?xì)庥昧看蠓鲩L，繼而出現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中燃?xì)饬坎蛔悖細(xì)鈮毫Φ偷痊F(xiàn)象，致使燃?xì)忮仩t因上述原因無法啟動(dòng)，嚴(yán)重影響供熱質(zhì)量，尤其在嚴(yán)寒期間更加凸顯此問題。相比“煤改電”的項(xiàng)目優(yōu)勢更加明顯，無任何空氣污染，利用熱泵技術(shù)[1～3]、蓄熱技術(shù)與谷電政策結(jié)合[4～7]，使得空氣源熱泵供熱得到發(fā)展[8～10]。筆者對位于寶雞市郊區(qū)的某獨(dú)棟辦公樓使用空氣源熱泵供熱進(jìn)行了實(shí)測，測得系統(tǒng)供熱量、耗電量，對熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀況及調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了分析，提出了進(jìn)一步的改進(jìn)方向。

2 測試對象及供熱供冷系統(tǒng)

2.1 測試對象

測試對象位于寶雞市郊區(qū)渭河河谷曠野地帶的某獨(dú)立辦公樓，供熱面積5000 m2。室外空氣平均溫度相比市區(qū)低1～3 ℃，室外空氣風(fēng)速明顯大于市區(qū)。

寶雞市屬于我國熱工分區(qū)圖上寒冷地區(qū)，供熱期從11月15日至次年3月15日。圖1的辦公樓為獨(dú)立建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北外圍護(hù)結(jié)構(gòu)立面為玻璃幕墻，東西立面為干掛石材，玻璃幕墻的保溫隔熱及外墻保溫材料均符合設(shè)計(jì)圖紙要求，辦公樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)立面如圖1所示。

2.2 供熱供冷系統(tǒng)

供熱熱源使用4臺(tái)超低溫空氣源熱泵機(jī)組，配套的循環(huán)水泵、水箱、軟水設(shè)備、配電柜等均架設(shè)于該五層辦公樓通風(fēng)良好的樓頂，熱泵機(jī)組直接供熱，且可變負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行，循環(huán)水泵可實(shí)現(xiàn)變頻控制，高位水箱高出系統(tǒng)最高點(diǎn)3 m，定壓補(bǔ)水點(diǎn)位于循環(huán)水泵吸入口處，室內(nèi)的供冷末端為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)，供熱末端為低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)。

圖1 辦公樓南立面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

冬季供熱系統(tǒng)單位建筑面積熱指標(biāo)80 W/m2，總熱負(fù)荷400 kW，設(shè)計(jì)供水溫度45 ℃，回水溫度35 ℃；夏季空調(diào)系統(tǒng)單位建筑面積冷指標(biāo)100 W/m2，總冷負(fù)荷500 kW，夏季冷凍水設(shè)計(jì)供水溫度7 ℃，回水溫度13 ℃。原設(shè)計(jì)圖紙中冷熱源選用土壤源熱泵空調(diào)一體機(jī)，由于冷熱源設(shè)備投資及打井占地面積等原因，冷熱源最終確定為四臺(tái)超低溫空氣源熱泵機(jī)組，實(shí)現(xiàn)冬季供熱及夏季供冷。單臺(tái)熱泵機(jī)組名義制熱量155 kW，制熱功率45 kW，名義制冷量132 kW，制冷功率46.4 kW，選用兩臺(tái)循環(huán)水泵，一用一備，單臺(tái)水泵額定流量93.5 m3/h，額定揚(yáng)程28 m，配用電機(jī)功率11 kW。

3 供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)策略

2020～2021年采暖期寶雞市冬季室外氣候較往年有所不同：供熱初期室外空氣平均溫度較往年同期偏低，而供熱中期及末期較往年同期偏高，且整個(gè)采暖期雨雪天氣較少。

3.1 供熱初期調(diào)節(jié)策略

該辦公樓夜間無用熱需求，供熱初期運(yùn)行調(diào)節(jié)策略為回水溫度控制+分時(shí)段的間歇供熱。具體調(diào)節(jié)策略為控制回水溫度為38 ℃，08:00～18:00熱泵機(jī)組運(yùn)行，其余時(shí)間段熱泵機(jī)組停機(jī)，循環(huán)水泵始終運(yùn)行。由于供熱初期室外空氣溫度較低，辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量增加，而空氣源熱泵機(jī)組的制熱量則降低，供熱初期四臺(tái)熱泵機(jī)組接近滿負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)測供水溫度可達(dá)到41～43 ℃，系統(tǒng)供回水溫差3～5 ℃，晝間室內(nèi)溫度可達(dá)到18 ℃及以上。由于夜間所有熱泵機(jī)組停機(jī)，08:00啟動(dòng)后辦公樓室溫升溫慢，至11:00室溫升至18 ℃，證明此運(yùn)行調(diào)節(jié)策略不妥，說明在清晨室外空氣溫度低、相對濕度大的氣候條件下及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性小、傳熱系數(shù)大的工況下，辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量大，所需熱負(fù)荷大，而此時(shí)熱泵機(jī)組的制熱能力降低，導(dǎo)致了室內(nèi)溫度升溫過程緩慢。在分時(shí)段間歇供熱的運(yùn)行調(diào)節(jié)下，熱泵機(jī)組開啟時(shí)間晚，機(jī)組頻繁結(jié)露化霜，室內(nèi)溫度升溫慢，由于目前還未實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組及循環(huán)水泵的遠(yuǎn)程控制，因此，將運(yùn)行調(diào)節(jié)策略改為回水溫度控制的連續(xù)供熱。采用便攜式超聲波流量計(jì)對熱泵機(jī)組流量進(jìn)行測量，計(jì)算出機(jī)組平均制熱性能系數(shù)。

供熱初期室外溫度較低，設(shè)定系統(tǒng)回水溫度38 ℃，在4臺(tái)熱泵機(jī)組近滿負(fù)荷不間斷運(yùn)行和循環(huán)水泵工頻運(yùn)行的工況下，空氣源熱泵機(jī)組平均制熱性能系數(shù)COP在1.8～2.2之間。

3.2 供熱中、末期調(diào)節(jié)策略

該地區(qū)供熱中、末期的室外空氣平均溫度較往年同期偏高，其運(yùn)行調(diào)節(jié)策略為回水溫度控制的連續(xù)供熱，與初期不同的是，在保證滿足室內(nèi)溫度18 ℃及以上的前提下，控制熱泵機(jī)組回水溫度由38 ℃降至30～33 ℃，此時(shí)熱泵機(jī)組有規(guī)律啟停，如圖2所示。在供熱中、末期，回水控制溫度為38 ℃，熱泵機(jī)組出廠的啟動(dòng)溫差默認(rèn)為2 ℃(機(jī)組啟動(dòng)溫差為設(shè)定的回水控制溫度減機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的回水溫度)的工況下，熱泵機(jī)組平均開機(jī)運(yùn)行時(shí)間和停機(jī)時(shí)間在20min左右，熱泵機(jī)組頻繁啟停，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)使用壽命，而將啟動(dòng)溫差升至3 ℃或4 ℃，可明顯延長熱泵機(jī)組運(yùn)行和停機(jī)時(shí)間，避免壓縮機(jī)頻繁啟停。隨著室外空氣溫度升高，辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量減小，所需熱負(fù)荷減小，空氣源熱泵機(jī)組制熱能力提高，在較大啟動(dòng)溫差下，熱泵機(jī)組的停機(jī)時(shí)間增加，運(yùn)行時(shí)間大幅縮短，耗電量較供熱初期顯著減少，節(jié)電比例大于20%。

供熱中、末期室外溫度較高，在設(shè)定系統(tǒng)回水溫度30～33 ℃，兩臺(tái)熱泵機(jī)組滿負(fù)荷或部分負(fù)荷運(yùn)行，循環(huán)水泵變頻運(yùn)行的工況下，估算空氣源熱泵機(jī)組平均制熱性能系數(shù)COP在2.5～3.5之間。

4 改進(jìn)措施及方向

待運(yùn)行期結(jié)束后對該辦公樓空氣源供熱系統(tǒng)進(jìn)行檢修，包括供水總干管處安裝熱計(jì)量表，熱泵機(jī)組入口管段安裝電動(dòng)平衡閥，室內(nèi)分水器前安裝過濾器，對熱泵機(jī)組及循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，及時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組及循環(huán)水泵的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)按需供熱。

在系統(tǒng)主干管安裝熱計(jì)量表可減小便攜式超聲波流量計(jì)的測量誤差，更準(zhǔn)確計(jì)算出熱泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況下的制熱、制冷性能系數(shù)。目前系統(tǒng)只是在循環(huán)水泵入口安裝Y型過濾器，由于該過濾器過濾面積小，紗網(wǎng)孔徑大，不能有效阻擋水中雜質(zhì)，水流速度快，不能使水中空氣分離出來，待運(yùn)行結(jié)束后更換為直通式或立式除污器。目前室內(nèi)分水器前未安裝過濾器，導(dǎo)致個(gè)別環(huán)路水流通不暢，個(gè)別辦公室室溫不達(dá)標(biāo)，后續(xù)將沖洗不熱環(huán)路，并安裝過濾器，后續(xù)對熱泵機(jī)組的進(jìn)水管段處安裝電動(dòng)關(guān)斷閥，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制其啟閉，由于現(xiàn)場未安裝關(guān)斷閥，多臺(tái)熱泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)其中一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)組停機(jī)后，循環(huán)水仍通過已停機(jī)的機(jī)組，使得供水總管的實(shí)際供水溫度低于運(yùn)行機(jī)組的出水溫度，安裝電動(dòng)關(guān)斷閥可關(guān)斷已停熱泵機(jī)組的旁路，系統(tǒng)總流量略有減小，流過開啟的熱泵機(jī)組流量增加，供回水溫差減小，供水溫度減小，熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)提高。

參考今冬采暖季的測試數(shù)據(jù)，由室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，計(jì)算出不同室外平均溫度下對應(yīng)的該辦公樓實(shí)際所需供熱量，繪制運(yùn)行調(diào)節(jié)表，后續(xù)將制定更合理的供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)方案，如非辦公時(shí)間段室內(nèi)只需滿足值班供熱溫度5 ℃即可，提前提升室內(nèi)溫度，在保證室內(nèi)辦公人員熱舒適度的前提下實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)語

對該獨(dú)立辦公樓空氣源熱泵供熱系統(tǒng)整個(gè)采暖季進(jìn)行了測試分析，由圖1和圖2可知，受地域環(huán)境、室外溫度波動(dòng)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)的影響，空氣源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)波動(dòng)較明顯，其中室外氣候條件及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是影響熱泵機(jī)組性能的主要因素。

圖2 調(diào)整運(yùn)行調(diào)節(jié)策略后的供回水溫度曲線圖

受辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，采暖季期間每天8:00～10:00室內(nèi)溫度偏低，而13:00～16:00在太陽輻射作用下室內(nèi)溫度偏高，陽面整體室內(nèi)溫度不恒定，會(huì)產(chǎn)生不舒適感，因此單一的控制運(yùn)行策略，不僅會(huì)降低辦公人員的熱舒適性，而且不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

該系統(tǒng)循環(huán)水泵實(shí)際電耗功率僅占單臺(tái)熱泵機(jī)組的1/10，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，適度增加循環(huán)水泵流量，不僅可以提高熱泵機(jī)組的性能系數(shù)，也可以延長熱泵機(jī)組的停機(jī)時(shí)間，減少機(jī)組啟停次數(shù)，避免機(jī)組頻繁啟停，延長壓縮機(jī)的使用壽命。

在滿足該辦公樓的室溫要求的前提下，根據(jù)室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，及時(shí)預(yù)判調(diào)整空氣源熱泵機(jī)組的回水溫度，制定合理的供熱運(yùn)行調(diào)節(jié)方案。由于運(yùn)行策略的不同，會(huì)導(dǎo)致不同的運(yùn)行效果，因此進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)中熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵的控制是下一步工作的方向。