超低溫空氣源泵供暖實測研究

張喜明 李向遠 曹月勇 王永輯 王俊莛 尹維亮

（吉林建筑大學市政與環境工程學院 吉林長春 130118）

0 引言

為了解決環境污染的的引起的各種問題，國家“十三五”規劃中提出：“實施以電代煤、以氣代煤，使用清潔能源提供供熱、供冷服務”，減少燃煤消耗，耗防治大氣污染［1］。隨著國家政策的逐漸加大，空氣源熱泵得到大力發展［2］。超低溫以準二級壓縮及噴氣增焓熱泵系統保證機組-25 ℃能正常制熱，得以在寒冷地區得到大量應用［3-4］。

為了提高空氣源熱泵的制熱性能，大量學者進行了研究，但以機組供水溫度對熱泵的制熱性能作為研究的切入點較少。本文對超低溫空氣源熱泵供暖項目進行實測研究，得出低溫條件下的機組最佳額定供水溫度。

1 氣候條件和工程簡介

本供暖項目地點位于長春市，屬于東北大平原地帶，氣候類為溫帶大陸性半濕潤季風氣候。受緯度位置影響，冬季氣候比較寒冷，最低室外環溫為-30 ℃。根據《民用建筑熱工設計規范》（GB50176—2016），長春市屬于嚴寒C 區，采暖季時長為165 d，室外計算溫度為-20.8 ℃。

此采暖工程采用8 臺超低溫空氣源熱泵機組并聯，機組型號為北極星300S-PS，相關配套4 臺循環水泵及相應輔助設備，循環水泵的額定流量為60 m3/h，采暖末端采用風機盤管，室內采暖設計溫度為20 ℃，供暖系統如圖1 所示。

圖1 超低溫空氣源熱泵供暖系統圖

2 適應范圍

空氣源熱泵機組采用逆卡諾循環的制熱工作原理制熱，最低適用環溫為-15 ℃，正常環溫適用區間為-10 ℃～40 ℃。超低溫空氣源熱泵增設了一條聯通壓縮機的噴射增焓支路，具有超高的供水溫度和超寬的環溫適用范圍（如圖2 所示），其中機組制熱的運行環溫范圍為-30 ℃～21 ℃，機組制冷的運行環溫范圍為21 ℃～43 ℃。

圖2 超低溫空氣源熱泵機組運行框圖

由圖2 可知，超低溫空氣源熱泵機組在-30 ℃～43 ℃環溫范圍內能安全穩定運行，最高供水溫度可達到65 ℃。在-30 ℃～-15 ℃環溫區段為機組降水溫運行區間，原因是隨著室外環境溫度越低，機組可從室外環境中提取的熱量越少，導致機組供水溫度下降；-15 ℃～30 ℃為機組常規運行區間，該區間機組運行安全穩定，制熱能效比高；30 ℃～43 ℃為機組卸載運行區間，原因是隨著室外環境溫度越高，系統在高溫高壓下運行時間就越長，能耗越高，達不到節能目的且壓縮機容易損壞。當環溫為-25 ℃時，超低溫空氣源熱泵機組的制熱能效比常規空氣源熱泵機組提高65%左右，制熱能效比高于1.8，機組節能明顯。當環溫低于-30 ℃時，超低溫空氣源熱泵機組運行不穩定、不安全且不節能。

3 供水溫度對機組制熱性能的影響

機組制熱的運行環溫范圍為-30 ℃～-20 ℃，取步長為10℃；供水溫度分別選30 ℃、41 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃。由于當室外濕度高時，空氣源熱泵機組會出現結霜現象，機組除霜時會出現供水溫度偏離設定值的情況，本超低溫空氣源熱泵機組的除霜情況是根據實際運行情況進行智能除霜，為減少低溫時機組的能耗和機組除霜運行時的不穩定影響，所以記錄機組穩定運行時的數據，時間間隔取1 min。記錄數據如圖3～圖6。

圖3 制熱能力隨供水溫度變化圖

由圖3 和圖4 可知，當環溫為定值時，制熱能力和輸入功率均與供水溫度呈正相關，并且隨著室外環度越低，機組有效供水溫度區間越小。當環溫為-30 ℃～-20 ℃時，50 ℃～60 ℃的供水溫度區間沒有有效的制熱能力且機組無法達到設定供水溫度。當環溫高于等于-30 ℃時，供水溫度為30 ℃、41 ℃、45 ℃的機組均有良好的制熱能力和有效的輸入功率。當供水溫度為定值時，由于制熱能力與輸入功率隨室外環境溫度變化趨勢基本一致，以-25 ℃環溫為例，供水溫度為41 ℃與45 ℃的機組比供水溫度為30 ℃的機組的制熱能力分別增加了約2.1%和2.6 %；供水溫度為41 ℃與30 ℃的機組比供水溫度為45 ℃的機組的輸入功率分別減少了約4.9%和15.5%。當環溫低于-30 ℃時，機組無法達到設定供水溫度且制熱能力急劇下降。

圖4 輸入功率隨環境溫度變化圖

由圖5 可知，當供水溫度為定值時，機組COP 與室外環境溫度呈正相關。當供水溫度為41 ℃時，環境溫度升高機組COP 也上升，原因隨著環境溫度升高機組能從外界獲取的能量也越高，能效比上升。當室外溫度成定值時，機組COP 與供水溫度呈負相關。當環溫為-30 ℃時，機組最低COP 值為1.71，對應45 ℃的供水溫度；當環溫為-20 ℃時，機組最低COP 值為2.17，對應60 ℃的供水溫度。在最佳額定供水溫度41 ℃條件下，將環溫從-30 ℃提升至-20 ℃，機組COP 從1.8增至2.25，增幅為25.6%。由圖6 可知，當室外溫度為定值時，供水溫度與室內溫度呈正相關。當環溫高于-30 ℃時，供水溫度區間為30 ℃～45 ℃；當環溫高于-25 ℃，供水溫度區間為30 ℃～50 ℃；當環溫高于-20 ℃時，可取供水溫度區間為30 ℃～60 ℃。此種情況下室內溫度均可滿足室內設計采暖溫度需求。

圖5 COP 隨環境溫度變化圖

圖6 室內溫度隨環溫變化圖

4 結論與展望

綜合室內采暖溫度要求、耗電量、制熱能效比三方面需求得出以下結論；

（1）在一定設計溫度下，環溫-30 ℃～-20 ℃區間時，機組最佳額定供水溫度為41 ℃，機組COP 在1.8 以上；當機組供水溫度為41 ℃時，環溫由-30 ℃提升至-20 ℃，對應COP 由1.8 提升至2.25，增幅約25%，提升效果明顯。

（2）在一定設計溫度下，當環溫高于-20 ℃時，機組最佳額定供水溫度為30 ℃，機組COP 在2.5 以上；當機組供水溫度為30 ℃時，環溫由-20 ℃提升至-10 ℃，對應COP 由2.5 提升至3.26，增幅約30.4%，提升效果明顯。

本文的研究成果理論上可以使的超低溫熱泵在北方地區應用更加高效，同時也為以后的仿真模擬和驗證提供了真實性的數據基礎和可靠性的對比參照依據。