空氣源熱泵在川西地區(qū)的供暖影響分析

甘靈麗 王 曦

（四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都 610000）

0 引言

空氣源熱泵是以空氣為低位熱源的熱泵，它是通過電能驅(qū)動(dòng)制冷工質(zhì)熱力循環(huán)，把低位熱能轉(zhuǎn)換成高位熱能的設(shè)備。空氣源熱泵的低位熱源空氣，取之不盡，用之不竭，可以無償獲取，同時(shí)空氣源熱泵的安裝、操作、維護(hù)、管理較方便靈活，使得空氣源熱泵在各種建筑中得到廣泛的應(yīng)用。

目前我國(guó)學(xué)者主要從溫度、結(jié)霜、經(jīng)濟(jì)性和地區(qū)適宜性[1-6]幾個(gè)方面對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行研究，空氣源熱泵的運(yùn)行性能與使用地的氣候環(huán)境有緊密的關(guān)系，由于不同地區(qū)氣候環(huán)境差異較大，空氣源熱泵的既有研究結(jié)論并不具有普遍的指導(dǎo)意義。川西地區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诟吆貐^(qū)，供暖是當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保障，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)管理水平較低，空氣源熱泵安裝、操作、維護(hù)、管理較方便靈活的特點(diǎn)十分適合當(dāng)?shù)丶夹g(shù)管理水平，但是川西地區(qū)高寒氣候環(huán)境對(duì)空氣源熱泵運(yùn)行性能影響較大，又使得空氣源熱泵在該地區(qū)的使用受到一定的限制。目前我國(guó)學(xué)者對(duì)空氣源熱泵在川西高寒地區(qū)供暖的研究較少，因此本文將對(duì)空氣源熱泵在川西地區(qū)的供暖進(jìn)行研究分析。本文選取具有川西地區(qū)代表性（考慮社會(huì)支撐條件、地理特征、氣候分區(qū)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素）的典型城鎮(zhèn)和其他城鎮(zhèn)作為對(duì)象，分析川西地區(qū)氣候環(huán)境對(duì)空氣源熱泵供暖的影響。主要從以下4 個(gè)方面進(jìn)行分析：（1）結(jié)霜對(duì)空氣源熱泵的影響；（2）海拔高度對(duì)空氣源熱泵的影響；（3）干球溫度對(duì)空氣源熱泵的影響；（4）綜合影響。

1 結(jié)霜對(duì)空氣源熱泵的影響

空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜不僅會(huì)增加室外換熱器表面熱阻，降低室外換熱器的傳熱系數(shù)，還會(huì)增大空氣流過室外換熱器阻力，減少空氣流量。伴隨著室外換熱器壁面霜層的增長(zhǎng)，機(jī)組制熱量降低，風(fēng)機(jī)性能衰減，輸入電流增大，供熱性能降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)停機(jī)，導(dǎo)致機(jī)組不能正常工作。因此，結(jié)霜對(duì)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)空氣源熱泵供暖的可靠性和適宜性有著重要影響。

相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究表明[5]，根據(jù)空氣溫濕度、空氣露點(diǎn)溫度及蒸發(fā)器換熱溫差之間的關(guān)系及空氣源熱泵最低運(yùn)行環(huán)境溫度，可以得出空氣源熱泵理論結(jié)霜區(qū)域：空氣干球溫度在-15℃~11.5℃之間，相對(duì)濕度在30%~100%之間。隨著相對(duì)濕度的增大和空氣溫度的降低，結(jié)霜速率逐漸加快，當(dāng)相對(duì)濕度增至65%后或溫度降至-5℃后，結(jié)霜速率明顯加快，因此，將-5℃和65%分別作為劃分結(jié)霜區(qū)域干球溫度和相對(duì)濕度的分界線。據(jù)此，可將結(jié)霜區(qū)域細(xì)分為四個(gè)區(qū)：重霜區(qū)、一般結(jié)霜區(qū)、低溫結(jié)霜區(qū)、輕霜區(qū)。重霜區(qū)空氣溫度在-5℃~11.5℃之間，相對(duì)濕度在65%~100%之間；一般結(jié)霜區(qū)空氣溫度在-5℃~11.5℃之間，相對(duì)濕度在結(jié)霜區(qū)域下限與65%之間；低溫結(jié)霜區(qū)空氣溫度在-15℃~-5℃之間，相對(duì)濕度在65%~100%之間；輕霜區(qū)空氣溫度在-15℃~-5℃之間，相對(duì)濕度在結(jié)霜區(qū)域下限與65%之間。

根據(jù)上述判定方法，分析各典型城鎮(zhèn)供暖期室外逐時(shí)溫濕度下空氣源熱泵不同程度結(jié)霜的概率。各典型城鎮(zhèn)供暖期空氣源熱泵結(jié)霜特性分析見圖1-圖5 和表1。

表1 典型地區(qū)供暖期空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜時(shí)間Table 1 Frosting time of Air Source Heat Pump Unit in Heating Season in the typical area

圖1 甘孜縣結(jié)霜特性分析Fig.1 Analysis of Frosting Characteristics in Ganzi County

圖2 理塘縣結(jié)霜特性分析Fig.2 Analysis of Frosting Characteristics in Litang County

圖3 紅原縣結(jié)霜特性分析Fig.3 Analysis of Frosting Characteristics in Hongyuan County

圖4 松潘縣結(jié)霜特性分析Fig.4 Analysis of Frosting Characteristics in Songpan County

圖5 西昌市結(jié)霜特性分析Fig.5 Analysis of Frosting Characteristics in Xichang City

從圖1-圖5 和表1 可以看出，各典型城鎮(zhèn)空氣源熱泵易結(jié)霜時(shí)間占比均較長(zhǎng)，均在59%以上。甘孜約21%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，約50%的時(shí)間為一般結(jié)霜區(qū)；理塘約14%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，約54%的時(shí)間為一般結(jié)霜區(qū)；紅原約41%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，約50%的時(shí)間落在一般結(jié)霜區(qū)和低溫結(jié)霜區(qū)；松潘約28%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，約30%的時(shí)間為一般結(jié)霜區(qū)；西昌約55%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，約45%的時(shí)間為一般結(jié)霜區(qū)。

紅原和西昌相對(duì)濕度較大，重結(jié)霜區(qū)的占比較大，需慎用空氣源熱泵，確需使用空氣源熱泵時(shí)，應(yīng)有較好的除霜控制技術(shù)和策略；甘孜、理塘、松潘地區(qū)，大部分時(shí)間也處于易結(jié)霜區(qū)，但因供暖期相對(duì)濕度較低，總體結(jié)霜程度比紅原、西昌地區(qū)輕，可使用空氣源熱泵機(jī)組。

同理還可以得出其他城鎮(zhèn)空氣源熱泵供暖結(jié)霜特性如圖6 所示。

圖6 其他城鎮(zhèn)供暖期空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜特性Fig.6 Analysis of Frosting Characteristics of Air Source Heat Pump Unit in Heating Season in other cities and towns

從圖6 可以看出，康定縣約80%時(shí)間處于易結(jié)霜模式，48%的時(shí)間為重結(jié)霜區(qū)，從結(jié)霜角度考慮，該地區(qū)供暖建筑慎用空氣源熱泵機(jī)組，確需使用空氣源熱泵時(shí)，應(yīng)有較好的除霜控制技術(shù)和策略；馬爾康、色達(dá)、若爾蓋結(jié)霜幾率較高，但重結(jié)霜區(qū)占比較低，可采用空氣源熱泵機(jī)組；稻城結(jié)霜幾率較其他地方低，且多處于一般結(jié)霜區(qū)，較宜采用空氣源熱泵機(jī)組。

考慮機(jī)組運(yùn)行的可靠性和節(jié)能性，在川西地區(qū)使用空氣源熱泵時(shí)一定注重除霜技術(shù)。

2 海拔高度對(duì)空氣源熱泵的影響

假設(shè)空氣為理想氣體，則海拔、大氣壓力、溫度、空氣密度的關(guān)系可表示為：

式中，H 為海拔高度，m；p 為海平面處的大氣壓強(qiáng)，kPa；p0為海拔H 處的大氣壓強(qiáng)，kPa；ρ為空氣密度，kg/m3；P 為大氣壓強(qiáng)，kPa；R 為氣體常數(shù)，取287；T 為空氣熱力學(xué)溫度，K；e 為空氣中的水汽壓，kPa。

式（1）~（2）可以看出空氣密度隨著海拔高度的升高和溫度的上升而減小。有文獻(xiàn)研究表明[6]，空氣密度的減小會(huì)降低空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)的表面換熱系數(shù)，空氣側(cè)的表面換熱系數(shù)的減小會(huì)引起蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的顯著下降，從而影響空氣源熱泵性能系數(shù)。以常用的平直型翅片蒸發(fā)器的空氣源熱泵為例，當(dāng)空氣受迫湍流換熱時(shí)，則空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 為：

式（3）中，h 為空氣側(cè)表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ν為空氣流速，m/s；d 為蒸發(fā)器管徑，m；μ為空氣動(dòng)力粘度，N·s/m2；ρ為空氣密度，kg/m3；s1為垂直空氣流動(dòng)方向翅片間距，m；s2為沿空氣流動(dòng)方向管間距，m；d3為翅根直徑，m；N 為管根數(shù)。

上述各參數(shù)中，d、s 等翅片結(jié)構(gòu)形狀尺寸參數(shù)不隨海拔高度變化，λ、μ等空氣物性參數(shù)隨海拔高度變化不大，可忽略不計(jì)。

聯(lián)合式（1）~（3）可以得出，川西典型城鎮(zhèn)和其他城鎮(zhèn)海拔高度和溫度對(duì)空氣源熱泵空氣側(cè)表面換熱系數(shù)的影響，如表2（表中h0為海拔高度為0 米時(shí)的空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)）和圖7 所示。

表2 海拔高度對(duì)各城鎮(zhèn)空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)的影響Table 2 Effects of altitude on surface heat transfer coefficient of evaporator of Air Source Heat Pump in cities and towns

圖7 海拔高度對(duì)各城鎮(zhèn)空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)的影響Fig.7 Effects of altitude on surface heat transfer coefficient of evaporator of Air Source Heat Pump in cities and towns

由表2 和圖7 可以看出海拔越高，蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)降低的比例越大。甘孜、理塘、紅原、色達(dá)、稻城、若爾蓋等3000 米高海拔以上的地區(qū)蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)約降低16%~19%，松潘、馬爾康、康定等2500 米海拔以上的地區(qū)蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)約降低13%~14%，西昌地區(qū)蒸發(fā)器空氣側(cè)表面換熱系數(shù)約降低8%。

表3 各城鎮(zhèn)空氣源熱泵蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)量擴(kuò)大倍數(shù)Table 3 Expansion multiple of blowing rate of evaporator of Air Source Heat Pump in cities and towns

從表3 可以看出，海拔3000 米以上的城鎮(zhèn)風(fēng)量或風(fēng)速擴(kuò)大倍數(shù)均在1.5 以上，海拔越高，風(fēng)量或風(fēng)速擴(kuò)大倍數(shù)越大。在川西地區(qū)使用空氣源熱泵供暖時(shí)，需對(duì)機(jī)組制熱量參數(shù)進(jìn)行海拔高度修正后選擇，或?qū)諝庠礋岜脵C(jī)組廠家提出風(fēng)量（風(fēng)速）的擴(kuò)大修正要求。

3 干球溫度對(duì)空氣源熱泵的影響

空氣源熱泵在冬季隨著室外空氣溫度的降低，機(jī)組的制熱量也減少。以某品牌模塊式空氣源熱泵機(jī)組為例，機(jī)組的額定出水溫度45℃，冬季設(shè)計(jì)工況環(huán)境溫度為-15℃時(shí)機(jī)組性能參數(shù)修正值為0.5，要滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》空氣源熱泵機(jī)組COP 大于2 的要求，此時(shí)空氣源熱泵額定COP應(yīng)大于4，而常規(guī)熱泵機(jī)組的額定COP 約3.5，為滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的COP 要求，熱泵COP 大于2 的冬季設(shè)計(jì)工況環(huán)境溫度不能低于-13℃。

從表4 可以看出，若爾蓋、色達(dá)的供暖室外計(jì)算溫度在-13℃以下，供暖設(shè)計(jì)工況下空氣源熱泵COP 值已不滿足規(guī)范要求，此時(shí)建議采用低溫型空氣源熱泵，以同品牌空氣源熱泵為例，熱泵的冬季設(shè)計(jì)工況溫度為-15℃時(shí)，COP 均能大于2，大部分產(chǎn)品在冬季設(shè)計(jì)工況溫度為-20℃時(shí)COP 大于2，部分產(chǎn)品在冬季設(shè)計(jì)工況溫度為-25℃時(shí)COP 也大于2。在川西地區(qū)選用低溫空氣源熱泵時(shí)，還需考慮機(jī)組實(shí)際制熱量與熱負(fù)荷的供需平衡，當(dāng)存在室外空氣溫度低至機(jī)組的供熱量少于需求量時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的輔助熱源。

表4 各城鎮(zhèn)冬季供暖室外計(jì)算溫度Table 4 Outdoor calculated temperature of winter heating in cities and towns

4 綜合影響

在空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)保證空氣質(zhì)量流量下，空氣源熱泵的冬季制熱量受到室外空氣溫度、濕度和機(jī)組本身的融霜性能的影響，在設(shè)計(jì)工況下的制熱量通常采用式（4）計(jì)算：

式（4）中，Q 為機(jī)組設(shè)計(jì)工況下的制熱量，kW；q 為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工況下的制熱量，kW；K1為使用地區(qū)室外空調(diào)計(jì)算干球溫度修正系數(shù)，按產(chǎn)品樣本選取；K2為機(jī)組融霜修正系數(shù)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)修正，無數(shù)據(jù)時(shí)，可按每小時(shí)融霜一次取0.9，兩次取0.8。

以某品牌模塊式空氣源熱泵機(jī)組為例，機(jī)組的額定出水溫度45℃，在低溫下融霜間隔可做到每小時(shí)內(nèi)一次，機(jī)組融霜修正系數(shù)可取0.9，結(jié)合產(chǎn)品非額定制熱工況下性能修正系數(shù)可得到空氣源熱泵機(jī)組制熱量綜合修正系數(shù)如表5 所示。

表5 各城鎮(zhèn)空氣源熱泵機(jī)組制熱量綜合修正系數(shù)Table 5 Comprehensive correction coefficient of the heating capacity of Air Source Heat Pump Unit in cities and towns

從表5 可以看出，除西昌外各城鎮(zhèn)的綜合修正系數(shù)均較小，均在0.7 以下，若爾蓋和色達(dá)甚至在0.5 以下，如果不考慮加大風(fēng)量或風(fēng)速來解決熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)空氣質(zhì)量流量，修正系數(shù)還需加上空氣密度變化對(duì)制熱量的影響，總的修正系數(shù)會(huì)更小。因此，在川西地區(qū)使用空氣源熱泵機(jī)組時(shí)一定要注重制熱量的修正。

5 結(jié)論

（1）川西各城鎮(zhèn)空氣源熱泵易結(jié)霜時(shí)間占比均較長(zhǎng)，均在59%以上。其中紅原、西昌、康定的重結(jié)霜區(qū)占比明顯比其他城鎮(zhèn)高，均在40%以上，部分達(dá)到50%以上，需慎用空氣源熱泵機(jī)組；甘孜、理塘、松潘、色達(dá)、馬爾康和若爾蓋重結(jié)霜區(qū)程度低的地區(qū)可使用空氣源熱泵機(jī)組；稻城空氣源熱泵供暖結(jié)霜幾率較其他地方低，且多處于一般結(jié)霜區(qū)，較宜采用空氣源熱泵機(jī)組。但考慮空氣源熱泵運(yùn)行的可靠性和節(jié)能性，在川西地區(qū)使用空氣源熱泵機(jī)組時(shí)需注重除霜技術(shù)。

（2）海拔越高，空氣源熱泵室外空氣側(cè)盤管外表面換熱系數(shù)越低，相同機(jī)型的換熱量減小，為了保證制熱效果，需對(duì)空氣源熱泵制熱量參數(shù)進(jìn)行海拔高度修正，或?qū)諝庠礋岜脧S家提出風(fēng)量（風(fēng)速）的擴(kuò)大修正要求。當(dāng)采用擴(kuò)大風(fēng)機(jī)風(fēng)量或風(fēng)速時(shí)，海拔3000 米以上的城鎮(zhèn)風(fēng)量或風(fēng)速擴(kuò)大倍數(shù)均在1.5 以上。

（3）若爾蓋、色達(dá)的供暖室外計(jì)算溫度在-13℃以下，常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組能效已不滿足規(guī)范要求，此時(shí)建議采用低溫型空氣源熱泵。在川西地區(qū)選用低溫空氣源熱泵時(shí)，還需考慮機(jī)組實(shí)際制熱量與熱負(fù)荷的供需平衡，當(dāng)存在室外空氣溫度低至機(jī)組的供熱量少于需求量時(shí)，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的輔助熱源。

（4）在空氣源熱泵蒸發(fā)器空氣側(cè)保證空氣質(zhì)量流量時(shí)，川西各城鎮(zhèn)的修正系數(shù)均較小，除西昌外均在0.7 以下，若爾蓋和色達(dá)甚至在0.5 以下；考慮空氣密度變化對(duì)制熱量的影響時(shí)，總的修正系數(shù)會(huì)更小。因此，在川西地區(qū)使用空氣源熱泵機(jī)組時(shí)一定要注重制熱量的修正。