金洪文 楊蕾 徐鎮(zhèn) 楊清凈 徐夢 趙雄飛 馬喆 胡金泉

1 長春工程學院能源動力工程學院

2 吉林省建筑能源供應及室內環(huán)境控制工程研究中心

3 深圳麥克維爾空調有限公司

0 引言

如今，能源消耗越來越大，污染加重，環(huán)保問題也隨之出現(xiàn)。我國在2017 年出臺《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，對清潔能源取暖有了明確要求。在保護環(huán)境的同時，實現(xiàn)了節(jié)約能源。熱泵的使用是實現(xiàn)清潔供暖的有效途徑之一，它彌補集中供熱系統(tǒng)敷設不到或者使用小鍋爐房受限的地方。在嚴寒地區(qū)，空氣源熱泵的應用仍在探索之中。

空氣源熱泵原理被廣泛熟知。但是在嚴寒地區(qū)，能夠在低溫環(huán)境下制熱的空氣源熱泵，才剛剛步入市場[1]。在技術手段上主要使用噴氣（液）增焓解決了低溫制熱問題。已經(jīng)能夠實現(xiàn)在嚴寒地區(qū)-30 ℃的環(huán)境下制熱，彌補了嚴寒地區(qū)供暖市場的空白點。

低溫空氣源熱泵原理圖如圖1 所示。

圖1 低溫空氣源熱泵原理圖

1 測試對象與方法

1.1 工程概況

實驗項目為長春市某高校實驗樓，建于2009 年，框架結構非節(jié)能建筑，共6 層，層高4.2 m，建筑高度25.2 m[2]。建筑總面積為19047 m2，主要功能為實驗室及部分辦公室，采暖是上供下回式、末端為散熱器的集中供暖系統(tǒng)。

1.2 實驗對象

實驗對象為本建筑一樓北向三個房間，面積共計550 m2。實驗共布置了8 個測點，室內室外各3 個，供回水各1 個。采用多路溫度巡檢儀記錄溫度數(shù)據(jù)，每隔半個小時測一次，多路溫度巡檢儀型號為JK-16C。空氣源熱泵安裝于一樓室外，室內末端采用散熱器供熱與原有集中供熱斷開。實驗使用空氣源熱泵型號為MAC340DR5HW，由電表記錄熱泵及水泵的電量消耗。測試時間從2018 年11 月7 至2019 年4 月1 日共計146 天。圖2 為低溫空氣源熱泵室內采暖流程圖。

圖2 室內采暖流程圖

2 實驗結果及分析

2.1 設備運行狀態(tài)分析

在實驗測試的146 天內，共計消耗電量為23391 kWh。根據(jù)系統(tǒng)供回水溫差Δt 可判斷設備運行狀態(tài)，圖3 是設備運行時間和設備停止時間的占比關系。當Δt＝0 時，設備停止運行28 天，占總時長19.18%。當Δt=0.1～0.2 ℃時，設備停機后趨于穩(wěn)定的時間累計35天，占總時長23.94%，當Δt＜0 ℃設備除霜時間累計2天，占總時長1.37%，當Δt＞0.2 ℃時，設備正常運行81 天，占總時長55.48%。

圖3 各階段運行時長統(tǒng)計

2.2 熱泵輸出熱量和能效比分析

圖4 為測試時間段內室外溫度與熱泵輸出熱量實時對比。從圖4 可以看出，當熱泵的輸出熱量達到最大值（46.20 kW）時，與之對應的室外溫度并不是最低（最低溫度為-22.1 ℃），所以，熱量的消耗并不是僅取決于室外溫度，還與環(huán)境以及設備損耗等因素有關，如墻體蓄熱、太陽能輻射等。

圖4 室外溫度與熱泵輸出功率圖

圖5 熱泵實驗時段各參數(shù)情況

由圖5 可以看出，供回水溫度有一個驟降式下跌，其原因是接近放假，將熱泵進水溫度調整至25 ℃導致?？傮w來看，實驗期間熱泵運行穩(wěn)定，室內平均溫度能滿足18 ℃的設計參數(shù)值，圖中室內溫度下降至較低值時為學校放假期間，但也基本維持室溫波動為15～17 ℃，實驗期內熱泵平均運行能效比為1.4。

圖6 是將室外溫度與熱泵能效比的散點圖做了一個雙相曲線擬合，發(fā)現(xiàn)在室外溫度高于-5 ℃時，熱泵的運行能效比隨著室外溫度上升而上升。在溫度為-5 ℃以下時，可以看到熱泵高效率運行時能效比在2左右波動，符合銘牌能效比2.07 的值，但由于熱泵選型較大，室內需求熱負荷較小，出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，導致的熱泵供回水溫差較小，熱泵頻繁啟停，從圖3中也可以看出是造成能效比偏低的重要原因之一。0 ℃以下熱泵開始結霜，當?shù)陀?5 ℃時結霜更為頻繁，除霜問題也是影響熱泵運行能效比的另一個重要原因。由此得出，合理配置熱泵容量及解決除霜問題是提高能效比的關鍵技術。

圖6 熱泵能效比隨室外溫度變化的雙相曲線擬合散點圖

2.3 系統(tǒng)能效比分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年綜合能耗比是指系統(tǒng)全年運行過程總制熱量與同期間內消耗的電量總和之比[3]。則空氣源熱泵系統(tǒng)能效比COP 可定義為：

式中：Q 為實驗期熱泵的輸出總制熱量，kWh；Wc為實驗期熱泵的總耗電量，kWh；Wf為實驗期風機的總耗電量，kWh；W1為實驗期水泵的總耗電量，kWh；Wp為實驗期伴熱帶的總耗電量，kWh。

熱泵系統(tǒng)各設備功率見表1。篩選出熱泵除霜和設備停止的時間，結合每天的熱泵輸出熱量和熱泵耗電計算出每天的熱泵能效比和系統(tǒng)能效比如圖7。

表1 各設備功率情況

圖7 制熱量、熱泵能效比與系統(tǒng)能效比關系

由圖7 可知，由于系統(tǒng)除熱泵耗電外還有風機、水泵和伴熱帶耗電，因此系統(tǒng)能效比要比熱泵能效比略低，計算值在1.35 左右。

當熱泵供水溫度大于回水溫度時認為熱泵處于工作狀態(tài)，分析實驗期系統(tǒng)的總輸出熱量和耗電量計算得出系統(tǒng)能效比為0.6871，明顯不符合實際情況。因此，依據(jù)圖3 分析結論，即Δt＞0.2 ℃時認為設備有效輸出熱量。通過計算得出系統(tǒng)的總熱量為54311.6 kWh，此時系統(tǒng)能效比為1.35。

3 負荷計算

上述熱量輸出是實際測試得到的，實驗房間負荷還采用了DeST 模擬負荷計算和設計負荷計算兩種方式。且把結果應用到整棟樓進行測算。

利用DeST 將實驗室進行模擬建模，作息時間按照早8:00～17:00，窗墻門地板采用常規(guī)熱工參數(shù)，計算得出平均熱負荷為35 W/m2，累計平均耗電76.59 kWh/m2，全年最大熱負荷為23.61 kW。設計負荷按長春地區(qū)計算，平均熱負荷為39.4 W/m2，計算負荷為750.45 kW[4]。計算結果見表2。

表2 三種情況下的熱值及耗標煤量

4 經(jīng)濟性分析

4.1 初投資費用

按照冬夏都使用測算。一種是使用空氣源熱泵為冷熱源，末端為風機盤管的系統(tǒng)，冬夏都可以使用，初投資費用約為150～200 元/m2。如果冬季熱源采用集中供熱的入網(wǎng)費用為50 元/m2，夏季采用風機盤管加新風系統(tǒng)，單獨設置冷源初投資為150～200 元/m2。本實驗樓總面積為19047 m2，兩種不同系統(tǒng)初投資對比見表3。

表3 兩種系統(tǒng)初投資對比

4.2 運行費用

長春采暖時間為每年10 月20 日至次年4 月6日，共169 天。采暖費用為27 元/m2，層高超過3 m 的，每超0.3 m，熱費加收5%。本實驗樓層高4.2 m，采暖費用按32.4 元/m2計算。

夏季運行費用相同情況下，比較冬季運行費用。通過實驗數(shù)據(jù)計算得本實驗樓在采暖季的耗熱量為4508.88 GJ。在采暖季每平米耗熱量為4508.88 GJ/19047m2=0.24×106kJ。每平米單位時間耗熱量為0.24×106/169/24=58.8 kW。以實驗期內空氣源熱泵的平均COP 值為1.4，計算空氣源熱泵單位時間耗電58.8/1.4=42 kWh。按照民用電價0.525 元/kWh 計算，則使用空氣源熱泵、集中供熱兩種方式的運行費用見表4。

表4 兩種采暖方式運行費用

經(jīng)計算可得，與集中供熱相比使用空氣源熱泵在采暖季可節(jié)省運行費用為2×105元。

5 結論

1）在過去的采暖季節(jié)，長春地區(qū)室外平均氣溫為-4.4 ℃，屬于暖冬，但是熱泵平均能效沒有達到預期值，主要是由于熱負荷與設備之間不匹配，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，要解決這個問題，在需求負荷與源的配置上需要有靈活負荷變化模塊化機組相互協(xié)同?；蛘卟捎幂^大容量的儲熱水箱進行化解該矛盾。另一個是室外平均溫度偏高，結霜頻率偏高導致效率下降。

2）通過實驗測試，提出如果在整棟樓應用低溫空氣熱源熱泵和集中供熱+空調的假設，在初投資和運行費用上，采用低溫空氣源熱泵系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

3）在有冷熱需求的公共建筑，可以首選低溫空氣源熱泵系統(tǒng)，再通過行為節(jié)能手段，運行費用可以降的更低。

除上述幾點外，低溫空氣源熱泵在使用上還要注意安裝位置及噪聲等影響。盡管有諸多方面的優(yōu)勢，目前由于壓縮機所限，單臺制熱量受限，如果大面積使用，設備所占面積較大。同時，在嚴寒地區(qū)使用還應有防凍保障措施?？傊谶m合條件下，合理使用低溫空氣源泵，就能夠做到節(jié)能減排。