熊楚超 羅景輝,2 王景剛 魏 瑩 劉 歡 侯立泉
(1 河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 邯鄲 056038; 2 河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心 邯鄲 056038)
隨著社會的快速發(fā)展,能源消耗和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,冬季清潔供暖逐漸成為大家關(guān)注的焦點[1]。近年來,隨著低溫空氣源熱泵技術(shù)的逐漸成熟,其在北方城鎮(zhèn)地區(qū)供熱中的應(yīng)用范圍得到了進一步擴大[2-3]??諝庠礋岜靡钥諝庾鳛榈蜏?zé)嵩?,通過消耗少量電能驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn),實現(xiàn)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(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢[4-5]。在實際應(yīng)用過程中,為分析空氣源熱泵的實際運行效果,相關(guān)研究人員進行了很多現(xiàn)場測試分析[6-7],研究結(jié)果表明,空氣-水空氣源熱泵供暖系統(tǒng)通常存在機組與末端不匹配、機組運行不佳等問題,系統(tǒng)節(jié)能潛力較大。為了降低空氣源熱泵的系統(tǒng)運行能耗,可通過加裝水力平衡裝置結(jié)合室溫控制來實現(xiàn)按需供熱,以達到節(jié)能目的[8]。此外也可以直接調(diào)整機組運行頻率等參數(shù)[9-10],優(yōu)化系統(tǒng)運行策略來降低能耗。對于空氣-水空氣源熱泵供暖系統(tǒng)而言,系統(tǒng)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(tǒng)運行能耗影響較大[11-12]。
目前,對空氣源熱泵供暖系統(tǒng)采用分階段和分時段變水溫調(diào)節(jié)方式的現(xiàn)場實際運行效果以及節(jié)能性的相關(guān)研究較少。本文在2019—2020年供暖季,對邯鄲地區(qū)某老舊小區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運行情況進行了現(xiàn)場實測,根據(jù)113 天的測試數(shù)據(jù),分析不同室外溫濕度環(huán)境條件下,采用分階段和分時段變水溫調(diào)節(jié)方式時空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運行特性。
現(xiàn)場實測對象為邯鄲市某老舊小區(qū)供熱系統(tǒng),該小區(qū)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(huán)保要求,需選用新的熱源方式供暖。小區(qū)距離市區(qū)較遠,接入市政熱網(wǎng)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??紤]建筑為老舊建筑和室外環(huán)境因素,設(shè)計面積熱指標(biāo)為55 W/m2,系統(tǒng)采用16臺適用于環(huán)境溫度為-15 ℃的空氣源熱泵機組,配置3臺變頻循環(huán)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(qū)2018—2019年供暖季空氣源熱泵結(jié)霜較為嚴(yán)重,系統(tǒng)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(huán)境溫度為-25 ℃的熱泵機組。依據(jù)該小區(qū)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(shè)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(shù)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(qū)供熱系統(tǒng)運行采用變水溫調(diào)節(jié)方式,通過設(shè)定不同的回水溫度值來控制機組的運行。以邯鄲地區(qū)往年室外逐時溫度氣象參數(shù)為依據(jù),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(shè)置趨勢為從低到高再到低,并以室外相對濕度為依據(jù),結(jié)合峰谷電價分時段變水溫運行。
測試參數(shù)包括空氣源熱泵熱水側(cè)的供/回水溫度及流量、室外環(huán)境的溫濕度及設(shè)備能耗情況。在熱水側(cè)循環(huán)管路使用溫度記錄儀測量系統(tǒng)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(shè)備耗電參數(shù),測量精度為±1%。
圖1 不同階段劃分情況
通過供/回水溫度、系統(tǒng)水流量及設(shè)備耗電等參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù),對系統(tǒng)供熱量和系統(tǒng)性能系數(shù)等參數(shù)進行計算分析。
1)系統(tǒng)供熱量,按式(1)計算:
(1)
式中:QH為系統(tǒng)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(tǒng)循環(huán)體積流量,m3/h;tw1i和tw2i分別為i時刻供暖系統(tǒng)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(tǒng)性能系數(shù)
熱泵機組性能系數(shù)COP是從能量利用角度衡量其工作性能常用的評價指標(biāo)。一般而言,當(dāng)室外空氣溫度為0 ℃時,空氣源熱泵機組可以實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率達3.0。區(qū)別于機組性能系數(shù),系統(tǒng)性能系數(shù)COP′需考慮水泵能耗對系統(tǒng)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(tǒng)性能系數(shù);NJi為第i時段熱泵機組的耗電量,kW·h;Nsi第i時段循環(huán)水泵的耗電量,kW·h。
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(nèi),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(jié)霜工況分布,根據(jù)室外空氣溫度和相對濕度繪制。霜譜圖分為結(jié)霜區(qū)、結(jié)露區(qū)和無霜區(qū),結(jié)霜區(qū)根據(jù)結(jié)霜生長速率和不同的除霜時間又以可劃分為5個區(qū)域[14-16]。將測試的2 703 h的室外氣象參數(shù)繪制到結(jié)霜圖譜中,得到邯鄲地區(qū)結(jié)霜工況分布情況。由圖3可知,邯鄲地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜工況較多。測試期內(nèi)65.8%的狀態(tài)點均處于結(jié)霜區(qū)域,其中重霜區(qū)占26.7%,一般結(jié)霜區(qū)占29.8%,輕霜區(qū)占9.3%。處于無霜區(qū)內(nèi)的狀態(tài)點占20.1%,處于結(jié)露區(qū)的狀態(tài)點占14.1%。
圖3 結(jié)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(tǒng)運行特性,在測試期內(nèi)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(jié)霜工況分布如圖3中①~④所示,每個工況參數(shù)值為測試當(dāng)日18:00至次日08:00的連續(xù)測量數(shù)據(jù),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(qū),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(qū),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(shù)來看,工況1平均COP′為1.53,工況2為1.56。結(jié)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(tǒng)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(qū),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(qū),室外溫度平均值為2.5 ℃,相對濕度平均值為49.4 %??紤]在濕度較高工況下供熱量衰減較大,該小區(qū)結(jié)合邯鄲地區(qū)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(shè)定值[16-17]。根據(jù)測試數(shù)據(jù)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(shù)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(huán)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(shù)為2.37。對比上述4個工況,高濕環(huán)境機組容易結(jié)霜、低溫環(huán)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(qū),室外環(huán)境低溫工況較少,高濕結(jié)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(diào)節(jié)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(tǒng)運行特性
對于測試期供熱系統(tǒng)整體運行情況的分析,將從系統(tǒng)水溫變化和系統(tǒng)供熱性能等方面進行。描述了環(huán)境條件、供/回水溫度、運行時間和結(jié)霜情況,分析了分階段運行和分時段運行時系統(tǒng)的運行特性。整體運行情況如圖6~圖8所示。
2.2.1 系統(tǒng)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(nèi)空氣源熱泵供/回水溫度、運行時間及結(jié)霜工況的變化情況。整個測試期內(nèi),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(diào)節(jié)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(yīng)階段結(jié)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(diào)節(jié)的參考值。此外,空氣源熱泵供熱系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)置較低,系統(tǒng)運行時間較少。
圖7所示為測試期內(nèi)系統(tǒng)制熱量、開啟時間和性能系數(shù)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(qū)供熱系統(tǒng)運行時采用了水溫調(diào)節(jié)措施,隨著環(huán)境溫度的升高,系統(tǒng)供熱量、開啟時間呈下降趨勢,系統(tǒng)性能系數(shù)呈上升趨勢。隨著環(huán)境濕度的升高,系統(tǒng)供熱量、開啟時間呈上升趨勢,系統(tǒng)性能系數(shù)呈下降趨勢。測試結(jié)果表明,采取分階段水溫調(diào)節(jié)后,室外溫度較高、相對濕度較低的工況時間的系統(tǒng)能耗得到降低。
圖7 供熱量、運行時間和性能系數(shù)隨環(huán)境溫濕度的變化
2.2.2 系統(tǒng)分時段運行性能
圖8所示為測試期內(nèi)日平均制熱量、耗電量和COP′的變化。該小區(qū)供熱系統(tǒng)包括兩排空氣源熱泵,可實現(xiàn)分排控制,在設(shè)備出現(xiàn)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(huán)境溫度為-25 ℃的機組,考慮機組關(guān)閉時的散熱和防凍需求,不開啟的機組采取調(diào)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(diào)節(jié)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(jié)合圖2和圖6可知,第Ⅱ階段設(shè)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(tǒng)性能產(chǎn)生了較大影響。供暖中期室外環(huán)境溫度較低,為了滿足用戶供暖需求,供暖水溫通常需設(shè)置較高。當(dāng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)措施,第Ⅲ階段在濕度較大時采用了調(diào)節(jié)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(tǒng)日供熱量、耗電量和性能系數(shù)的變化
通過對邯鄲地區(qū)某老舊小區(qū)空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的現(xiàn)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(tǒng)的實際運行性能。得到如下結(jié)論:
1)測試期內(nèi),該系統(tǒng)日平均供熱量為12.454 MW,系統(tǒng)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(shù)值進行調(diào)節(jié),可較好降低供熱需求較少時間的系統(tǒng)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(qū)而言,除低溫環(huán)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(dǎo)致空氣源熱泵的運行效果不佳、供熱量不足。在高濕環(huán)境條件下,采用分時段變水溫調(diào)節(jié)策略優(yōu)于定水溫度調(diào)節(jié)策略。在分階段水溫調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,依據(jù)室外空氣相對濕度分時段調(diào)節(jié)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(tǒng)運行效果得到了改善。