單立洋

（北京華源泰盟節(jié)能設(shè)備有限公司 北京100083）

近年來，在我國北方農(nóng)村地區(qū)，空氣源熱泵逐漸取代電鍋爐、電暖器成為農(nóng)村清潔供暖的主要方式，空氣源熱泵系統(tǒng)有效降低供暖成本的同時，對推廣清潔供暖、解決散燒煤導(dǎo)致的能源浪費和霧霾等具有重要作用。但空氣源熱泵在農(nóng)村清潔供暖中仍面臨低溫下熱泵性能衰減或惡化、整體經(jīng)濟性差、農(nóng)民負(fù)擔(dān)加重等問題，需要從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和供熱方式創(chuàng)新等方面入手加以解決。

本文以某農(nóng)宅空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對象，針對實際運行中出現(xiàn)的問題，運用基于實測數(shù)據(jù)的數(shù)值方法，分析了熱泵運行特性，首次將基于空氣源熱泵運行特性的儲能設(shè)計應(yīng)用到農(nóng)村清潔供暖系統(tǒng)優(yōu)化配置中，提出優(yōu)化方案并進行系統(tǒng)仿真，為空氣源熱泵在我國北方農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 實例概述

農(nóng)宅供暖面積108m2，單層聯(lián)排建筑，供暖季時間為2020年11月16日0 時至2021年3月15日24 時，采用空氣源熱泵—地板輻射采暖系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 空氣源熱泵-地板輻射采暖系統(tǒng)示意

農(nóng)宅冬季供暖系統(tǒng)包括空氣源熱泵機組、水箱、循環(huán)水泵、分水器、地板輻射取暖單元及溫控單位?？諝庠礋岜脼槲ㄒ恢茻嵩O(shè)備，用戶通過溫控單元設(shè)定回水溫度，當(dāng)回水溫度低于設(shè)定值時，熱泵開始制熱，反之則停止制熱。農(nóng)宅共5 個房間，全部采用地暖管地板輻射取暖單元，通過分水器控制不同房間的供暖。循環(huán)水泵將地暖管內(nèi)冷水輸送至空氣源熱泵機組加熱，后送回房間地板輻射模塊供暖，24h不停機防凍運行。

對農(nóng)宅熱泵機組進行實地調(diào)研，所有農(nóng)宅皆采用旋渦式空氣源熱泵，額定電功率4.4kW，額定制熱量11kW，循環(huán)水泵額定揚程10m，額定流量2.4m3/h，地暖管總長度約648m。

為估算農(nóng)宅空氣源熱泵系統(tǒng)運行費用，共實測了3 組2018—2019年供暖季空氣源熱泵系統(tǒng)的電耗數(shù)據(jù)，可見該地區(qū)農(nóng)宅空氣源熱泵采暖系統(tǒng)運行費用比當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)居民集中供熱收費標(biāo)準(zhǔn)高出200%，加重了居民負(fù)擔(dān)［1］。

2 運行數(shù)據(jù)分析

2.1 農(nóng)宅采暖能耗分析

為計算農(nóng)宅采暖能耗情況，實測了空氣源熱泵機組停機狀態(tài)下不同室外均溫時的農(nóng)宅溫降速度，得到農(nóng)宅溫度與時間關(guān)系，根據(jù)建筑能耗計算公式，對房屋實際制熱能耗指標(biāo)進行計算。

建筑能耗Q為：

其中，Cl為循環(huán)水比熱容；ΔT 為室外溫度3℃時，農(nóng)宅在Δt時間內(nèi)的溫降；S為農(nóng)宅熱區(qū)面積；ml為農(nóng)宅空氣源熱泵-地板輻射采暖系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水總質(zhì)量，具體為：

式中，rn為水管內(nèi)徑；L為水暖管總長；Vh為機組循環(huán)水體積；Vm為水箱體積；ρl為水密度。

根據(jù)農(nóng)宅供暖系統(tǒng)主要參數(shù)及農(nóng)宅溫降規(guī)律，計算可得室外溫度3℃、室內(nèi)溫度20℃時農(nóng)宅能耗為61W/m2，查表可得農(nóng)宅所在地區(qū)室外計算溫度為-8℃，因此，首先基于實測的農(nóng)宅建筑參數(shù)，運用TRNSYS軟件建立了農(nóng)宅熱負(fù)荷計算模型［2］。

根據(jù)校正后的農(nóng)宅采暖能耗計算模型仿真，得到該地區(qū)計算溫度情況下建筑能耗為65.4W/m2，而建筑采暖節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為35W/m2，可見該農(nóng)宅采暖能耗超出節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)86.9%，是造成農(nóng)宅空氣源供暖系統(tǒng)運行費用過高的主要原因之一［3］。

2.2 熱泵運行性能分析

為揭示農(nóng)宅熱泵系統(tǒng)運行費用較高的內(nèi)在原因，對某農(nóng)宅熱泵系統(tǒng)實際運行情況進行跟蹤測試。熱泵運行性能方面，實測了2 種室外溫度、3 種回水溫度工況下的室內(nèi)溫度及電耗情況，兩種室外溫度情況下各觀測5d的運行數(shù)據(jù)并取均值，結(jié)果見表1。

表1 不同運行方式電耗對比

根據(jù)日電耗、機組停運時間占比、農(nóng)宅采暖能耗及循環(huán)泵參數(shù)，對空氣源熱泵機組實際COP進行估算，計算公式為：

其中，Qr、Qn、P、tl分別為熱泵系統(tǒng)日電耗、農(nóng)宅采暖能耗、循環(huán)泵功率及熱泵日停機時間。

與市場主流空氣源熱泵性能比較，發(fā)現(xiàn)該農(nóng)宅采用的熱泵系統(tǒng)運行性能能夠達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 系統(tǒng)運行性能分析

根據(jù)空氣源熱泵運行能效及農(nóng)宅制熱能耗數(shù)據(jù)，基于TRNSYS 軟件，建立了農(nóng)宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型，包括空氣源熱泵模塊、循環(huán)水泵模塊、負(fù)荷載入模塊、控制系統(tǒng)、水箱及數(shù)據(jù)讀取模塊（見圖2）。

圖2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型

基于實測的空氣源系統(tǒng)供暖運行數(shù)據(jù)，通過對比不同回水溫度時熱泵停運時間占比及日電耗，對該TRNSYS 模型進行驗證。其中，當(dāng)熱泵回水溫度取不同設(shè)置時，實測對應(yīng)的室內(nèi)溫度，然后基于驗證后的房屋能耗預(yù)測系統(tǒng)，得到不同室內(nèi)溫度對應(yīng)的供暖能耗。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

造成空氣源熱泵系統(tǒng)運行費用較高的主要原因為：（1）農(nóng)宅保溫性能差；（2）熱泵機組設(shè)定回水溫度不合理；（3）熱泵機組通過回水溫度控制啟停，控制方式單一。針對上述問題，本文提出以下優(yōu)化方法，并對優(yōu)化結(jié)果進行仿真分析［4］。

3.1 農(nóng)宅保溫優(yōu)化

基于建立并校正的農(nóng)宅能耗瞬態(tài)仿真模型，通過修改建筑參數(shù)，使農(nóng)宅墻壁換熱系數(shù)降低至1.5kJ/（m2·h·℃），使得房屋采暖計算能耗降低至45W/m2。

3.2 控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)農(nóng)宅人員占用率實測數(shù)據(jù)，增加基于人員占用率及作息規(guī)律的控制邏輯，農(nóng)宅每01：00-06：00 及22：00-24：00，熱泵回水溫度設(shè)置為30℃；其他時段熱泵回水溫度設(shè)置為35℃［5］。

3.3 基于熱泵性能特性的儲能設(shè)計

該地區(qū)冬季晝夜溫差較大，空氣源熱泵制熱性能受環(huán)境溫度影響明顯，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，熱泵制熱能效比明顯下降，且此時農(nóng)宅熱負(fù)荷較高，大大提高了熱泵供暖系統(tǒng)電耗。針對該問題，結(jié)合農(nóng)宅庭院面積較大的特點，設(shè)置地下儲熱裝置［6］。耦合儲能的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型示意如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后農(nóng)宅供暖系統(tǒng)示意

由圖3 可知，農(nóng)宅供暖系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵與儲熱水箱，當(dāng)室外溫度較高時，農(nóng)宅熱負(fù)荷較低，且制熱能效比較高，此時，空氣源熱泵除直接向農(nóng)宅供暖外，同時進行儲熱；當(dāng)室外溫度降低后，空氣源熱泵停機，全部農(nóng)宅熱負(fù)荷由儲熱水箱滿足［7］。

經(jīng)過優(yōu)化，農(nóng)宅整體熱負(fù)荷大幅降低的同時，有效利用了空氣源熱泵制熱能效比較高時段進行儲熱，從而避免了熱泵在低能效比工況下運行，整個典型日可降低供暖電耗約23kW·h，農(nóng)宅供暖系統(tǒng)供暖季能耗整體降低約2340kW·h，有效降低農(nóng)宅供暖費用1872元，實現(xiàn)農(nóng)宅清潔供暖節(jié)能32.5%。

4 結(jié)論

（1）基于TRNSYS 建立了農(nóng)宅熱負(fù)荷計算模型與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型，通過與運行數(shù)據(jù)對比，誤差低于10%，能夠較準(zhǔn)確仿真農(nóng)宅供暖系統(tǒng)。

（2）農(nóng)宅保溫性能是供暖費用過高的主要原因，設(shè)置保溫層，可有效降低農(nóng)宅熱負(fù)荷約31%。

（3）熱泵回水溫度對空氣源熱泵制熱能效比及熱泵停機時間占比影響較大，當(dāng)供回水溫度設(shè)置為40/35℃時，可在保證室內(nèi)溫度不低于20℃的同時，有效降低熱泵電耗。

（4）空氣源熱泵耦合儲能供能系統(tǒng)能夠有效利用空氣源熱泵高制熱能效比時段進行儲能，有效降低農(nóng)宅供暖費用1872元/a。