熱泵供暖機組的優化配置

文_李軍 北京節能環保中心

熱泵作為一種消耗部分高位能，使熱量從低溫熱源流向高溫熱源的裝置，可以把不能直接利用的低位熱能轉換為可以利用的較高品位熱能，達到節約部分高位熱能的目的。熱泵因其具有清潔、高效、節能、環保、可再生等特點，成為一種替代燃煤供暖的重要技術。然而，在實際應用過程中，有些用戶發現熱泵的節能效果并非如宣傳那樣突出，甚至有的用戶得出熱泵根本就不節能的結論。

影響熱泵節能效果的因素有很多，但其中建筑負荷指標大、機組容量大、機組容量搭配不當，系統適應負荷變化的能力差等原因，是影響熱泵節能效果的一個重要因素。

1 安裝負荷與供暖熱負荷的關系

熱泵供暖設備容量配置的依據是采暖設計熱負荷，即在采暖室外計算溫度條件下，為保持室內計算溫度，單位時間需要由熱泵提供給建筑的熱量，是確定供熱設備容量的重要指標。采暖室外計算溫度是將統計期內的歷年日平均溫度進行升序排列，按歷年平均不保證5天時間的原則對數據進行篩選計算得到的。可以說，在整個采暖季，除了這5天之外，采暖設備的容量均可滿足建筑對熱負荷的需求。

而建筑實際的供暖熱負荷隨著室外溫度的變化不斷變化，絕大多數時間，熱泵系統工作在部分設計負荷狀態下。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）規定：“集中空調系統的冷水（熱泵）機組臺數及單機制冷量（制熱量）選擇，應能適應空調負荷全年變化規律，滿足季節及部分負荷要求。”

供暖熱負荷的大小主要取決于當地的室外溫度，與室內、外溫差成正比關系，即：

式中：Qn－室外溫度tw時的供暖熱負荷；tn－供暖室內計算溫度；供暖室外計算溫度；－供暖設計熱負荷。

對北京市典型氣象年氣象資料的整理分析，得出北京地區建筑不同室外溫度下的負荷率與延續時間，見表1。

可見，供暖設備配備容量絕大多數時間大于建筑實際需求，供暖設備根據室外溫度調節供熱量對節能降耗就顯得尤為重要。

2 不同容量機組搭配能耗分析

GB50736-2012規定，集中空調系統的冷水（熱泵）機組不宜少于兩臺。實際工程中，通常選用2～3臺熱泵機組，機組類型、容量一般均不超過2種。

當選用多臺機組時，涉及到兩方面的問題：一方面各機組容量的大小，即各機組承擔建筑設計熱負荷的比例為多少；另一方面涉及機組的運行策略，即當有兩臺以上機組同時運行時，有兩種運行方式:一是各機組平均承擔建筑負荷；二是部分機組滿負荷運行，部分機組按需運行。通常情況下，以第一種策略運行較為節能，這也是本文分析的運行方式。

表1 北京地區不同溫度下的負荷率與延續時間

2～3臺機組的容量搭配方案有8種，見表2。

表2

表2中各種方案供暖季熱泵機組總能耗按下式計算：

式中:Qn－某一室外溫度下的建筑熱負荷；xi－某臺機組負擔建筑負荷百分比；COPi－機組該工況下的性能系數；Ti－溫度累計小時數；N－同時運行的機組臺數；M－整個供暖季不同負荷率的時段數。

可以看出，上式的計算結果由熱泵機組不同負荷率下的COPi值決定。而COPi受機組蒸發溫度、冷凝溫度、水流量和負荷率等多種因素的影響。一般情況下，機組COPi都隨著負荷降低先增加然后減小，80%負荷時機組COPi最高，50%負荷以下時，機組性能會大幅降低。相同 類型不同容量機組在相同負荷率時的COPi值會有所不同，為計算方便，本文假定它們的COPi值相等。

在北京市典型氣象年條件下，經計算，2臺機組不同容量搭配時能耗排序如表3。其中，方案1能耗最大，方案3能耗最小。

表3

3臺機組不同容量搭配時能耗排序如表4,可以看出，方案6能耗最大，方案5、8能耗相等且最小。

表4

2臺機組能耗均大于3臺機組的能耗，其中2臺相同容量機組（即方案1）的能耗最大，2臺機組容量各為設計容量30%、70%的組合方式最節能。3臺機組組合方式中，方案5、8的能耗相同，且能耗最小。但相較方案5，方案8更具優勢，該方案配置兩臺容量相同，且容量較大的機組，可以間歇運行，利于低溫熱源溫度場的恢復，有利于機組性能系數的提高。

3 結語

通過北京地區不同容量熱泵機組搭配組合能耗分析發現：3臺機組能耗小于2臺機組，2臺機組以70%、30%負荷比組合能耗最小；3臺機組以40%、40%、20%負荷比組合最具優勢。

部分負荷工況下機組COP值對采暖季機組能耗影響較大，只有提供機組不同負荷率下的準確COP值，才能得出正確的分析結果。

機組容量搭配是設計階段的任務，而不同室外溫度、不同負荷下系統的運行策略涉及到系統的運行管理，需要有不同負荷下系統運行臺數的控制策略，在保障機組安全、供熱效果的前提下，實現按需供能，將能耗降到最低。

本文計算并未涉及循環水泵的能耗。事實上，當機組容量搭配得當，每臺熱泵主機均能工作在高效率時，與之配套的循環水泵也可工作在高效區，避免了大馬拉小車情況，有利于系統輸送能耗的降低。這種情況下，可省去變頻設備，降低初投資。

對于既供熱又制冷的熱泵系統，應根據全年逐時負荷及延續時間，計算機組容量搭配的最佳方案，同時還需綜合考慮設備的初投資,統籌考慮合理安排。