空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年性能實驗研究

王曉洪，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年性能實驗研究

王曉洪*，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

本文對上海某小型辦公建筑空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷及制熱工況全年性能進行了實驗研究，研究結(jié)果表明，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)能夠滿足建筑的制冷及制熱需求，為建筑提供全年均勻穩(wěn)定的熱環(huán)境。同時，該空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)建筑的冷/熱負荷調(diào)節(jié)其制冷量以及制熱量；在制冷工況下，室外溫度越高其制冷量越大；在制熱工況下，室外溫度越低其制熱量越大。此外，本文還提出了一種以循環(huán)效率-機組負載率曲線來表征系統(tǒng)運行性能的方法，該方法可以方便直觀地表現(xiàn)熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性。

空氣源熱泵；部分負荷性能；循環(huán)效率；室內(nèi)熱環(huán)境

0　引言

建筑是人類生活工作的場所，隨著生活水平的提高，人們越來越重視室內(nèi)環(huán)境的舒適性，越來越多的建筑安裝了空調(diào)系統(tǒng)，因此，空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑總能耗中所占的比重越來越大。在各種類型的空調(diào)系統(tǒng)中，熱泵機組憑借其高能效比和既能夠制冷又能夠制熱的特點，廣受關注，比如地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵等。其中，空氣源熱泵機組因其適應性強、安裝方便的優(yōu)勢，成為了當下運用最為廣泛的一種空調(diào)形式，是研究的重點[1-3]。

在空氣源熱泵的研究方面，一些學者將研究重點放在研究空氣源熱泵機組本身性能，研究機組的節(jié)能潛力，并提出新的能量利用方式及除霜方式，以增強熱泵機組的環(huán)境適應性。錢付平等[4]分析了空氣源熱泵的能耗分布，提出了強化傳熱措施，提高傳熱系數(shù)，減小傳熱溫差的方式是系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化；BYRNE等[5]對空氣源熱泵系統(tǒng)進行了模擬仿真，通過頻繁的交替運行空氣蒸發(fā)器和水蒸發(fā)器來減少熱泵的空氣-水換熱損失；安青松等[6]在分析熱泵壓縮機熱力學性能的基礎上,得出了壓縮機適合的最低工作溫度，建立了以經(jīng)濟性為目標的最低溫度模型

1　實驗系統(tǒng)介紹

表1　設備參數(shù)表

表2　傳感器精度

2　數(shù)據(jù)處理方法

為了使系統(tǒng)性能變得更為直觀且易于評價，本文對測試系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)進行分析處理，處理方法如下。

逐日室外溫度：將室外溫度傳感器采集到的夏季3個月的數(shù)據(jù)中，每日的空調(diào)系統(tǒng)運行時段內(nèi)的數(shù)據(jù)各自作算術平均，以獲得逐日室外溫度。

逐日室內(nèi)平均溫濕度：取室內(nèi)各個傳感器的逐日室內(nèi)溫濕度的平均值，以獲得逐日室內(nèi)平均溫濕度。

機組制冷量Q：由于數(shù)據(jù)采集間隔為5 min/個，假設系統(tǒng)各項參數(shù)在此5 min內(nèi)變化可以忽略不計，則通過式(1)可以得到水系統(tǒng)與空氣源熱泵機組這5 min內(nèi)總的換熱量。

式中：

qm——總水管流量，kg/s；

ΔT——機組供回水溫差，℃；

C——水的比熱容，kJ/(kg·℃)，計算時取4,200。

對全天機組運行全時段內(nèi)的換熱量進行疊加，可以等效得到機組在當日運行時段的總制冷量Q。

最后通過式(2)可以得到，系統(tǒng)COP：

式中：

WAHU——新風機組能耗，kWh；

WFCU——風機盤管末端能耗，kWh；

Wpump——水泵能耗，kWh。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1制冷工況空調(diào)系統(tǒng)運行性能

圖2與圖3分別為夏季制冷工況下空調(diào)系統(tǒng)COP變化圖和室內(nèi)平均溫濕度變化圖。從圖中可以看出，夏季室外溫度最低為20.4℃，最高達到了38.9℃。在整個夏季的室外溫度范圍變化較大的情況下，室內(nèi)平均溫度圍繞著室內(nèi)溫度設定點（24℃）呈現(xiàn)小范圍波動，波動范圍小于1℃。由此可以得出，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以為室內(nèi)提供穩(wěn)定的熱環(huán)境。除此以外，該系統(tǒng)對于室內(nèi)相對濕度進行了有效控制。從圖2可以看到，在這3個月的實驗中，室內(nèi)平均相對濕度被控制在57.97%～77.07%，滿足GB/T 18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》[11]對于室內(nèi)相對濕度應處于40%～80%的舒適性的要求。

從圖中還可以看出，空調(diào)系統(tǒng)的COP在這3個月里并不是固定不變的值。根據(jù)計算，整個夏季制冷工況下，該系統(tǒng)的最高COP達到了3.08。為了綜合判斷該系統(tǒng)在整個夏季制冷工況下的制冷性能，這里引入季節(jié)能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），它表示在正常的供冷期間，空調(diào)器在特定地區(qū)的總制冷量與總耗電量之比。最后計算得出該空調(diào)系統(tǒng)的SEER為2.13。

圖2　夏季室外溫度與系統(tǒng)COP變化

圖3　夏季室內(nèi)平均溫濕度變化

3.2制熱工況熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行性能

熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以同時滿足夏季制冷、冬季制熱的需求，所以，制熱工況下空調(diào)系統(tǒng)的運行性能十分重要。

圖4及圖5分別為冬季制熱工況下空調(diào)系統(tǒng)COP和室內(nèi)平均溫濕度變化圖。從圖中可以看出，在冬季室外溫度變化范圍為-2.5℃～20.2℃的情況下，室內(nèi)平均溫度為19.5℃～24.4℃，室內(nèi)平均相對濕度被控制在23.78%～76.76%。根據(jù)GB/T 18883的要求，冬季室內(nèi)溫度宜在16℃～24℃范圍內(nèi)，相對濕度為30%～60%。也就是說，空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以滿足建筑冬季制熱需求，同時，室內(nèi)相對濕度大部分情況下也是滿足舒適性要求的。

圖4　冬季室外溫度與系統(tǒng)COP變化

圖5　冬季室內(nèi)平均溫濕度變化

從圖中還可以得到，整個冬季制熱工況下，該系統(tǒng)的最高COP達到了3.06。結(jié)合SEER最后計算得出該空調(diào)系統(tǒng)的全年能源消耗率（Annual Performance Factor，APF）為2.05。因此，在上海地區(qū)選用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)設備，為建筑全年提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，是切實可行的。

3.3熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行性能影響因素

空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以滿足建筑全年制冷及采暖需求，但是，從前面的分析中可以看出，系統(tǒng)性能并非一成不變。影響系統(tǒng)性能變化的因素有很多，例如：室外溫濕度、供水溫度、制冷（制熱）負荷變化等。其中，室外溫度為影響系統(tǒng)性能變化的最主要因素。

卵巢癌是女性生殖系統(tǒng)常見腫瘤，因發(fā)現(xiàn)癥狀時多數(shù)病例已是晚期，其病死率居婦科惡性腫瘤之首[7]。2011年美國癌癥協(xié)會發(fā)布的全球腫瘤報告顯示僅2008年全球新發(fā)卵巢癌225 500例，其中140 200例死亡[8]。由此可見提高卵巢癌的早期診斷，對卵巢癌的治療處理和預后極為重要。

室外溫度對于系統(tǒng)性能變化的影響體現(xiàn)在兩個方面，一個方面為直接影響，另一個方面則為間接影響。

直接影響體現(xiàn)在室外溫度對于系統(tǒng)COP的影響。在制冷工況下，室外空氣溫度為空氣源熱泵的熱源溫度。較低的室外空氣溫度意味著比較好的制冷工況，有利于系統(tǒng)COP的提高，而過高的室外溫度則意味著較差的制冷工況，會大大降低系統(tǒng)COP。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，假設空調(diào)系統(tǒng)供水溫度恒為7℃，并且熱泵機組的制冷性能不會隨著室外溫度而變化，則在室外空氣溫度為30℃的基礎上，室外溫度增加一度，空調(diào)系統(tǒng)的COP便會下降4%。制熱工況則相反，較低的室外溫度意味著較差的制熱工況。

間接影響則體現(xiàn)在室外溫度對于室內(nèi)負荷的影響。夏季，隨著室外溫度的升高，空調(diào)系統(tǒng)需要制造更多的冷量以滿足隨室外溫度增加而增加的室內(nèi)冷負荷，對于本實驗用建筑，室外溫度的升高對于室內(nèi)冷負荷的增加起著最主要的作用。冬季則相反，室外溫度越低，所需要的制熱量越高。

圖6與圖7分別為不同室外溫度條件下的系統(tǒng)制冷量/制熱量，圖中可以看出，引起系統(tǒng)制冷量/制熱量變化的主要因素為室外溫度變化。

圖6　夏季室外溫度與空調(diào)系統(tǒng)制冷量

圖7　冬季室外溫度與空調(diào)系統(tǒng)制熱量

如圖所示，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量隨室外溫度的變化而變化，當室外溫度比較低的時候，空調(diào)系統(tǒng)制冷量最低只有3.5 kW，隨著室外溫度的升高，空調(diào)系統(tǒng)制冷量最高達到了34.07 kW；系統(tǒng)制熱量在室外溫度最高時達到了最低，為5.43 kW，隨著室外溫度下降，制熱量最高達到了23.8 kW。由于熱泵機組在不同負荷率的工況下運行性能是不一樣的，因此，室外溫度變化導致的系統(tǒng)負荷變化，將引起空調(diào)系統(tǒng)性能的改變。

3.4變工況下熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能曲線

由于在實際工程中，建筑負荷不是一個定值，而是如上面分析一樣，隨著環(huán)境變化而變化，因此，部分負荷性能是評價空調(diào)系統(tǒng)性能是否高效的標準之一。其中，熱泵機組的部分負荷性能最受關注。

目前廣泛采用的是熱泵機組部分負荷性能評價指標IPLV，其計算公式如式(3)：

A——冷水機組在100%負荷下的COP/EER；

B——冷水機組在75%負荷下的COP/EER；

C——冷水機組在50%負荷下的COP/EER；

D——冷水機組在25%負荷下的COP/EER；

a、b、c、d——權(quán)重系數(shù)，通常，a取2.3%，b取41.5%，c取46.1%，d取10.1%。

通過該公式計算得出的IPLV值，可以簡單直觀地體現(xiàn)熱泵機組的部分負荷性能，方便用戶等非專業(yè)人員判斷空調(diào)是否高效節(jié)能。然而，對于專業(yè)設計選型及研究人員，該值僅能作為初步判斷的依據(jù)。在實際工程中，不同類型和用途的建筑負荷變化情況具有很大差別，因此需要更為詳實的熱泵機組部分負荷性能曲線。

部分負荷率的定義為：機組實際制冷量與機組在相同工況條件下的最大制冷量的比值。按照此定義，一條部分負荷性能曲線僅能表達機組在一種運行工況下的性能變化。然而，實際工程中，空調(diào)系統(tǒng)是在變工況情形下運行的，因此，本文提出循環(huán)效率-機組負載率曲線，以方便直觀地表現(xiàn)熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性。

假設：1）影響機組性能的因素主要為室外溫度、供水溫度和熱泵機組變負載率性能；2）熱泵機組最大功率為定值，不隨運行環(huán)境變化而改變。

根據(jù)以上假設，計算熱泵機組的循環(huán)效率η，用以表征熱泵機組制冷循環(huán)的熱力學完善度，可通過式(4)得到：

其中COPe為機組在相同冷熱源溫度情況下的逆卡諾循環(huán)效率，計算方法見式(5)：

式中：

Ts——熱泵機組供水溫度，K；

To——室外溫度,K。

熱泵機組負載率ηp由式(6)得出：

式中：

Pa——熱泵機組實際功率，kW；

Pm——熱泵機組最大功率，kW。

最終，可以得到如圖8所示的熱泵機組循環(huán)效率在不同負載率下的分布圖及分布規(guī)律擬合曲線。從圖中可以看到，熱泵機組制冷循環(huán)效率與負載率之間存在一一對應的關系，隨著機組負載率的上升，熱泵機組制冷循環(huán)效率呈規(guī)律性變化。也就是說，用機組循環(huán)效率-負載率曲線來表達熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性的方案是切實可行的。

圖8　熱泵機組制冷循環(huán)效率與負載率

通過擬合曲線，在已知室外溫度、供水溫度及機組制冷量的情況下，研究設計人員可以方便地計算得到熱泵機組在不同制冷工況和負荷情況下的制冷性能，從而對建筑空調(diào)系統(tǒng)提出優(yōu)化設計。同時，由于使用循環(huán)效率作為機組性能評價標準，便于直接比較不同種類空調(diào)主機的制冷性能。

3.5運行能耗分析

分析優(yōu)化熱泵機組的性能，對于建筑節(jié)能有著重要的意義。在建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)能耗占絕大部分，其中，空調(diào)主機占比最大。選取典型日數(shù)據(jù)進行分析說明。當天，空調(diào)系統(tǒng)工作時間為7:30～18:00，室外最高溫度為36℃。通過整理計算可以得到當日空調(diào)系統(tǒng)及建筑各部分的能耗，表3為建筑能耗與空調(diào)能耗，圖9為當日建筑能耗占比圖。從中可以看到，在系統(tǒng)運行時間段內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)能耗為103.63 kW·h，占了建筑能耗的48%，若除去通訊機房能耗，則空調(diào)系統(tǒng)的能耗占比達到了69.6%。通過觀察空調(diào)系統(tǒng)全年運行的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)的平均能耗為82.32 kW·h，相比于建筑的平均能耗，其占比為43.5%；空調(diào)系統(tǒng)能耗在建筑能耗中的比重最高的時候達到了80.8%，最小是19%。由此可見，如果想要減小建筑能耗，節(jié)約用電，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗是最為值得考慮和研究的方面。

圖9　建筑能耗占比圖

表3　建筑能耗與空調(diào)能耗

空調(diào)系統(tǒng)的能耗由變水流量熱泵機組（VWV）能耗、水泵能耗、新風機組（AHU）能耗與室內(nèi)空調(diào)末端風機盤管機組（FCU）能耗4部分組成，從圖中可以看到，熱泵機組能耗為空調(diào)系統(tǒng)能耗的主要部分，占了建筑總能耗的27%，其次是水泵能耗和新風機組能耗，分別占了9%和11%，最低的為室內(nèi)末端能耗。因此，要想降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，最有效的就是提高熱泵機組本身的制冷性能，或降低熱泵機組能耗，減少熱泵機組需要制造的冷量，節(jié)約用電。

4　結(jié)論

1）空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足建筑夏季制冷及冬季制熱需求，并且室內(nèi)溫度及相對濕度滿足舒適性要求；

2）系統(tǒng)季節(jié)能效比SEER為2.13，全年能源消耗率APF為2.05，在上海地區(qū)選用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為建筑全年提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，是切實可行的；

3）本文使用循環(huán)效率-機組負載率曲線來表達熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性的方法，可以方便地計算得到熱泵機組在不同制冷工況和負荷情況下的制冷性能，有助于建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設計；

4）熱泵空調(diào)系統(tǒng)的平均能耗為82.32 kW·h，占建筑夏季平均能耗的43.5%，其中，熱泵機組能耗最大，其次為新風機組，減少系統(tǒng)能耗應當優(yōu)先從這兩方面入手。

[1] LI X Y,NI L,LAU S K,et al. Performance analysis of a multi-functional Heat pump system in heating mode[J]. Applied Thermal Engineering,2013,51(1/2): 698-710.

[2] MARINI D. Optimization of HVAC systems for distributed generation as a function of different types of heat sources and climatic conditions[J]. Applied Energy,2013,102(1): 813-826.

[3] 王如竹,張川,翟曉強. 關于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設計要素的思考[J]. 制冷技術,2014,34(1): 32-41.

[4] 錢付平,范樹華,張吉光. 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析[J]. 能源研究與信息,2004,20(1): 23-27.

[5] BYRNE P,MIRIEL J,LENAT Y. Experimental study of an air-source heat pump for simultaneous heating and cooling – Part 1: Basic concepts and performance verification[J]. Applied Energy,2011,88(1): 1841-1847.

[6] 安青松,馬一太. 空氣源熱泵系統(tǒng)最低工作溫度的研究[J]. 暖通空調(diào),2007,37(11): 49-52.

[7] 張曉林,翟曉強,徐鵬飛. 基于TRNSYS 的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真研究[J]. 制冷技術,2015,35(6): 31-36.

[8] 范晨,梁彩華,江楚遙,等. 空氣源熱泵結(jié)霜/除霜特性的數(shù)值模擬[J]. 制冷技術,2014,34(1): 18-25.

[9] SONG M J,XU X G,DENG S M,et al. An Experimental Study on Performance During Reverse Cycle Defrosting of an Air Source Heat Pump with a Horizontal Threecircuit Outdoor Coil[J]. Energy Procedia,2014,61: 92-95.

[10] SAFA A A,FUNG A S,KUMAR R. Performance of two-stage variable capacity air source heat pump: Field performance results and TRNSYS simulation[J]. Energy and Buildings,2015,94 (1): 80-90

[11] JENKINS D,TUCKER R,AHADZI M,et al. The performance of air-source heat pumps in current and future offices[J]. Energy and Buildings,2008,40(10): 1901-1910.

[12] 曾傳章,吳錦京,魏新利. 空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統(tǒng)實驗研究及熱力性能分析[J]. 太陽能學報,2011,32(8): 1151-1157.

[13] 張川,陳金峰,王如竹. 上海地區(qū)空氣源熱泵結(jié)合小溫差換熱風機盤管末端的供暖空調(diào)系統(tǒng)性能的實驗研究[J]. 制冷技術,2014,34(1): 1-5.

[14] 吳靜怡,江明旒,王如竹,等. 空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[J]. 制冷學報,2009,30(5): 14-18.

[15] 王曉東,張晨陽,張哲,等. 空氣源熱泵性能的實驗研究[J]. 暖通空調(diào),2014,44(5): 119-123.

[16] 浙江省建筑設計研究院. 辦公建筑設計規(guī): JGJ 67-2006[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2006: 18-19.

[17] 衛(wèi)生部、國家環(huán)保總局. 室內(nèi)空氣質(zhì)量標準: GB/T 18883-2002[S]. 北京: 中國標準出版社,2002: 2-3.

Experimental Study on Annual Performance of an Air-source Heat Pump Air Conditioning System

WANG Xiao-hong*,ZHAI Xiao-qiang
(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In this paper,the annual performance of an air-source heat pump air conditioning system in cooling and heating conditions is investigated in an office building in Shanghai. The results show that the air-source heat pump air conditioning system could satisfy the cooling and heating demand of the office building,and it could provide a uniform and stable indoor environment condition all year. Meanwhile,this system could adjust cooling/heating power with building load； the system can provide more cooling power at higher outdoor temperature in cooling conditions and more heating power at lower outdoor temperature in heating conditions. Moreover,a method is proposed to evaluate the system performance by cycle efficiency curve and load rate of heat pump,which can directly show the performance of heat pump under different conditions and loads.

Air-source heat pump； Part load performance； Cycle efficiency； Indoor environment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.101

*王曉洪（1992-），女，碩士在讀。研究方向：建筑節(jié)能及空調(diào)系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號上海交通大學制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：15000378461。Email：xhwang06@126.com。