歐洲熱泵供熱系統實際運行測試與典型問題分析

石竹青,趙宗彬,姚亮

（合肥通用機械研究院,安徽 合肥 230031）

人們對冬季供熱的要求越來越高，不僅要求溫暖、舒適，還要求節能、環保，歐洲供熱系統建設歷史悠久，熱泵系統是近年來備受關注的新能源系統，能夠從自然界空氣、水或土壤中獲得低位的熱能，經電做功，提供高位熱能的裝置。當前，熱泵供熱系統以歐洲產熱泵供熱系統為主，按照熱源的種類，以水源、空氣源熱泵為主，在部分地殼活動比較活躍的地區，混合源熱泵比較多見。熱泵供熱系統開始向家庭化、小型化發展，集中式供熱的范圍明顯縮小，以減少熱力供應過程中消耗。熱泵供熱系統是復雜機構系統，為達到理想的運行效果，需要進行運行測試，優化運行模式、工作參數，提高能源利用效率，提高熱泵供熱系統的綜合效益。本文就歐洲空氣源熱泵供熱系統實際運行測試與典型問題進行分析。

1 歐洲熱泵供熱系統實際運行測試

1.1 測試對象——以丹麥為例

20世紀70年代是丹麥建筑面積增長最快的時間段，目前獨立住宅面積約占52%，也是供熱系統主要對象，進行獨立住宅熱泵供熱研究非常必要。丹麥1月、2月平均氣溫達到0℃，夏季為15℃，供熱系統全年都運行。測試對象為丹麥典型的獨立住宅，一般為2層，因個體化的設計，體形系數較大，圍護結構保溫相對較好。據計算，70年代經典的獨立住宅外墻傳熱系數為 0.49W/（m2·k），屋頂 0.26W/（m2·k），外窗2.47W/（m2·k），在進行改造后傳熱系數會明顯下降。整個獨立建筑的傳熱率=各種類型的建筑外面積傳染系數×外形面積，一座70年代經典2層獨立住宅的傳熱率為5.14kW/k。實際的供暖面積為356.6m2，建筑布局及散熱器分別布置在各個房間內，合計24組散熱器采用空氣源熱泵，熱媒為水，散熱器為四柱鑄鐵散熱氣。機組額定制熱量為11.4kW，額定輸出功率為2.81kW，最大輸入功率為4.4kW，-12℃制熱的量為6.4KW，同時輸出功率約為2.55kW，機組中采用循環水泵，流量額定為2m3/h，揚程為12m，根據回水溫度控制控制機組。

1.2 方法

根據供熱公式最終可計算整個系統的產熱量。而后采用溫度計測量室內外的溫度，采用懸掛法測量，高度2m，避免直射，遠離其他熱源，室內高度1.7m，距墻面1.1m，分析整個房間的溫度分布，采用紅外線測溫儀測量散熱器表面溫度。根據前文提到的直熱型空氣源熱泵供熱熱力學公式，可以換算理論上消耗的電能。

2 熱泵供熱系統運行問題

2.1 供熱、供水一體化

在歐洲所使用的熱泵，往往提倡一次網供水，水質較好，實現供熱、供水一體化。見下圖1，為芬蘭樓宇式換熱站，熱網一次水分為兩股，分別進入生活熱水、供暖換熱器，熱力站有自控系統，生活熱水出水溫度55℃，散熱器供水能夠實現曲線控制。熱量表能夠對整個系統的循環水流量、供水與回水溫度進行監控，從而快速的檢測消耗熱量，計算供熱費用。散熱器供水溫度主要取決于室外溫度以及用戶實際設定的室內溫度。在發現天氣修正后，耗熱量增加，則需要檢查熱力站設備，調整供水溫度，以減低熱耗，或進一步檢查房間內的恒溫閥，提高自由熱的利用率，變頻控制循環水泵的定壓。

圖1 芬蘭樓宇式換熱站原理圖

2.2 室外氣溫對系統的性能影響較大

空氣源熱泵供熱系統性能容易受到室外空氣環境參數影響，一般而言，氣溫越低，系統的性能越差，功耗更高，隨著環境溫度的上升，冷凝器的制熱量不斷上升。隨著環境溫度的上升，蒸發器與周圍環境對流換熱獲得熱量更多，蒸發溫度上升，從而導致COP上升。空氣源供熱系統適合環境溫度較高的地區，或余熱排放場所使用，如大型商業建筑排風口。前文提到的丹麥，因處于溫帶海洋星氣候，全年的氣溫罕有在零度以下情況，溫度較高，能夠維持較高的COP，降低能耗。在歐洲，雙源性的熱泵供熱系統，主要分布在地中海、瑞典、瑞士、冰島低熱條件較好的國家，雙源式的熱泵往往設計智能化水平高，能夠室外穩定調整熱源，當室外環境溫度較高時，以空氣源作為主要熱源，減少能耗。在氣溫偏低情況下，在啟動空氣源熱泵供熱系統時，瞬時的能耗會明顯增大，整個系統處于高負荷狀態下，也是故障的高發時間段。與此同時，同時整個系統供水溫度達到目標水平所需要的時間越長。

2.3 進水溫度對整個系統加熱系統影響較大

進水溫度直接影響系統的功耗，溫度越低，整個系統需要提供的熱能則更多，理想的進水溫度需要達到40℃，前文提到的芬蘭，其熱站控制的進水溫度便為40℃，再由家用的熱泵供熱系統加熱到目標溫度。在歐洲，維度跨度廣、氣候的差異大，特別是內陸地區，主要為溫帶大陸性氣候，而熱泵往往是全年運行的，這就需要不同地區需要設計符合本地區氣候特征的供熱系統，為不同熱源熱泵供熱系統設計不同性能參數，管理標準。

芬蘭樓宇式換熱站，為了更好的節能，歐洲住戶普遍向供熱服務公司進行咨詢，根據房屋本身的散熱、保暖情況，室內保暖需求，設計供熱方案，能夠適應天氣變化，進行參數修正，控制進水溫度，從而控制耗熱量，達到節能的效果。

2.4 出水溫度

在測試過程中，還常出現出水溫度差異，空氣源熱泵供熱系統出水溫度是指加熱完成后，水箱中的出水溫度，其直接影響供水器的性能。隨著出水溫度的上升，壓縮機的排氣溫度也隨之上升，加熱結束時，溫度達到峰值，部分甚至達100℃以上，容易超過推薦的上限值，不僅影響系統的性能，還容易引起故障。在進行供熱系統參數管理時，需要考慮到系統本身的性能標準，避免排氣溫度超過負荷。

2.5 建筑本身的保溫性能對供熱系統性能影響較大

建筑本身的保溫性能對供熱系統性能影響較大，在歐洲許多建筑已有三四十年的歷史，對這些老舊建筑進行供熱，因建筑保溫措施不到位，傳熱率較高，房屋內的耗熱量也會明顯增加。供熱公司此時需要重視數據的分析，以推動開展建筑的節能改造。

3 結語

在歐洲，空氣源、地熱源、復合源等熱泵供熱系統已達到廣泛的應用，極大提高了建筑供熱的節能水平。熱泵供熱系統初步實現供熱與供水一體化、系統控制、智能與遠程控制，供熱服務公司能夠較準確的計算出建筑的供熱量、耗熱量，從而進行價格的計算，推動供熱節能工作可計量化。我國供熱系統建設不斷發展，潛力巨大，為達到節能減排目標，需要重視熱泵技術、城市供熱系統的改造與建設，對舊有的系統進行智能化、熱源改造。

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