醫院空氣源熱泵系統冬季采暖性能的測試與分析

黃濤，柴少偉，趙耀，代彥軍

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）因其舒適性好、能效比高、安裝使用方便等特點，近年來在冬季采暖方面越來越受到重視。空氣源熱泵在長江中下游地區應用廣泛[1-2]。由于其節能、環保等特性，逐步將其向主要依靠燃煤、燃油采暖的華北地區、黃河流域等推廣應用。空氣源熱泵機組在寒冷地區的冬季使用中主要存在低溫、結霜、壓縮比大和效率低等問題[3]。胡文舉[4]、田長青等[5]、楊銘[6]通過采用雙級壓縮變頻、蓄能除霜等，在改善機組性能方面開展了研究；李寧等[7-8]通過對全國各地冬季氣候和機組實驗工況耦合分析等，在機組環境適用性方面開展了研究。同時，為引導和規范產品市場，關于空氣源熱泵生產、適用的評價技術和標準體系也在完善。

本文通過對南京某醫院空氣源熱泵進行冬季采暖測試分析，重點介紹空氣源熱泵采暖系統在江南地區采暖應用實測研究情況。參照歐盟和國際熱泵產品測試標準，對美的公司的一款130 kW風冷熱泵機組進行測試，在機組能效比、結霜環境下運行情況以及經濟性3個方面做了重點分析，希望能為空氣源熱泵機組的設計應用以及實際產品標準的設定提供實際參考和依據。

1 空氣源熱泵采暖系統及運行控制

1.1 空氣源熱泵采暖系統

本工程為南京市某醫院病房樓改造項目，屬于夏熱冬冷地區，具體冬季室外參數如表1所示。

建筑面積約 8,700 m2，采暖面積 7,950 m2，共4層。采暖系統采用美的公司生產的風冷熱泵模塊（H型）機組，共計10臺，額定功率為130 kW，并采用470臺風機盤管作為室內末端。系統設計冬季熱負荷為850 kW，提供45 ℃/40 ℃的采暖熱水。如圖1所示，由于醫院樓房改造等因素，熱泵機組及其附屬設備置于A樓樓頂，距離采暖建筑B樓約15 m，兩者之間由供回水管連接。空氣源熱泵采暖系統布置如圖1所示，采暖熱水至采暖建筑B樓分為2路，分別為建筑供暖和新風供暖。

表1 冬季室外標準工況

圖1 熱泵采暖系統布置示意圖

1.2 系統運行控制

為滿足建筑采暖要求，由10臺熱泵130 kW機組，采用間歇式運行以滿足室內負荷及不同運行模式的需求，包括普通模式、除霜模式和間歇啟停模式等。供水溫度由人工設定，整個采暖周期內，均設置為44 ℃。

1）普通模式：系統根據室內的工況要求，逐個運行/停止熱泵，滿足供水溫度設定要求（44 ℃）。當環境露點溫度低于蒸發溫度時（即熱泵機組不結霜的條件下），系統進入普通模式。在本測試采暖周期內，系統運行控制策略主要以普通模式為主。

2）除霜模式：系統切換結霜機組的四通換向閥，機組由制熱工況變為制冷工況。壓縮機排出的高溫氣體直接送入室外側換熱器加熱翅片管達到融化霜層的目的[9]，滿足供水溫度設定要求。在結霜環境下時，熱泵蒸發器表面側有結霜，系統進入除霜模式。

3）間歇啟停模式：系統間歇式運行/停止結霜10臺熱泵機組，通過蒸發器翅片側霜層與環境換熱達到化霜目的，滿足供水溫度設定要求。在易結霜環境下，熱泵蒸發器表面側有結霜，系統進入間歇啟停模式代替除霜模式，可以提高系統運行效率。

根據采暖建筑B樓供暖要求，采用全新風供暖。供暖熱水分為2路：建筑供暖熱水和新風供暖熱水。建筑供暖熱水與室內空氣對流換熱，達到室內設定要求后風機停止運行；新風供暖熱水與室外新風換熱后送入采暖建筑B樓。

2 測試方案

2.1 測量區域劃分

將所需測量值按功能區域劃分為兩部分。1）系統端對應于熱泵系統測試區：對安置在A樓屋頂的熱泵機組的各點溫度、流量及電功率等進行測量；2）用戶端對應于采暖建筑測試區：對采暖建筑各處進行溫度測量，對建筑內各送/回風口的風速和溫度進行測量。熱泵系統測試區各測試點布置如圖1所示。各測試區內測量值與所用儀器如表2所示。

表2 各測試區的相關測量值及儀器

2.2 評價指標

本文以歐洲空氣源熱泵產品相關評價標準作為本測試評價指標的依據[10-13]。

1）單/多臺熱泵機組性能評價指標

熱泵機組總供熱量QASHP計算公式為：

式中：

QASHP——熱泵機組總供熱量，kW；

m˙——總管道中水的質量流量，kg/s；

Cp——水的比熱容，kJ/(kg? k)；

to——總供水溫度，℃；

ti——總回水溫度，℃。

熱泵機組COPH計算公式為：

式中：

COPH——單/多臺熱泵機組的COP；

WASHP——單臺熱泵運行電功率，kW；

nH——水泵運行數量。2）熱泵系統性能評價指標

熱泵系統COPASHP計算公式為：

式中：

WPump——采暖水泵運行功率，kW；

nP——循環水泵運行數量。

采暖系統COPSYS計算公式為：

式中：

WFan——室內風機運行電功率，kW；

nF——室內風機運行數量。

熱泵機組結霜損失系數Df計算公式為：

式中：

Df——結霜系數；

COPf——結霜時熱泵機組的性能系數；

COPASHP——相同工況下不結霜時熱泵機組的性能系數。

3）經濟性評價指標

每平方采暖建筑日均耗電量Pi計算公式為：

式中：

Pi——每日每平方采暖建筑的耗電量，kW?h/m2?天；

P——采暖測試期內總用電量，kW?h；

t——采暖測試的時間段，天；

S——采暖建筑總面積，S=7,950 m2。

每平方采暖建筑面積日均采暖費用Ai的計算公式為：

式中：

Ai——每日每平方采暖建筑的供暖費用，元/m2?天；

C——醫院電價，C=0.8601 元/kW?h。

3 結果與分析

采暖建筑面積約8,700 m2，系統設計冬季熱負荷為 850 kW，本文冬季采暖測試周期：2016年 1月19日～2016年3月4日，共45天。在測試周期內，共有4天結霜天氣，平均結霜系數Df為0.96；日均熱泵機組COPH為 3.12；日均耗電量為2,260 kW?h，日均每平方采暖費用Ai為0.25元/m2。

3.1 系統性能分析

測試周期內，共2次中斷測量設備進行數據存檔整理。測試數據按測量時間段依次歸類，共3組：1）1月19日～28日；2）1月29日～2月15日；3）2月16日～3月4日。本文詳細分析了不同環境氣象參數下的熱泵機組性能。

3.1.1 熱泵系統數據分析

如圖3所示，觀察2016年1月19日～28日的熱泵系統測試區和采暖建筑測試區的各點溫度變化情況。測量周期內，平均室外干球溫度 2.64 ℃。1月23日～25日出現極端惡劣天氣，室外日均干球溫度分別為-5.10 ℃、-6.90 ℃和-2.80 ℃。熱泵系統運行效率降低但蒸發器表面并無結霜現象，采暖建筑室內供熱穩定。采暖周期內平均總供/回水溫度、單臺熱泵平均供/水溫度、平均建筑供/回水溫度和平均新風供/回水溫度分別是 42.3 ℃/38.8 ℃、46.7 ℃/40.0 ℃、41.2 ℃/35.8 ℃和 41.3 ℃/39.5 ℃。測量周期內，熱泵系統能始終保持總供水溫度37.5 ℃以上。整個測量周期內，建筑供熱量普遍大于新風供熱量（極端惡劣天氣下的情況除外）。建筑供熱為主要供熱單元；新風供熱為次要供熱單元。

極端惡劣天氣內期間，如圖3中a和b區域所示，23日3：00室外干球溫度3.10 ℃，露點平均溫度1.51 ℃。熱泵機組出現短暫的結霜現象，系統進入間歇啟停模式，根據熱泵出水溫度，啟停熱泵機組。單臺熱泵出水溫度最低41.7 ℃，熱泵系統總供/回水均未有明顯改變，室內供暖保持正常。如圖 3中 c區域所示，出現測量周期內最冷天氣，日平均溫度為-6.90 ℃，單臺熱泵供水溫度均值48.6 ℃，系統總供/回水建筑、新風供水、單臺熱泵供/回水溫度均出現下降，而建筑回水和新風回水溫度基本不變，其日均值分別是42.6 ℃和41.5 ℃。此時，新風供熱需求大于建筑供熱需求。建筑供熱為次要供熱單元；新風供熱為主要供熱單元。如圖3中d區域所示，室外干球溫度和室外平均露點溫度分別是：-4.2 ℃和-18.9 ℃。蒸發溫度遠高于露點溫度，熱泵機組蒸發器側無結霜現象。

圖3 熱泵系統各點溫度值變化情況

3.1.2 采暖建筑數據分析

室外平均干球溫度2.64 ℃，第1～4層樓大廳月平均溫度分別為 22.7 ℃、19.2 ℃、15.7 ℃和 14.6 ℃。其中，高樓層大廳用戶窗常開，導致第3和第4層樓大廳室內溫度偏低。各樓層病房月平均溫度為24.9 ℃。病房人員日間習慣窗戶微開，保持室內空氣流通，故日間室內溫度存在小范圍波動，室內溫度基本不低于20 ℃。

在極端惡劣天氣（23日～25日）下，采暖建筑各層醫生辦公室和病房基本不受影響，始終保持室內溫度20 ℃以上。采暖建筑第3和第4層樓大廳溫度有下降，基本維持在10 ℃以上。

3.1.3 熱泵系統能效分析

對各采集數據綜合分析，整個冬季采暖測試時間為2016年1月19日～3月4日，共45天。總體性能指標如表3所示，采暖周期內平均結霜系數為0.96。其中，共有4天結霜天氣（分別為：1月28日、1月29日、1月31日和2月1日）在換熱器翅片表面有結霜，結霜系數分別為0.96、0.94、0.97和0.98。

如圖4所示，日均耗電量P與干球溫度呈反比關系趨勢，測試采暖周期內日均耗電量2,260 kW?h。

圖5展示了系統性能指標與室外干球溫度的變化關系。其中，日均熱泵機組COPH為3.12；日均熱泵系統COPASHP為2.76；日均采暖系統COPSYS為2.36。

表3 性能評價指標值

圖4 干球溫度與日均耗電量P隨時間變化圖

圖5 COP與干球溫度隨時間變化圖

整理室外干球溫度與熱泵系統各項性能指標關系[14-17]，得出關系如圖6所示，在室外干球溫度為2.82 ℃左右時，系統整體運行效率達到最大值。隨著室外溫度逐漸升高，熱泵機組COPH提高，熱泵系統COPASHP降低，采暖系統COPSYS降低。

3.1.4 能效變化原因分析

如圖6所示，室外干球溫度與系統性能指標的變化關系分析如下：

1）在測試采暖周期內，當室外干球溫度低于2.82 ℃時，系統的整體性能指標（包括熱泵機組COPH，熱泵系統COPASHP和采暖系統COPSYS）隨著溫度上升而提高；

2）當室外干球溫度等于 2.82 ℃時，熱泵系統COPASHP和采暖系統COPSYS達到峰值；

3）當室外干球溫度超過2.82 ℃時，機組COPH隨著溫度升高而提高；而熱泵系統COPASHP和采暖系統COPSYS隨著溫度升高而下降。

系統的主要設備功率如下：單臺熱泵機組功率為39.3 kW；單臺水泵功率為15.5 kW；室內風機共264臺，風機總功率為25 kW。由于室外干球溫度升高，室內供暖需求減少，熱泵機組運行數量減少，使得采暖水泵和室內風機等占主要運行能耗。

系統能效變化原因分析如下：

1）當室外干球溫度低于 2.82 ℃時，為滿足室內供暖需求，熱泵機組運行臺數保持在3臺或以上，機組運行功率占系統總功率的3/4以上，熱泵機組運行功率在系統性能指標上起主導作用。室外干球溫度提高，熱泵機組COPH運行效率提高，熱泵系統COPASHP和采暖系統COPSYS提高；

2）當室外干球溫度高于 2.82 ℃時，室內供暖需求降低，熱泵機組運行臺數降低至2臺或以下，機組運行功率占系統總功率1/3以下，水泵和室內風機的運行功率影響整體熱泵系統的效率。室外干球溫度提高，熱泵機組COPH運行效率提高。同時，室內供暖需求減少，熱泵機組運行功率占實際運行功率的比重降低，熱泵系統COPASHP和采暖系統COPSYS隨室外干球溫度升高呈降低趨勢。

圖6 COP與室外干球溫度變化關系

3.2 結霜工況分析

3.2.1 數據分析

本文選取典型結霜日（1月29日10：00～1月30日11：00），對熱泵機組在結霜環境下工況做進一步分析。結霜工況下各項性能指標平均值如表4所示。

由圖 7可以看出，1月 29日10：00～16：30室外平均干球溫度為 3.5 ℃，平均濕球溫度為 3.0 ℃。熱泵機組蒸發器表面側有結霜現象，系統進入間歇啟停模式，平均總供水溫度為33.1 ℃。1月29日16：30～17：30，環境干球溫度不變，含濕量逐漸降低，露點溫度逐漸下降；1月 29日 17：30～30日 11：00，系統進入普通運行模式。在結霜工況下，1樓、2樓、3樓和 4樓平均室內溫度分別為 23.0 ℃、23.5 ℃、23.1 ℃和24.6 ℃，采暖建筑供暖正常。

觀察圖7中a和b區域，在16：24時，空氣濕度降低，此時總供水溫度為31.3 ℃；在16：54時，熱泵系統總供水溫度首次達到40.3 ℃；在17：36時，回水溫度達到 40.2 ℃，表明熱泵系統開始穩定運行，此時環境溫度 3.41 ℃，露點溫度 0.12 ℃。熱泵系統在結霜時，可保持總供水溫度保持在33.0 ℃附近，但達不到設定值要求溫度（44.0 ℃）。

表4 結霜日下各項性能指標值

圖7 結霜工況下熱泵系統各點溫度變化

3.2.2 能效比分析

如圖 8所示，結霜工況下（1月 29日 10：00～16：30），系統進入間歇啟停模式，熱泵機組COPH下降，均值為2.89。當系統結束化霜進入普通模式后（1 月 29 日 18：00～30 日 11：00），各COP值上升，系統開始正常運行。如圖9所示，在結霜工況下，系統供電總功率維持恒定，在小范圍內（113 kW～115 kW）正常浮動。

圖8 各COP值與室外干濕球溫度變化圖

圖9 室外干濕球溫度與功率周期變化圖

3.3 經濟性分析

如圖10所示，在測試周期內，日均耗電量為2,559 kW?h，每平方日均耗電為0.29 kW?h，每天每平方采暖費用為0.25元。系統在高負荷日均消耗3,943 kW?h，低負荷日均消耗696 kW?h。

如圖11所示，每平方日均采暖費用和室外干球溫度成反比趨勢。室外干球溫度越高，每平方日均采暖費用越低。

圖10 COP與每平方日均采暖費隨時間變化關系

圖11 每平方日均采暖與干球溫度變化關系

4 總結

本文對南京某醫院的空氣源熱泵采暖系統進行冬季采暖測試，得出以下結論：

1）單臺熱泵平均COPH為3.12，運行良好。隨著室外干球溫度上升，單臺熱泵機組的工作效率隨之提高。熱泵壓縮機功率為 39.3 kW，水泵功率為15.5 kW。故當實際熱泵運行臺數減少時，水泵及末端風機盤管的電功率將直接影響系統的能效比。結合本項目測試數據分析，當室外干球溫度達到2.82 ℃時，熱泵系統COPASHP和采暖建筑COPSYS會降低；

2）夏熱冬冷地區，結霜天氣較少，使用空氣源熱泵進行冬季采暖可以達到節能減排的目的。在本測試周期（共45天）中，出現2天惡劣天氣和4天結霜現象，最低總出水溫度為 33 ℃，系統仍能保持正常供暖。結合本項目測試數據分析，當露點溫度接近3 ℃時，熱泵蒸發器會有結霜現象；

3）整個冬季采暖測試過程中，機組高負荷時期，日均消耗3,943 kW?h；機組低負荷時期，日均消耗696 kW?h；整個測量周期內，日均耗電量平均值為2,559 kW?h，每平方米日均耗電為0.29 kW?h，每天每平方米采暖費用為0.25元。在夏熱冬冷地區，熱泵機組采暖工況條件適宜，能滿足經濟性和舒適性要求。

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