空氣源熱泵頻繁除霜下供熱采暖運行特性研究

王艷 高文學 楊林 郭宏偉 王啟 由世俊

摘要 以天津地區為例，通過模擬用戶24 h供熱水和供暖情況，研究空氣源熱泵在冬季頻繁除霜工況下供熱水和采暖的運行特性，分析供熱水和采暖性能間的相互影響。非除霜時段，熱泵制熱量受供熱水影響緩慢下降；供暖的同時大容量供熱水，熱泵制熱量劇烈上下波動；供暖、供熱水與除霜運行相重合時，除霜對熱泵制熱量影響占主導；系統實際供暖負荷受對外供熱水情況影響顯著。

關 鍵 詞 空氣源熱泵；除霜工況；供熱水；采暖；運行特性

中圖分類號 TU822 文獻標志碼 A

0 前言

空氣源熱泵因其節能高效、安全環保、熱水量大等特點，被廣泛用于家庭供熱采暖[1]；但當冬季室外氣溫較低、相對濕度較高時，空氣源熱泵應用受結霜制約，制熱量顯著下降[2]。 頻繁除霜下，熱泵制熱能力及運行性能是決定其應用的關鍵所在[3-4]。 以天津地區為例，研究空氣源熱泵系統在冬季頻繁除霜的不利制熱條件下，熱泵供熱和采暖的運行特性，并重點分析了對外供應熱水時供熱和采暖性能間的相互影響。

1 實驗系統

1.1 實驗裝置

供熱采暖實驗系統，由空氣源熱泵供熱單元、蓄熱水箱、數據采集儀和氣象參數測試儀組成，其中，空氣源熱泵額定制熱量5.20 kW，額定制熱水能力110 L/h，額定功率1.27 kW，制冷劑采用R22/1.15 kg，COP為4.08；蓄熱水箱容量300 L，水箱最大承受壓力0.8 MPa。 設計實驗流程，構建測試系統，使空氣源熱泵供熱單元與水箱中部進出水口相連，直接加熱水箱；生活熱水系統在水箱上部直接取熱，采暖系統通過與蓄熱水箱上部盤管相連，間接從水箱中取熱；采暖用戶端，設置板換換熱器，模擬用戶采暖需求。系統流程及測點分布見圖1。

1.2 運行模式及測試條件

針對天津地區，以供熱面積100 m2居民住宅為例進行實驗研究，據《建筑給水排水設計規范》（GB 50015—2003），設計日熱水用量為300 L、供暖熱負荷為4 kW。 以24 h為一測試周期，選取天津冬季典型供暖日，進行空氣源熱泵除霜工況下的供熱采暖性能測試。 參照《帶輔助能源的家用太陽能熱水系統熱性能試驗方法》（GB/T 25967—2010）、 歐盟《供暖加熱器、兩用加熱器、供暖加熱器-溫控器-太陽能集熱裝置集成系統以及兩用加熱器-溫控器-太陽能集熱裝置集成系統的能效標志》（EU No.811/2013）和天津地區居民用水習慣，制定全天測試熱水用熱量比例時間表，見表1。 通過定時放水，實現對用戶全天供熱水用熱量的模擬。

研究表明，傳統空氣源熱泵在室外空氣溫度高于-3 ℃時，均可安全可靠運行[5]，而天津地區冬季月份（11月—次年1月）日均氣溫為-4 ～ 5 ℃[6]，結合京津地區空氣源熱泵分區結霜圖譜[7]，選取2017年12月28日和29日為頻繁除霜的典型測試日；由氣象數據采集儀記錄2017年12月28日8∶00至29日8∶00（記測試日1，如圖2所示）和29日8：00至30日8：00（記測試日2，如圖3所示），連續48 h室外溫濕度數據，每間隔15 min記錄1次，變化見圖2和圖3。 由圖可知，測試日1室外溫度為-2.2～1.9 ℃，室外濕度為79.6% ～ 80.4%；測試日2室外溫度為-2.4～2.2 ℃，室外濕度為74.1%～80.3%；兩者均位于分區結霜圖譜中的一般結霜區，此區域結霜頻繁，而又不易發生有霜不除和無霜誤除事故，可真實反映結霜條件下系統供熱采暖運行特性。

實驗前，開啟熱泵，設定制熱溫度55 ℃，將水箱加熱至45 ℃，供暖環路通過調節進入板換的冷卻水流量和溫度實現供暖負荷4 kW；實驗8：00開始，系統采暖連續運行48 h，用熱水按表1規定時刻分別以4 L/min（5%用熱比例時）和6 L/min（10%和15%用熱比例時）流速放水，當放出熱水達規定熱量時，停止放水。用數據采集儀每15 s記錄1次溫度參數，即空氣源熱泵進出口溫度t1和t2，采暖供回水溫度t3和t4，熱水出水溫度t5，自來水供水溫度t6；流量參數，即熱泵循環流量q1，供暖循環流量q2，供熱水流量q3；系統總耗電量ES。

1.3 數據處理與計算

1）熱泵供熱量計算

[Qhp=i=1nc×ρ×q1×τi×（t2-t1）60]， （1）

式中：[Qhp]為實驗周期內熱泵供熱量，kJ；c為水的比熱容，本研究取4.18 kJ/（kg?℃）；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；τi為數據采集時間間隔，s。

2）供暖耗熱計算

[Qcs=i=1nc×ρ×q2×τi×（t3-t4）60]， （2）

式中：[Qcs]為實驗周期內供暖耗熱量，kJ。

3）供熱水耗熱計算

[Qch=i=1nc×ρ×q3×τi×（t5-t6）60]， （3）

式中：[Qch]為實驗周期內供熱水耗熱量，kJ。

4）系統運行性能系數計算

[COPs=QhpEs]， （4）

式中：[COPs]為系統運行性能系數，無量綱；[Es]為系統總耗電量，kJ。

2 測試結果與分析

測試日1和測試日2內的熱泵進出水溫度及溫差變化分別見圖4和圖5，采暖供回水及熱水出水溫度變化分別見圖6和圖7，系統消耗熱量情況分別見圖8和圖9。

2.1 除霜運行

對比圖4和圖5，測試日內設置空氣源熱泵制熱水溫度55 ℃，即熱泵最高制熱水溫度，并在整個測試周期內，保持此溫度設定；熱泵瞬時制熱量受除霜和系統供熱水影響，呈現劇烈變化。 由圖4可知，測試日1內，熱泵共運行自動除霜26次，均勻分布在整個測試日內，相鄰兩次除霜間隔時間約55 min；而由圖5可知，測試日2測試周期內，熱泵共運行自動除霜20次，19∶00前氣溫基本位于0 ℃以上，運行自動除霜6次，非均勻分布，19：00后氣溫降至0 ℃以下，且空氣濕度逐漸增大，平均每55 min除霜1次。 對比圖4和圖5，發現每次除霜運行開始時熱泵瞬時供熱量急劇下降，并使熱泵從制熱轉變為耗熱運行，即通過逆循環完成自動除霜，隨著除霜的完成，供熱量降至拐點，隨后熱泵瞬時制熱量會急劇上升，并回升至除霜開始前瞬時制熱量上下；無放熱水和除霜操作時段，熱泵制熱量維持相對穩定狀態，直至下次自動除霜運行啟動，往復循環。

2.2 熱泵制熱

除霜運行過程中，進出水溫度對應出現先降低后升高的劇烈變化，除霜完成后，均回升至接近波動前數值；對比兩測試日熱泵進出水溫差和供熱情況可知，系統除8∶00外的大容量放水時段，即放熱量占比為10%和15%的放水時段，隨每次放水結束，熱泵進出水溫度出現明顯波動，均呈現先降低后升高的連續性變化，同時引起熱泵進出水溫差出現劇烈上下波動，先升高后急劇降低，再回升至接近波動前數值；波動初期，因補水口和熱泵進水口較接近，且前期放水過程中補入大量溫度較低的自來水，使得熱泵進水溫度降低速率大于出水溫度降低速率，溫差增大，增至階段極大值后，進水溫度降低速率小于出水溫度降低速率，溫差減小，可能是水箱內部流體不規則流動造成傳熱不均引起的這種現象；隨后溫差降至階段極小值，隨熱泵持續制熱和流體傳熱，進出水溫度均出現回升，但進水溫度回升速率小于出水溫度回升速率，溫差增大，并回升至接近波動前數值。

兩測試日系統在大容量的8：00放水時段和占比5%用熱量的小容量9∶00放水時段，放水引起的波動均與除霜運行相重合，熱泵進出水溫度曲線和溫差曲線與僅除霜運行下相應曲線變化趨勢一致；因測試前，水箱被均勻加熱至45 ℃，開始實驗時，初始階段放水而引起的熱泵進出口水溫變化較小，故熱泵進出水溫度曲線和溫差曲線受放水影響較小，無放熱水和除霜操作時段，熱泵制熱量可維持相對穩定。

兩測試日其余占比5%放熱量的小容量放水時段，即15∶00、16∶00和17∶00，放水結束后，熱泵進出水溫度曲線和溫差曲線均無明顯波動，一方面因該3個時段用戶用熱量占比較低，另一方面，對比圖2和圖3中15∶00-17∶00室外溫濕度變化情況，該時間段為測試日氣溫最高且對應濕度較低時段，因空氣源熱泵制熱性能隨室外溫度升高而升高，且濕度降低，熱泵除霜間隔時間延長，此時段熱泵制熱水速率升高，故蓄熱水箱水溫波動較小，從而使熱泵進出水溫度無明顯波動。

2.3 系統供熱水

對比圖6和圖7，兩測試日系統各放水時段所放熱水，均呈現先快速升高后趨于穩定的狀態。由圖1可知，放水溫度測溫點置于連接放水口和水箱間的管路上，故放水初始時刻，所測水溫為放水口和水箱間管路中存水溫度，放水時間間隔越長，受環境溫度影響越大，放水溫度趨于穩定時所對應溫度才為此時段有效供熱水溫度；對比熱泵制熱水能力110 L/h（約1.8 L/min）和放熱水速率4 L/min或6 L/min，制熱速率不足以彌補放水引起的熱量消耗；19∶00、20∶00和21∶00系統所放出熱水溫度在35～40 ℃之間，其余時刻放出熱水溫度在40～45 ℃之間，作為家用供熱水終端，基本可滿足用戶端冬季出水溫度高于40 ℃的需求[8]。

2.4 系統供暖

供暖設計負荷4 kW，即每15 s測量間隔設計供暖量為60 kJ，由圖8和圖9可知，兩測試日全天供暖波動出現在19∶00系統用熱水后，隨著19∶00、20∶00和21∶00系統對外大量供應熱水，瞬時供暖量先降低后升高，隨后逐漸趨于平穩，回升至設計負荷上下；測試日1最低供暖量出現在21∶35左右，對應采暖供水溫度32 ℃、供暖量約16.5 kJ；測試日2最低供暖量出現在21∶30左右，對應采暖供水溫度34 ℃、供暖負荷約17.5 kJ；對比實測與設計值，2測試日均在19∶00至第2天凌晨1∶00左右，系統實測供暖量明顯小于設計值，且此時間多為住戶室內活動時段，對室內供暖舒適性要求較高，遠低于設計值的供暖負荷，無法保障用戶供暖體驗。

2.5 系統運行性能系數

據公式（1），計算測試日1熱泵全天供熱量Qhp1為243.30×103 kJ，測試日2熱泵全天供熱量Qhp2為245.93×103 kJ；由電量表記錄測試日1系統全天總耗電量Es1為30.58 kWh，即110.09×103 kJ，記錄測試日2系統全天總耗電量Es2為27.80 kWh，即100.08×103 kJ；由公式（4），求得測試日1和2各自全天系統運行性能系數COPs分別為2.21和2.46。熱泵頻繁除霜工況下，兩測試日系統運行性能系數COPs均遠低于《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》（GB 29541—2013）中規定的能效限定值3.00。

3 結論

針對空氣源熱泵冬季供熱采暖運行，模擬用戶全天24 h用熱水和供暖情況，結合天津地區典型結霜供暖日運行數據，分析頻繁除霜工況下，系統供熱水和供暖的運行特性：

1）除霜運行基本不受供熱水和采暖運行影響，主要取決于室外溫濕度情況，而反之，頻繁除霜下，非除霜時段熱泵制熱量受其影響而出現緩慢下降；

2） 僅供暖運行，熱泵制熱量趨于平穩；供暖的同時大容量供熱水，引起熱泵制熱量劇烈波動；供暖、供熱水與除霜運行相重合時，除霜對熱泵制熱量影響占主導；

3） 系統供熱水時，實際供暖負荷受供熱水情況影響顯著；

4） 測試日1和2全天系統運行性能系數COPs均遠低于《熱泵熱水機（器）能效限定值及能效等級》（GB 29541—2013）中規定的能效限定值，可通過配置高制熱能力熱泵或與壁掛爐等多種能源聯用，改善冬季制熱性能、提高用戶用熱體驗。

參考文獻：

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[3] 林道光，李小華，唐景立. 空氣源熱泵除霜研究[J]. 建筑節能，2013，41（4）：30-33.

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[8] 王增長. 建筑給水排水工程[M]. 4版. 北京：中國建筑工業出版社，1998：161-162.

[責任編輯 田 豐]