對(duì)我國空氣源熱泵室外名義工況分區(qū)的思考

(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)

空氣源熱泵作為一種重要的供暖空調(diào)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于我國不同地區(qū)的各類建筑中。隨著空氣源熱泵技術(shù)的進(jìn)步，其氣候適應(yīng)性不斷擴(kuò)大，目前已成為從夏熱冬暖到寒冷地區(qū)、甚至部分嚴(yán)寒地區(qū)建筑的夏季供冷和冬季制熱的主要設(shè)備，且增長(zhǎng)速度迅猛。

空氣源熱泵的產(chǎn)品類型很多，包括用于空調(diào)供暖的房間空調(diào)器、單元式空調(diào)機(jī)、多聯(lián)機(jī)、熱泵熱風(fēng)機(jī)等制取冷(熱)風(fēng)的空氣-空氣熱泵機(jī)組和制取空調(diào)供暖用冷(熱)水以及專門用于制取生活熱水的空氣源熱泵熱水器(機(jī)組)等空氣-水熱泵機(jī)組。圖1和圖2所示分別為我國房間空調(diào)器[1]和集中式空調(diào)產(chǎn)品[2]近7年來的市場(chǎng)發(fā)展情況。其中，圖2中的風(fēng)冷式螺桿機(jī)組、模塊式空調(diào)機(jī)組、單元式空調(diào)機(jī)組、多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組均屬于空氣源熱泵，其占比逐年上升，從2011年的57.8%升至2017年的72.3%。由此可見，無論在家用空調(diào)還是集中空調(diào)市場(chǎng)中，空氣源熱泵均是重要的建筑冷熱源設(shè)備或系統(tǒng)。

圖1 國內(nèi)房間空調(diào)器銷售量Fig.1 The sales volume of air conditionings in China

圖2 國內(nèi)集中空調(diào)設(shè)備銷售額Fig.2 The sales of central air conditionings in China

產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和性能評(píng)價(jià)方法一般是產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向的指揮棒。對(duì)于空氣源熱泵產(chǎn)品，因其服務(wù)于不同地區(qū)、不同類型的建筑或工藝過程，其名義工況(即設(shè)計(jì)工況)至關(guān)重要[3]，不僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)，更是產(chǎn)品的技術(shù)方案選擇、容量確定和能效水平?jīng)Q策的前提。

空氣源熱泵用于不同氣候區(qū)時(shí)，當(dāng)使用側(cè)工況確定后，制冷與制熱性能受室外參數(shù)的影響較大。因此，在空氣源熱泵設(shè)計(jì)時(shí)也將針對(duì)性采用不同的技術(shù)路線。如房間空調(diào)器，ISO 5151[4]中根據(jù)制冷運(yùn)行的工況范圍，將其劃分為T1、T2、T3三個(gè)氣候類型，核心是為了給不同氣候區(qū)的用戶提供技術(shù)適宜、經(jīng)濟(jì)合理的房間空調(diào)器。

按照T1氣候區(qū)研發(fā)的空氣源熱泵產(chǎn)品，其工作環(huán)境溫度范圍僅能覆蓋-7～43 ℃[4]。但我國幅員遼闊、氣候差異性巨大，僅以基于制冷需求的T1氣候區(qū)的通用名義制冷工況(室外干球溫度=35 ℃)和名義制熱工況(室外干/濕球溫度=7/6 ℃)研發(fā)的空氣源熱泵產(chǎn)品，雖然能滿足制冷運(yùn)行需求，但不能完全適應(yīng)我國不同氣候區(qū)的制熱需求。因此，2008年，我國在制定低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機(jī)組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[5-6]時(shí)，對(duì)現(xiàn)行空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)在我國寒冷地區(qū)的適用性進(jìn)行了研究[7-8]，提出了該地區(qū)空氣源熱泵產(chǎn)品的名義和部分負(fù)荷測(cè)試工況，以及名義制熱性能系數(shù)和制熱季節(jié)性能系數(shù)的限定值。據(jù)此研發(fā)的產(chǎn)品經(jīng)過近10年的工程應(yīng)用檢驗(yàn)，較好地滿足了我國北方煤改清潔能源的供暖需求。但是，以名義工況室外干/濕球溫度7/6 ℃研發(fā)的普通型空氣源熱泵以及名義工況室外干/濕球溫度-12/-14 ℃研發(fā)的低環(huán)境溫度型空氣源熱泵，仍不能完全滿足我國主要采暖區(qū)的空氣源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

為保障空氣源熱泵在我國不同氣候區(qū)均能高效運(yùn)行，同時(shí)又能降低成本，針對(duì)性地采用適宜的技術(shù)方案是今后研發(fā)空氣源熱泵產(chǎn)品的重要任務(wù)。因此，本文在調(diào)研國內(nèi)外空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國不同氣候區(qū)的氣象條件、建筑的負(fù)荷特征，分析我國空氣源熱泵更為細(xì)致的分區(qū)設(shè)計(jì)的必要性，給出空氣源熱泵室外名義工況分區(qū)方案及其名義制熱與名義制冷工況，進(jìn)而探討用于不同區(qū)域的空氣源熱泵的名義熱冷比(名義制熱量與名義制冷量之比)，以及在名義制熱和名義制冷工況下的需求壓縮比和需求輸氣量的差異，為不同氣候區(qū)空氣源熱泵的產(chǎn)品研發(fā)提供技術(shù)發(fā)展思路。

鑒于空氣源熱泵的種類繁多，本文只探討與室外環(huán)境密切相關(guān)的室外側(cè)名義工況，其使用側(cè)工況與產(chǎn)品類型、空調(diào)末端設(shè)備有關(guān)，由于該方面的研究結(jié)論已在相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)，故本文不再贅述。

1 國內(nèi)外空氣源熱泵產(chǎn)品的名義工況

1.1 國內(nèi)

表1所示為我國空氣源熱泵產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、分類及室外側(cè)名義工況。由表1可知，在我國空氣源熱泵的標(biāo)準(zhǔn)體系中，熱泵制熱的適用區(qū)域主要有兩類：普通型(名義工況室外干/濕球溫度7/6 ℃)和低溫型(名義工況室外干/濕球溫度-12/-14 ℃)，而制冷則采用統(tǒng)一的名義工況(室外干/濕球溫度35/— ℃)。

表1 中國空氣源熱泵產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、分類及室外側(cè)名義工況Tab.1 The related standards, classification and outdoor nominal conditions of ASHP in China

1.2 國外

美國、日本及歐盟是空氣源熱泵技術(shù)體系較為成熟、應(yīng)用廣泛的國家與地區(qū)。表2所示為國外空氣源熱泵產(chǎn)品主要標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)分類。由表2可知，這些標(biāo)準(zhǔn)均要求對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)制熱性能，以適應(yīng)不同地區(qū)、不同氣候和建筑的制熱需求。以美國AHRI 210/240標(biāo)準(zhǔn)為例，在設(shè)計(jì)和考核單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)制熱性能時(shí)，由南至北劃分為Ⅰ～Ⅵ 區(qū)共6個(gè)區(qū)域，并給出了各區(qū)域計(jì)算全年性能系數(shù)APF的各溫度發(fā)生時(shí)間；而制冷則在全美范圍內(nèi)采用了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)工況。

從上述分析可知，空氣源熱泵產(chǎn)品的制熱性能正在向分區(qū)設(shè)計(jì)方向發(fā)展，而我國空氣源熱泵的制冷、制熱設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系尚不完善，體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

1)制熱設(shè)計(jì)的室外側(cè)名義工況雖然已從單一名義工況(干/濕球溫度=7/6 ℃)向多分區(qū)名義工況方向拓展，但尚未涵蓋我國的主要采暖區(qū)；

2)制熱性能分區(qū)設(shè)計(jì)的要求尚未覆蓋所有產(chǎn)品，如：?jiǎn)卧娇諝庹{(diào)節(jié)機(jī)目前僅有普通型機(jī)組的名義工況，尚無低溫型產(chǎn)品的名義工況。

表2 國外空氣源熱泵產(chǎn)品主要標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)分類Tab.2 The related standards and classifications of designation in the world

圖3 典型城市制冷季與制熱季的各溫度發(fā)生時(shí)間Fig.3 The distribution of outdoor temperature hours in cooling/heating season

下面將從我國典型地區(qū)的室外氣象條件、建筑的負(fù)荷特征來分析空氣源熱泵進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)的必要性，并給出我國空氣源熱泵室外側(cè)名義工況的分區(qū)方案。

2 不同氣候區(qū)室外工況及建筑負(fù)荷特征

2.1 室外工況的分布特征

為進(jìn)行不同地區(qū)建筑物的熱工設(shè)計(jì)和自然災(zāi)害預(yù)防，根據(jù)1月平均氣溫、7月平均氣溫和相對(duì)濕度等因素，GB 50176 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[25]將我國劃分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、溫和以及夏熱冬暖5個(gè)建筑熱工氣候區(qū)，同時(shí)GB 50352 《民用建筑設(shè)計(jì)通則》[26]又將中國建筑氣候分為Ⅰ～Ⅶ，共7個(gè)區(qū)域。

以哈爾濱、北京、南京和廣州分別代表嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)的典型城市。圖3所示為典型城市的空氣源熱泵制冷與制熱季節(jié)連續(xù)運(yùn)行時(shí)的各溫度發(fā)生時(shí)間(小時(shí)數(shù))分布。圖中“名義工況”是指制冷與制熱的不保證時(shí)間為3%所對(duì)應(yīng)的干球溫度，以及基于名義干球溫度±1 ℃內(nèi)的室外干球溫度所對(duì)應(yīng)濕球溫度的統(tǒng)計(jì)平均值所確定的濕球溫度[8](圖中只給出了干球溫度)；而“峰值”是指溫度發(fā)生時(shí)間最多的室外干球溫度。

由圖3可知，制冷運(yùn)行時(shí)，4個(gè)典型城市的室外峰值溫度主要集中在21～29 ℃，名義制冷工況的干球溫度集中在32～37 ℃，對(duì)應(yīng)濕球溫度集中在24～28 ℃；制熱運(yùn)行時(shí)，室外峰值溫度主要發(fā)生在-12～12 ℃之間；名義制熱工況點(diǎn)的差異很大，干球溫度分布在-23～7 ℃，濕球溫度則分布在-28～3 ℃之間。

圖4所示為我國主要城市的熱泵運(yùn)行在制冷和制熱時(shí)的室外平均溫度與極值溫度(按租賃商鋪運(yùn)行模式統(tǒng)計(jì)[12])的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4可知，全國制冷季節(jié)平均室外溫度為27.0 ℃，各地平均溫度的最大偏差僅約4 ℃；而制熱季節(jié)的室外平均溫度為4.0 ℃，但平均溫度的最大偏差高達(dá)13 ℃。其極端工況差異更大，如：長(zhǎng)沙、海口等地區(qū)夏季的最高溫度達(dá)到42 ℃，而哈爾濱、長(zhǎng)春等地區(qū)則僅為32 ℃；長(zhǎng)春的冬季則低至-33 ℃，而海口的最低溫度高達(dá)8 ℃。

圖4 我國主要城市的供冷季和制熱季的室外溫度Fig.4 Outdoor temperature in the cooling season and heating season of major cities in China

可知無論是運(yùn)行的平均工況、名義工況還是極端工況，制冷季都遠(yuǎn)比制熱季的溫度分布均勻，我國主要地區(qū)空氣源熱泵的制冷運(yùn)行工況差異遠(yuǎn)小于制熱運(yùn)行工況。因此，空氣源熱泵可按統(tǒng)一的室外工況設(shè)計(jì)制冷性能；但其制熱性能要求的名義工況在不同地區(qū)差異很大。例如：哈爾濱以-25 ℃作為名義工況設(shè)計(jì)空氣源熱泵才能保證在該地區(qū)的供暖可靠性，而南京在-2 ℃下設(shè)計(jì)產(chǎn)品就足以滿足供熱要求。如果名義工況不進(jìn)行區(qū)分，勢(shì)必導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的熱泵遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際運(yùn)行條件，不利于空氣源熱泵的節(jié)能、節(jié)材和可靠運(yùn)行。

2.2 典型建筑的負(fù)荷特征

為研究不同氣候區(qū)建筑負(fù)荷特征差異，在DeST[27]平臺(tái)中分別建立典型住宅、辦公室和租賃商鋪的建筑模型以計(jì)算其建筑負(fù)荷。典型建筑模型的參數(shù)設(shè)置、參考標(biāo)準(zhǔn)及熱泵的運(yùn)行模式如表3所示。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，不同地區(qū)、不同類型建筑在熱泵運(yùn)行期間的冷、熱負(fù)荷隨室外溫度的變化差異很大，圖5所示的居住建筑在間歇模式(僅在20∶00～ 23∶00運(yùn)行)下的冷、熱負(fù)荷分布就能反映這一特征。表4所示為不同地區(qū)、不同類型建筑用于評(píng)價(jià)空氣源熱泵季節(jié)運(yùn)行性能的制熱與制冷負(fù)荷線。

3 空氣源熱泵室外名義工況分區(qū)的建議

3.1 空氣源熱泵室外名義工況分區(qū)方案

綜合2.1和2.2節(jié)對(duì)室外工況分布和建筑負(fù)荷特點(diǎn)的分析可知，空氣源熱泵的制熱性能應(yīng)分區(qū)給出其室外側(cè)名義工況，而制冷性能宜采用統(tǒng)一的室外名義工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便針對(duì)不同氣候區(qū)域采用不同的技術(shù)路線研發(fā)產(chǎn)品，確保建筑冷、熱負(fù)荷需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材要求。

1)室外側(cè)名義制冷工況

對(duì)于制冷而言，其室外名義工況宜繼續(xù)采用現(xiàn)行各種空氣源熱泵的名義工況，即室外干/濕球溫度=35/24 ℃(采用蒸發(fā)冷卻式冷凝器時(shí)需考慮室外濕球溫度)。

2)室外側(cè)名義制熱工況

對(duì)于制熱而言，可根據(jù)空氣源熱泵室外側(cè)使用溫度下限，對(duì)不同適用氣候區(qū)的空氣源熱泵進(jìn)行產(chǎn)品分類。空氣源熱泵按其適用的制熱季氣候環(huán)境，可分為4種類型，如表5所示。即制熱A～D區(qū)型，分別適用于GB 50176[25]建筑熱工分區(qū)以及GB 50352[26]建筑氣候區(qū)劃所對(duì)應(yīng)的氣候區(qū)域。由于海拔高、氣壓低等原因，制熱C、D區(qū)型還包括一部分高原山地氣候的高寒地區(qū)。其中，制熱D區(qū)型空氣源熱泵，需適應(yīng)嚴(yán)寒氣候；制熱C區(qū)(高寒)、D區(qū)(高寒)型更需適應(yīng)高寒地區(qū)的超低環(huán)溫和低氣壓環(huán)境需求。這里暫不考慮技術(shù)成熟度的問題，僅從需求角度分析A～D區(qū)型空氣源熱泵的室外側(cè)名義工況，但并不代表已有成熟的推薦技術(shù)方案。

表3 典型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置Tab.3 The thermal parameters of the envelope of typical building

圖5 各氣候區(qū)典型城市居住建筑間歇運(yùn)行模式下的房間負(fù)荷隨室外溫度變化Fig.5 The room load in the intermittent operation mode of residential building in typical urban climate zones varies with outdoor temperature

氣候區(qū)建筑類型與熱泵運(yùn)行模式居住建筑連續(xù)運(yùn)行居住建筑間歇運(yùn)行租賃商鋪間歇運(yùn)行辦公建筑間歇運(yùn)行建筑單位面積的負(fù)荷線/(W/m2)嚴(yán)寒地區(qū)BLh(tj)=15-tj15-0×68BLc(tj)=tj-2635-26×78—BLh(tj)=13-tj13-0×12BLc(tj)=tj-2135-21×56BLh(tj)=13-tj13-0×30BLc(tj)=tj-2135-21×54寒冷地區(qū)BLh(tj)=15-tj15-0×71BLc(tj)=tj-2635-26×85BLh(tj)=15-tj15-0×102BLc(tj)=tj-2635-26×121BLh(tj)=13-tj13-0×22BLc(tj)=tj-2135-21×105BLh(tj)=13-tj13-0×33BLc(tj)=tj-2135-21×66夏熱冬冷地區(qū)BLh(tj)=15-tj15-0×74BLc(tj)=tj-2635-26×93BLh(tj)=15-tj15-0×159BLc(tj)=tj-2635-26×173BLh(tj)=13-tj13-0×37BLc(tj)=tj-2135-21×125BLh(tj)=13-tj13-0×34BLc(tj)=tj-2135-21×98夏熱冬暖地區(qū)—BLh(tj)=15-tj15-0×236BLc(tj)=tj-2635-26×192—BLh(tj)=13-tj13-0×35BLc(tj)=tj-2135-21×106

注：BLh(ty)、BLc(tj)分別為建筑在外溫tj下的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷，W/m2。

表5 空氣源熱泵制熱分區(qū)類型及所適用的氣候類型Tab.5 The division of air source heat pump in heating condition and applicable climate type

3.2 不同分區(qū)空氣源熱泵的室外側(cè)名義工況

空氣源熱泵可按使用側(cè)傳熱介質(zhì)的不同分為空氣-空氣熱泵、空氣-水熱泵，但對(duì)于同一氣候區(qū)域，各種空氣源熱泵的室外側(cè)工況均相同。

圖6所示為不同制熱分區(qū)類型所服務(wù)的典型城市、典型氣候年的干球溫度統(tǒng)計(jì)平均值，從中可以獲得各種(1%～10%)供熱不保證率下的室外干球溫度。

根據(jù)2.1節(jié)的說明，通常采用該地區(qū)主要城市不保證3%制熱時(shí)間的干球溫度，及±1 ℃范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)平均濕球溫度(并進(jìn)行適當(dāng)圓整后)作為室外側(cè)的名義工況，即可得到制熱A～D區(qū)型空氣源熱泵的室外側(cè)名義工況，如表6所示。

圖6 各制熱分區(qū)型所服務(wù)的典型城市在1%～10%供熱不保證率下的室外干球溫度Fig.6 The outdoor dry bulb temperature in typical cities served by various heating zones at 1% to 10% heating failure rate

熱泵分區(qū)類型名義制冷工況名義制熱工況 干球溫度/℃濕球溫度/℃干球溫度/℃濕球溫度/℃制熱A區(qū)型制熱B區(qū)型制熱C區(qū)型(2)制熱D區(qū)型(2)3524(1)76-2-3-12-13.5-25— (3)

注：(1)當(dāng)采用蒸發(fā)冷卻式冷凝器時(shí)對(duì)室外環(huán)境濕球溫度的要求，而對(duì)風(fēng)冷式冷凝器無此要求。(2)制熱C區(qū)(高寒)、D區(qū)(高寒)型與制熱C區(qū)、D區(qū)型熱泵機(jī)組相比，風(fēng)冷換熱器的的風(fēng)量存在差異，但制冷劑側(cè)無顯著差異，故采用相同的名義工況。(3)制熱D區(qū)名義制熱工況對(duì)應(yīng)的含濕量極低，對(duì)濕球溫度可不做要求。

4 適用于不同氣候區(qū)的空氣源熱泵的技術(shù)特征

在明確我國不同氣候區(qū)的建筑負(fù)荷特征以及空氣源熱泵在制冷季、制熱季運(yùn)行時(shí)的室外工況后，尚需探討不同氣候區(qū)用空氣源熱泵的技術(shù)要求，以便確定熱泵產(chǎn)品名義制冷與名義制熱工況下的容量比(即名義熱冷比)，以及理論輸氣量、需求壓縮比的差異。

4.1 名義熱冷比

在設(shè)計(jì)兼顧制冷的空氣源熱泵產(chǎn)品時(shí)，必須確定名義制熱量與名義制冷量，通常采用名義熱冷比(即名義制熱量與名義制冷量之比)來表征二者的相對(duì)大小。名義熱冷比雖然是熱泵產(chǎn)品的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，但直接反映了不同氣候區(qū)、典型建筑的冷熱量需求。

基于暖通空調(diào)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，可以獲得不同地區(qū)、不同類型建筑在其設(shè)計(jì)工況下的供暖與空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)，本文將其定義為建筑的“需求熱冷比”(HCRBL)，其含義是室外供熱設(shè)計(jì)溫度時(shí)建筑物的熱負(fù)荷與室外空調(diào)設(shè)計(jì)溫度時(shí)建筑物的冷負(fù)荷之比。根據(jù)建筑的冷熱負(fù)荷模型，折算成空氣源熱泵在其名義設(shè)計(jì)工況下的制熱量和制冷量之比，并將此指標(biāo)定義為熱泵產(chǎn)品的“名義熱冷比”(HCRn)，由此確定熱泵產(chǎn)品的名義容量。

建筑的需求熱冷比：

HCRBL=BLh(tdh)/BLc(tdc)

(1)

熱泵的名義熱冷比：

HCRn=Qh(tnh)/Qc(tnc)=BLh(tnh)/BLc(tnc)

(2)

式中：BLh(t)、BLc(t)分別為建筑在外溫t下的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷，W/m2；Qh(t)、Qc(t)分別為熱泵在外溫t下的制熱量與制冷量，kW，并認(rèn)為熱泵應(yīng)輸出與建筑相匹配的冷熱量；下標(biāo)dh、dc分別為建筑的冬季供熱、夏季供冷的空調(diào)室外設(shè)計(jì)工況；下標(biāo)nh、nc分別為熱泵產(chǎn)品的名義制熱與名義制冷工況。

表7所示為各氣候區(qū)典型建筑及其熱泵產(chǎn)品的熱冷比。由表7可知，不同類型和用途的空氣源熱泵的名義熱冷比存在很大差異。對(duì)于戶用型(容量<35 kW)空氣源熱泵而言，制熱A區(qū)型熱泵的HCRn僅為0.34，而制熱D區(qū)型則達(dá)到2.32；對(duì)于名義制熱量≥35 kW的工商業(yè)空氣源熱泵，其制熱A區(qū)型HCRn為0.15，制熱D區(qū)型為1.11。

4.2 需求壓縮比

空氣源熱泵在不同氣候區(qū)、制冷與制熱時(shí)的需求壓縮比不同，其產(chǎn)品所采用的循環(huán)形式也不同。因此，明確名義制熱與名義制冷工況下的需求壓縮比對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)時(shí)的系統(tǒng)形式選擇至關(guān)重要。

選取兩類典型制冷劑(R410A、R32)和兩類室內(nèi)末端(水系統(tǒng)末端：以風(fēng)機(jī)盤管為例；風(fēng)系統(tǒng)末端：以單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)為例)分析其理論壓縮比的需求估算值，計(jì)算結(jié)果如表8所示。由表8可知，制冷工況的需求壓縮比小于3；而對(duì)于制熱工況，制熱A區(qū)、B區(qū)型的壓縮比均小于5；而制熱C區(qū)型的壓縮比更高，制熱D區(qū)型壓縮比高達(dá)12。

表7 各氣候區(qū)典型建筑模式及熱泵裝置的HCRTab.7 Typical building patterns in various climate zones and HCR of heat pump

注：戶用均值是連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行的平均值；工商業(yè)用均值是租賃商鋪和辦公建筑的平均值。

表8 不同分區(qū)的兩類空氣源熱泵制冷與制熱時(shí)的需求壓縮比Tab.8 The demand compression ratio of air source heat pump for different zones

注：(1)室外側(cè)：蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)制熱工況，冷凝溫度對(duì)應(yīng)制冷工況；(2)使用側(cè)：冷凝溫度對(duì)應(yīng)制冷工況，蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)制熱工況。

4.3 理論輸氣量

不同制熱分區(qū)的空氣源熱泵產(chǎn)品的壓縮機(jī)在制冷與制熱工況下所需的壓縮比不同，且一臺(tái)熱泵通常很少采用多種類型的壓縮機(jī)，故若制熱與制冷時(shí)的需求輸氣量差異很大時(shí)，必須采用變?nèi)?包括變頻、調(diào)速)調(diào)節(jié)。以采用對(duì)流末端的空氣源熱泵為例，根據(jù)名義熱冷比及單位制熱、制冷量需求，結(jié)合制冷循環(huán)壓焓圖中的循環(huán)過程及吸氣比容，分析制冷與制熱時(shí)的理論輸氣量需求，并依據(jù)“需求理論輸氣量比”確定空氣源熱泵所需壓縮機(jī)的技術(shù)要求。表9所示為1 kW名義制熱與1/HCRnkW制冷量下的理論輸氣量以及對(duì)二者的“需求理論輸氣量比”的要求。

4.4 各區(qū)域空氣源熱泵的技術(shù)路線分析

受名義熱冷比和對(duì)壓縮機(jī)的需求壓縮比、需求理論輸氣量的約束，不同區(qū)域的熱泵應(yīng)發(fā)展不同的空氣源熱泵技術(shù)，包括：主要服務(wù)功能(主要是制冷還是制熱)、系統(tǒng)循環(huán)形式、變?nèi)菁夹g(shù)等。

1)不同分區(qū)類型空氣源熱泵應(yīng)對(duì)應(yīng)不同的主要服務(wù)功能，取決于所服務(wù)類型建筑的冷熱負(fù)荷需求。應(yīng)根據(jù)其主要服務(wù)功能，進(jìn)行制熱或制冷性能設(shè)計(jì)，再對(duì)其制冷或制熱性能進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。由表7可知，對(duì)于戶用型熱泵產(chǎn)品，制熱A區(qū)型熱泵的主要服務(wù)功能是制冷，制熱B區(qū)型則要求冷熱兼顧，制熱C區(qū)型、D區(qū)型則應(yīng)以制熱性能為主進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于工商業(yè)用型熱泵產(chǎn)品，制熱A區(qū)型、B區(qū)型的主要服務(wù)功能都是制冷，制熱C區(qū)型要求冷熱兼顧，而制熱D區(qū)型則應(yīng)以制熱為主進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。

表9 不同類型空氣源熱泵對(duì)制熱與制冷時(shí)的理論輸氣量比的要求Tab.9 Requirements for the ratio of theoretical gas delivery volume to theoretical gas delivery volume during heating and cooling of different types of air source heat pumps

2)需求壓縮比不同，其產(chǎn)品所采用的循環(huán)形式也不同。由表8可知，對(duì)于制冷工況，只需要單級(jí)壓縮即可滿足要求；而對(duì)于制熱工況，制熱A區(qū)、B區(qū)型壓縮比較小，采用單級(jí)壓縮或制冷劑補(bǔ)氣(準(zhǔn)雙級(jí)壓縮)技術(shù)即可滿足制熱要求；制熱C區(qū)型則以制冷劑補(bǔ)氣、雙級(jí)壓縮為主；制熱D區(qū)型的需求壓縮比較高，需采用雙級(jí)或多級(jí)壓縮(或雙級(jí)+制冷劑補(bǔ)氣)才能達(dá)到壓縮比要求。此外，如果一臺(tái)空氣源熱泵產(chǎn)品只采用一臺(tái)壓縮機(jī)，在設(shè)計(jì)以制熱為主的空氣源熱泵產(chǎn)品時(shí)，考慮到需求壓縮比較大，應(yīng)按制熱性能確定循環(huán)形式并可考慮選配大壓縮比帶中間泄出(泄氣)的壓縮機(jī)，以提升全年的系統(tǒng)能效比。

3)當(dāng)需求理論輸氣量比差異很大時(shí)，必須進(jìn)行變?nèi)菡{(diào)節(jié)。對(duì)于戶用型空氣源熱泵產(chǎn)品，制熱C區(qū)、D區(qū)型輸氣量比在2以上，故需采用變頻調(diào)速技術(shù)，才能使冬夏季輸氣量基本對(duì)應(yīng)；對(duì)于制熱B區(qū)型，冬夏輸氣量比仍有顯著差異，因此仍應(yīng)以變頻調(diào)速技術(shù)為主；而制熱A區(qū)型熱泵的輸氣量比遠(yuǎn)小于1，雖然采用定容也能滿足使用需求，為提高全年系統(tǒng)能效比，宜采用變?nèi)菁夹g(shù)。對(duì)于工商業(yè)用機(jī)組，制熱A區(qū)、B區(qū)型的理論輸氣量比均小于1，制熱C區(qū)型機(jī)組略大于1，而制熱D區(qū)型機(jī)組則熱冷輸氣量比遠(yuǎn)大于1，因此，制熱A區(qū)、B區(qū)及D區(qū)型機(jī)組應(yīng)采用變?nèi)菁夹g(shù)，而制熱C區(qū)型也可適當(dāng)采用定容技術(shù)，但采用變?nèi)菁夹g(shù)也有利于提高部分負(fù)荷工況的性能，避免因頻繁啟停造成的性能衰減。

表10 不同分區(qū)空氣源熱泵的技術(shù)路線Tab.10 The technology development route for different zones of air source heat pump

表10僅給出了推薦性技術(shù)路線和發(fā)展方向，并不代表這些地區(qū)的最佳方案。特別對(duì)于制熱D區(qū)型空氣源熱泵，目前雖然也進(jìn)行了一些嘗試，但還需經(jīng)過大量的工程示范和實(shí)際運(yùn)行及應(yīng)用效果檢驗(yàn)，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析才能確定其確切的技術(shù)方案。雖然已有技術(shù)可以適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)使用，但如果熱泵的能效過低(如低于燃?xì)獠膳囊淮文茉葱?、或經(jīng)濟(jì)性差、或不能可靠運(yùn)行，都不能成為有效的技術(shù)方案。對(duì)于高寒型空氣源熱泵機(jī)組，更應(yīng)注意滿足對(duì)超低環(huán)溫和低氣壓環(huán)境的需求。

5 結(jié)論

空氣源熱泵在我國得到廣泛應(yīng)用，在供暖空調(diào)產(chǎn)業(yè)中承擔(dān)著越來越重要的作用。對(duì)不同地區(qū)提供相應(yīng)需求的空氣源熱源產(chǎn)品是推動(dòng)空氣源熱泵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)有序、健康發(fā)展的重要措施。本文根據(jù)我國氣候特點(diǎn)、負(fù)荷特征以及空氣源熱泵特性，結(jié)合國內(nèi)外空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展?fàn)顩r，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、建筑負(fù)荷模擬、制冷系統(tǒng)理論循環(huán)分析等方法，提出了空氣源熱泵室外側(cè)名義工況分區(qū)方案，并從名義熱冷比、需求壓縮比及理論輸氣量比3個(gè)方面對(duì)不同分區(qū)下的空氣源熱泵技術(shù)特征進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1)空氣源熱泵無論是運(yùn)行的平均工況、名義工況還是極端工況，我國主要地區(qū)制冷季都遠(yuǎn)比制熱季的溫度分布均勻，制冷運(yùn)行工況差異遠(yuǎn)小于制熱；同時(shí)鑒于我國主要地區(qū)典型建筑的冬夏季負(fù)荷特征差異很大，因此有必要對(duì)我國空氣源熱泵室外名義設(shè)計(jì)工況進(jìn)行分區(qū)。

2)基于我國氣候特征，分析指出我國空氣源熱泵宜分為制熱A～D區(qū)型，進(jìn)而給出了不同分區(qū)的空氣源熱泵室外側(cè)名義工況；同時(shí)指出其制冷性能宜采用現(xiàn)行統(tǒng)一的室外側(cè)名義工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)由于不同地區(qū)的室外氣候和建筑負(fù)荷特征存在較大差異，故不同分區(qū)的熱泵產(chǎn)品的名義熱冷比、名義制熱與制冷工況下的需求壓縮比、需求理論輸氣量也存在較大差異，據(jù)此給出了不同分區(qū)的空氣源熱泵的技術(shù)發(fā)展方向，特別是為了保證制冷與制熱設(shè)計(jì)工況下的容量需求，并提高全年運(yùn)行能效，因此需發(fā)展變壓縮比和變?nèi)菡{(diào)節(jié)技術(shù)。