低環境溫度空氣源熱泵在寒冷地區的供暖效果

王偉潔， 楊 麗、2， 王曉偉, 王宗偉

(1.山東建筑大學 熱能工程學院， 山東 濟南 250101； 2.貝萊特空調有限公司，山東 德州 253500; 3.長安大學 地球科學與資源學院， 陜西 西安 710000)

1 概述

由于常規空氣源熱泵應用于低溫環境存在很大局限性，因此國內相關學者對適用于低溫環境的空氣源熱泵展開了多方面研究[1-6]，但是缺乏相關應用經驗。本文結合實際工程，對低環境溫度空氣源熱泵在寒冷地區的供暖效果進行實測分析。

2 工程概況

泰安市1幢住宅樓總供暖面積約5 570 m2，室內采用地面輻射供暖系統。圍護結構的做法及傳熱系數見表1。建筑物各朝向的窗墻比為：東向為0.14，西向為0.12，南向為0.52，北向為0.47。供暖室外計算溫度為-6.7 ℃，供暖室內設計溫度為18 ℃。考慮建筑圍護結構傳熱量、冷風滲透量，建筑設計熱負荷為132.9 kW，考慮管道熱損失，設計熱負荷取140 kW。

表1 圍護結構的做法及傳熱系數

3 設備選型與系統流程

低環境溫度空氣源熱泵采用噴氣增焓式空氣源熱泵。噴氣增焓式空氣源熱泵可在蒸發溫度為-30 ℃的工況運行，并提供有效的供暖熱水[7]。

該工程選用2臺額定制熱量為88 kW的低環境溫度空氣源熱泵機組，額定輸入電功率為29.3 kW，設計進、出水溫度為40、45 ℃。一級側循環泵配置2臺，采取1機配1泵的原則，單臺質量流量為18 t/h，揚程為20 m，電機額定輸入電功率為2.2 kW。二級側循環泵配置1臺，考慮管道沿程及局部阻力、最不利用戶室內系統阻力、建筑高程，二級循環泵的質量流量為35 t/h，揚程為61.5 m，電機額定輸入電功率為10.85 kW。水箱容積選取為20 m3。

供暖系統流程見圖1。機房設在建筑一層地面，循環泵安裝在機房內，熱泵機組安裝在機房外。兩臺熱泵機組并聯運行，熱泵機組出水經一級循環泵加壓后進入水箱上部。水箱上部的高溫熱水經二級循環泵進入建筑室內供暖系統供暖，放熱后的低溫熱水回到水箱底部，然后進入熱泵機組繼續被加熱。

圖1 供暖系統流程

4 評價指標與測量方案

① 評價指標

評價指標除熱泵機組出水溫度外，還有熱泵機組制熱性能系數。

熱泵機組制熱性能系數ICOP的計算式為：

Q=cpqρt(θs-θr)

式中ICOP——制熱性能系數

Q——制熱量，kW·h

E——熱泵機組耗電量，kW·h

cp——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.18 kJ/(kg·K)

q——計算時間內一級管網平均流量，m3/s

ρ——熱水密度，kg/m3，本文取992 kg/m3

t——計算時間，h

θs——計算時間內熱泵機組平均出水溫度，℃

θr——計算時間內熱泵機組平均進水溫度，℃

② 測量方案

測試期為2018年11月15日—2019年3月15日的供暖期，測試內容主要包括室外溫度、熱泵機組進出水溫度、一級管網流量、熱泵機組耗電量。測量裝置的測量范圍、測量對象見表2。除熱泵機組耗電量讀取記錄時間間隔為1 h外，其他參數讀取記錄時間間隔為10 min。

表2 測量裝置的測量范圍、測量對象

5 測量結果與分析

在供暖期的前期、中期分別選取1日作為典型日，分析低溫空氣源熱泵在寒冷地區的供暖效果。各典型日的室外溫度見表3。

表3 各典型日的室外溫度

5.1 熱泵機組出水溫度

① 典型日1

典型日1室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化見圖2。由圖2可知，典型日1的室外溫度范圍為-5～0 ℃。熱泵機組出水溫度平穩，最高出水溫度為41.9 ℃，最低出水溫度為40.7 ℃，平均出水溫度為41.2 ℃。

圖2 典型日1室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化

② 典型日2

典型日2室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，典型日2室外溫度比較低(變化范圍為-11.4～-3.9 ℃)，熱泵機組出水溫度僅隨室外溫度的降低出現了小幅下降。熱泵機組最高出水溫度為37.4 ℃，最低出水溫度為36.4 ℃，平均出水溫度為37.1 ℃，雖然整體低于室外溫度比較高的典型日1，但總體保持平穩。基本符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第5.4.1條的規定(熱水地面輻射供暖系統供水溫度宜采用35～45 ℃，不應大于60 ℃)。

圖3 典型日2室外溫度、熱泵機組進出水溫度隨時間的變化

5.2 制熱性能系數

典型日熱泵機組制熱性能系數見表4。由表4可知，供暖中期熱泵機組制熱性能系數低于供暖初期，說明室外空氣溫度是低環境溫度空氣源熱泵性能主要影響因素之一。在室外溫度比較高的供暖初期，熱泵機組平均制熱性能系數超過3.0。在室外溫度比較低的供暖中期，熱泵機組平均制熱性能系數接近3.0，說明低環境溫度空氣源熱泵性能滿足寒冷地區供暖要求。

表4 典型日熱泵機組制熱性能系數

6 結論

① 供暖初期典型日，室外溫度范圍為-5～0 ℃，熱泵機組出水溫度平穩，平均出水溫度為41.2 ℃。供暖中期典型日，室外溫度比較低(變化范圍為-11.4～-3.9 ℃)，熱泵機組出水溫度僅隨室外溫度的降低出現了小幅下降，平均出水溫度為37.1 ℃，總體保持平穩。符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第5.4.1條的規定(熱水地面輻射供暖系統供水溫度宜采用35～45 ℃，不應大于60 ℃)。

② 供暖中期的熱泵機組制熱性能系數低于供暖初期。在供暖初期，熱泵機組平均制熱性能系數超過3.0。在供暖中期，熱泵機組平均制熱性能系數接近3.0。

③ 室外空氣溫度是低環境溫度空氣源熱泵性能的主要影響因素之一，低環境溫度空氣源熱泵性能滿足寒冷地區供暖要求。