低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用研究

金洪文 楊蕾 徐鎮(zhèn) 楊清凈 徐夢 趙雄飛 馬喆 胡金泉

1 長春工程學(xué)院能源動力工程學(xué)院

2 吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心

3 深圳麥克維爾空調(diào)有限公司

0 引言

如今，能源消耗越來越大，污染加重，環(huán)保問題也隨之出現(xiàn)。我國在2017 年出臺《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》，對清潔能源取暖有了明確要求。在保護(hù)環(huán)境的同時，實現(xiàn)了節(jié)約能源。熱泵的使用是實現(xiàn)清潔供暖的有效途徑之一，它彌補(bǔ)集中供熱系統(tǒng)敷設(shè)不到或者使用小鍋爐房受限的地方。在嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵的應(yīng)用仍在探索之中。

空氣源熱泵原理被廣泛熟知。但是在嚴(yán)寒地區(qū)，能夠在低溫環(huán)境下制熱的空氣源熱泵，才剛剛步入市場[1]。在技術(shù)手段上主要使用噴氣（液）增焓解決了低溫制熱問題。已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在嚴(yán)寒地區(qū)-30 ℃的環(huán)境下制熱，彌補(bǔ)了嚴(yán)寒地區(qū)供暖市場的空白點。

低溫空氣源熱泵原理圖如圖1 所示。

圖1 低溫空氣源熱泵原理圖

1 測試對象與方法

1.1 工程概況

實驗項目為長春市某高校實驗樓，建于2009 年，框架結(jié)構(gòu)非節(jié)能建筑，共6 層，層高4.2 m，建筑高度25.2 m[2]。建筑總面積為19047 m2，主要功能為實驗室及部分辦公室，采暖是上供下回式、末端為散熱器的集中供暖系統(tǒng)。

1.2 實驗對象

實驗對象為本建筑一樓北向三個房間，面積共計550 m2。實驗共布置了8 個測點，室內(nèi)室外各3 個，供回水各1 個。采用多路溫度巡檢儀記錄溫度數(shù)據(jù)，每隔半個小時測一次，多路溫度巡檢儀型號為JK-16C。空氣源熱泵安裝于一樓室外，室內(nèi)末端采用散熱器供熱與原有集中供熱斷開。實驗使用空氣源熱泵型號為MAC340DR5HW，由電表記錄熱泵及水泵的電量消耗。測試時間從2018 年11 月7 至2019 年4 月1 日共計146 天。圖2 為低溫空氣源熱泵室內(nèi)采暖流程圖。

圖2 室內(nèi)采暖流程圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 設(shè)備運行狀態(tài)分析

在實驗測試的146 天內(nèi)，共計消耗電量為23391 kWh。根據(jù)系統(tǒng)供回水溫差Δt 可判斷設(shè)備運行狀態(tài)，圖3 是設(shè)備運行時間和設(shè)備停止時間的占比關(guān)系。當(dāng)Δt＝0 時，設(shè)備停止運行28 天，占總時長19.18%。當(dāng)Δt=0.1～0.2 ℃時，設(shè)備停機(jī)后趨于穩(wěn)定的時間累計35天，占總時長23.94%，當(dāng)Δt＜0 ℃設(shè)備除霜時間累計2天，占總時長1.37%，當(dāng)Δt＞0.2 ℃時，設(shè)備正常運行81 天，占總時長55.48%。

圖3 各階段運行時長統(tǒng)計

2.2 熱泵輸出熱量和能效比分析

圖4 為測試時間段內(nèi)室外溫度與熱泵輸出熱量實時對比。從圖4 可以看出，當(dāng)熱泵的輸出熱量達(dá)到最大值（46.20 kW）時，與之對應(yīng)的室外溫度并不是最低（最低溫度為-22.1 ℃），所以，熱量的消耗并不是僅取決于室外溫度，還與環(huán)境以及設(shè)備損耗等因素有關(guān)，如墻體蓄熱、太陽能輻射等。

圖4 室外溫度與熱泵輸出功率圖

圖5 熱泵實驗時段各參數(shù)情況

由圖5 可以看出，供回水溫度有一個驟降式下跌，其原因是接近放假，將熱泵進(jìn)水溫度調(diào)整至25 ℃導(dǎo)致。總體來看，實驗期間熱泵運行穩(wěn)定，室內(nèi)平均溫度能滿足18 ℃的設(shè)計參數(shù)值，圖中室內(nèi)溫度下降至較低值時為學(xué)校放假期間，但也基本維持室溫波動為15～17 ℃，實驗期內(nèi)熱泵平均運行能效比為1.4。

圖6 是將室外溫度與熱泵能效比的散點圖做了一個雙相曲線擬合，發(fā)現(xiàn)在室外溫度高于-5 ℃時，熱泵的運行能效比隨著室外溫度上升而上升。在溫度為-5 ℃以下時，可以看到熱泵高效率運行時能效比在2左右波動，符合銘牌能效比2.07 的值，但由于熱泵選型較大，室內(nèi)需求熱負(fù)荷較小，出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，導(dǎo)致的熱泵供回水溫差較小，熱泵頻繁啟停，從圖3中也可以看出是造成能效比偏低的重要原因之一。0 ℃以下熱泵開始結(jié)霜，當(dāng)?shù)陀?5 ℃時結(jié)霜更為頻繁，除霜問題也是影響熱泵運行能效比的另一個重要原因。由此得出，合理配置熱泵容量及解決除霜問題是提高能效比的關(guān)鍵技術(shù)。

圖6 熱泵能效比隨室外溫度變化的雙相曲線擬合散點圖

2.3 系統(tǒng)能效比分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年綜合能耗比是指系統(tǒng)全年運行過程總制熱量與同期間內(nèi)消耗的電量總和之比[3]。則空氣源熱泵系統(tǒng)能效比COP 可定義為：

式中：Q 為實驗期熱泵的輸出總制熱量，kWh；Wc為實驗期熱泵的總耗電量，kWh；Wf為實驗期風(fēng)機(jī)的總耗電量，kWh；W1為實驗期水泵的總耗電量，kWh；Wp為實驗期伴熱帶的總耗電量，kWh。

熱泵系統(tǒng)各設(shè)備功率見表1。篩選出熱泵除霜和設(shè)備停止的時間，結(jié)合每天的熱泵輸出熱量和熱泵耗電計算出每天的熱泵能效比和系統(tǒng)能效比如圖7。

表1 各設(shè)備功率情況

圖7 制熱量、熱泵能效比與系統(tǒng)能效比關(guān)系

由圖7 可知，由于系統(tǒng)除熱泵耗電外還有風(fēng)機(jī)、水泵和伴熱帶耗電，因此系統(tǒng)能效比要比熱泵能效比略低，計算值在1.35 左右。

當(dāng)熱泵供水溫度大于回水溫度時認(rèn)為熱泵處于工作狀態(tài)，分析實驗期系統(tǒng)的總輸出熱量和耗電量計算得出系統(tǒng)能效比為0.6871，明顯不符合實際情況。因此，依據(jù)圖3 分析結(jié)論，即Δt＞0.2 ℃時認(rèn)為設(shè)備有效輸出熱量。通過計算得出系統(tǒng)的總熱量為54311.6 kWh，此時系統(tǒng)能效比為1.35。

3 負(fù)荷計算

上述熱量輸出是實際測試得到的，實驗房間負(fù)荷還采用了DeST 模擬負(fù)荷計算和設(shè)計負(fù)荷計算兩種方式。且把結(jié)果應(yīng)用到整棟樓進(jìn)行測算。

利用DeST 將實驗室進(jìn)行模擬建模，作息時間按照早8:00～17:00，窗墻門地板采用常規(guī)熱工參數(shù)，計算得出平均熱負(fù)荷為35 W/m2，累計平均耗電76.59 kWh/m2，全年最大熱負(fù)荷為23.61 kW。設(shè)計負(fù)荷按長春地區(qū)計算，平均熱負(fù)荷為39.4 W/m2，計算負(fù)荷為750.45 kW[4]。計算結(jié)果見表2。

表2 三種情況下的熱值及耗標(biāo)煤量

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 初投資費用

按照冬夏都使用測算。一種是使用空氣源熱泵為冷熱源，末端為風(fēng)機(jī)盤管的系統(tǒng)，冬夏都可以使用，初投資費用約為150～200 元/m2。如果冬季熱源采用集中供熱的入網(wǎng)費用為50 元/m2，夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，單獨設(shè)置冷源初投資為150～200 元/m2。本實驗樓總面積為19047 m2，兩種不同系統(tǒng)初投資對比見表3。

表3 兩種系統(tǒng)初投資對比

4.2 運行費用

長春采暖時間為每年10 月20 日至次年4 月6日，共169 天。采暖費用為27 元/m2，層高超過3 m 的，每超0.3 m，熱費加收5%。本實驗樓層高4.2 m，采暖費用按32.4 元/m2計算。

夏季運行費用相同情況下，比較冬季運行費用。通過實驗數(shù)據(jù)計算得本實驗樓在采暖季的耗熱量為4508.88 GJ。在采暖季每平米耗熱量為4508.88 GJ/19047m2=0.24×106kJ。每平米單位時間耗熱量為0.24×106/169/24=58.8 kW。以實驗期內(nèi)空氣源熱泵的平均COP 值為1.4，計算空氣源熱泵單位時間耗電58.8/1.4=42 kWh。按照民用電價0.525 元/kWh 計算，則使用空氣源熱泵、集中供熱兩種方式的運行費用見表4。

表4 兩種采暖方式運行費用

經(jīng)計算可得，與集中供熱相比使用空氣源熱泵在采暖季可節(jié)省運行費用為2×105元。

5 結(jié)論

1）在過去的采暖季節(jié)，長春地區(qū)室外平均氣溫為-4.4 ℃，屬于暖冬，但是熱泵平均能效沒有達(dá)到預(yù)期值，主要是由于熱負(fù)荷與設(shè)備之間不匹配，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，要解決這個問題，在需求負(fù)荷與源的配置上需要有靈活負(fù)荷變化模塊化機(jī)組相互協(xié)同。或者采用較大容量的儲熱水箱進(jìn)行化解該矛盾。另一個是室外平均溫度偏高，結(jié)霜頻率偏高導(dǎo)致效率下降。

2）通過實驗測試，提出如果在整棟樓應(yīng)用低溫空氣熱源熱泵和集中供熱+空調(diào)的假設(shè)，在初投資和運行費用上，采用低溫空氣源熱泵系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。

3）在有冷熱需求的公共建筑，可以首選低溫空氣源熱泵系統(tǒng)，再通過行為節(jié)能手段，運行費用可以降的更低。

除上述幾點外，低溫空氣源熱泵在使用上還要注意安裝位置及噪聲等影響。盡管有諸多方面的優(yōu)勢，目前由于壓縮機(jī)所限，單臺制熱量受限，如果大面積使用，設(shè)備所占面積較大。同時，在嚴(yán)寒地區(qū)使用還應(yīng)有防凍保障措施。總之，在適合條件下，合理使用低溫空氣源泵，就能夠做到節(jié)能減排。