空氣源熱泵供熱案例調節策略分析

張 龍，趙 哲

(寶雞市熱力有限責任公司，陜西 寶雞 721000)

1 引言

現如今“煤改氣、煤改電”已成為推進我國北方地區清潔供熱的重要方式。天然氣作為主要清潔能源被廣泛使用，然而，隨著天然氣供熱面積的急劇增加，燃氣用量大幅增長，繼而出現燃氣管網中燃氣量不足，燃氣壓力低等現象，致使燃氣鍋爐因上述原因無法啟動，嚴重影響供熱質量，尤其在嚴寒期間更加凸顯此問題。相比“煤改電”的項目優勢更加明顯，無任何空氣污染，利用熱泵技術[1～3]、蓄熱技術與谷電政策結合[4～7]，使得空氣源熱泵供熱得到發展[8～10]。筆者對位于寶雞市郊區的某獨棟辦公樓使用空氣源熱泵供熱進行了實測，測得系統供熱量、耗電量，對熱泵機組的運行狀況及調節方式進行了分析，提出了進一步的改進方向。

2 測試對象及供熱供冷系統

2.1 測試對象

測試對象位于寶雞市郊區渭河河谷曠野地帶的某獨立辦公樓，供熱面積5000 m2。室外空氣平均溫度相比市區低1～3 ℃，室外空氣風速明顯大于市區。

寶雞市屬于我國熱工分區圖上寒冷地區，供熱期從11月15日至次年3月15日。圖1的辦公樓為獨立建筑，鋼筋混凝土框架結構，南北外圍護結構立面為玻璃幕墻，東西立面為干掛石材，玻璃幕墻的保溫隔熱及外墻保溫材料均符合設計圖紙要求，辦公樓外圍護結構立面如圖1所示。

2.2 供熱供冷系統

供熱熱源使用4臺超低溫空氣源熱泵機組，配套的循環水泵、水箱、軟水設備、配電柜等均架設于該五層辦公樓通風良好的樓頂，熱泵機組直接供熱，且可變負荷自動調節運行，循環水泵可實現變頻控制，高位水箱高出系統最高點3 m，定壓補水點位于循環水泵吸入口處，室內的供冷末端為風機盤管+新風系統，供熱末端為低溫熱水地板輻射系統。

圖1 辦公樓南立面外圍護結構

冬季供熱系統單位建筑面積熱指標80 W/m2，總熱負荷400 kW，設計供水溫度45 ℃，回水溫度35 ℃；夏季空調系統單位建筑面積冷指標100 W/m2，總冷負荷500 kW，夏季冷凍水設計供水溫度7 ℃，回水溫度13 ℃。原設計圖紙中冷熱源選用土壤源熱泵空調一體機，由于冷熱源設備投資及打井占地面積等原因，冷熱源最終確定為四臺超低溫空氣源熱泵機組，實現冬季供熱及夏季供冷。單臺熱泵機組名義制熱量155 kW，制熱功率45 kW，名義制冷量132 kW，制冷功率46.4 kW，選用兩臺循環水泵，一用一備，單臺水泵額定流量93.5 m3/h，額定揚程28 m，配用電機功率11 kW。

3 供熱運行調節策略

2020～2021年采暖期寶雞市冬季室外氣候較往年有所不同：供熱初期室外空氣平均溫度較往年同期偏低，而供熱中期及末期較往年同期偏高，且整個采暖期雨雪天氣較少。

3.1 供熱初期調節策略

該辦公樓夜間無用熱需求，供熱初期運行調節策略為回水溫度控制+分時段的間歇供熱。具體調節策略為控制回水溫度為38 ℃，08:00～18:00熱泵機組運行，其余時間段熱泵機組停機，循環水泵始終運行。由于供熱初期室外空氣溫度較低，辦公樓圍護結構耗熱量增加，而空氣源熱泵機組的制熱量則降低，供熱初期四臺熱泵機組接近滿負荷運行，實測供水溫度可達到41～43 ℃，系統供回水溫差3～5 ℃，晝間室內溫度可達到18 ℃及以上。由于夜間所有熱泵機組停機，08:00啟動后辦公樓室溫升溫慢，至11:00室溫升至18 ℃，證明此運行調節策略不妥，說明在清晨室外空氣溫度低、相對濕度大的氣候條件下及建筑圍護結構熱惰性小、傳熱系數大的工況下，辦公樓圍護結構耗熱量大，所需熱負荷大，而此時熱泵機組的制熱能力降低，導致了室內溫度升溫過程緩慢。在分時段間歇供熱的運行調節下，熱泵機組開啟時間晚，機組頻繁結露化霜，室內溫度升溫慢，由于目前還未實現熱泵機組及循環水泵的遠程控制，因此，將運行調節策略改為回水溫度控制的連續供熱。采用便攜式超聲波流量計對熱泵機組流量進行測量，計算出機組平均制熱性能系數。

供熱初期室外溫度較低，設定系統回水溫度38 ℃，在4臺熱泵機組近滿負荷不間斷運行和循環水泵工頻運行的工況下，空氣源熱泵機組平均制熱性能系數COP在1.8～2.2之間。

3.2 供熱中、末期調節策略

該地區供熱中、末期的室外空氣平均溫度較往年同期偏高，其運行調節策略為回水溫度控制的連續供熱，與初期不同的是，在保證滿足室內溫度18 ℃及以上的前提下，控制熱泵機組回水溫度由38 ℃降至30～33 ℃，此時熱泵機組有規律啟停，如圖2所示。在供熱中、末期，回水控制溫度為38 ℃，熱泵機組出廠的啟動溫差默認為2 ℃(機組啟動溫差為設定的回水控制溫度減機組啟動時的回水溫度)的工況下，熱泵機組平均開機運行時間和停機時間在20min左右，熱泵機組頻繁啟停，嚴重影響壓縮機使用壽命，而將啟動溫差升至3 ℃或4 ℃，可明顯延長熱泵機組運行和停機時間，避免壓縮機頻繁啟停。隨著室外空氣溫度升高，辦公樓圍護結構耗熱量減小，所需熱負荷減小，空氣源熱泵機組制熱能力提高，在較大啟動溫差下，熱泵機組的停機時間增加，運行時間大幅縮短，耗電量較供熱初期顯著減少，節電比例大于20%。

供熱中、末期室外溫度較高，在設定系統回水溫度30～33 ℃，兩臺熱泵機組滿負荷或部分負荷運行，循環水泵變頻運行的工況下，估算空氣源熱泵機組平均制熱性能系數COP在2.5～3.5之間。

4 改進措施及方向

待運行期結束后對該辦公樓空氣源供熱系統進行檢修，包括供水總干管處安裝熱計量表，熱泵機組入口管段安裝電動平衡閥，室內分水器前安裝過濾器，對熱泵機組及循環水泵實現遠程監控，根據室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，及時遠程調節熱泵機組及循環水泵的運行參數，實現按需供熱。

在系統主干管安裝熱計量表可減小便攜式超聲波流量計的測量誤差，更準確計算出熱泵機組實際運行工況下的制熱、制冷性能系數。目前系統只是在循環水泵入口安裝Y型過濾器，由于該過濾器過濾面積小，紗網孔徑大，不能有效阻擋水中雜質，水流速度快，不能使水中空氣分離出來，待運行結束后更換為直通式或立式除污器。目前室內分水器前未安裝過濾器，導致個別環路水流通不暢，個別辦公室室溫不達標，后續將沖洗不熱環路，并安裝過濾器，后續對熱泵機組的進水管段處安裝電動關斷閥，并實現遠程控制其啟閉，由于現場未安裝關斷閥，多臺熱泵機組并聯運行，當其中一臺或幾臺機組停機后，循環水仍通過已停機的機組，使得供水總管的實際供水溫度低于運行機組的出水溫度，安裝電動關斷閥可關斷已停熱泵機組的旁路，系統總流量略有減小，流過開啟的熱泵機組流量增加，供回水溫差減小，供水溫度減小，熱泵機組的制熱性能系數提高。

參考今冬采暖季的測試數據，由室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，計算出不同室外平均溫度下對應的該辦公樓實際所需供熱量，繪制運行調節表，后續將制定更合理的供熱運行調節方案，如非辦公時間段室內只需滿足值班供熱溫度5 ℃即可，提前提升室內溫度，在保證室內辦公人員熱舒適度的前提下實現了節能降耗的目的。

5 結語

對該獨立辦公樓空氣源熱泵供熱系統整個采暖季進行了測試分析，由圖1和圖2可知，受地域環境、室外溫度波動、建筑圍護結構材質的影響，空氣源熱泵機組的制熱性能系數波動較明顯，其中室外氣候條件及建筑圍護結構是影響熱泵機組性能的主要因素。

圖2 調整運行調節策略后的供回水溫度曲線圖

受辦公樓圍護結構的影響，采暖季期間每天8:00～10:00室內溫度偏低，而13:00～16:00在太陽輻射作用下室內溫度偏高，陽面整體室內溫度不恒定，會產生不舒適感，因此單一的控制運行策略，不僅會降低辦公人員的熱舒適性，而且不能實現節能降耗的目的。

該系統循環水泵實際電耗功率僅占單臺熱泵機組的1/10，根據實際運行工況，適度增加循環水泵流量，不僅可以提高熱泵機組的性能系數，也可以延長熱泵機組的停機時間，減少機組啟停次數，避免機組頻繁啟停，延長壓縮機的使用壽命。

在滿足該辦公樓的室溫要求的前提下，根據室外空氣溫度、相對濕度等氣候條件，及時預判調整空氣源熱泵機組的回水溫度，制定合理的供熱運行調節方案。由于運行策略的不同，會導致不同的運行效果，因此進一步優化系統中熱泵機組和循環水泵的控制是下一步工作的方向。