抑霜型空氣源熱泵機組應用實測研究

梁士民 王 偉 孫育英 林 瑤 王世權

(1 青島理工大學環境與市政工程學院 青島 266520；2 北京工業大學城市建設學部 北京 100124)

空氣源熱泵(air-source heat pump，ASHP)作為近年來全世界倍受關注的可再生能源技術，可替代燃煤等傳統供熱形式，有效降低能源消耗，減少碳排放[1-2]。ASHP特點是以環境空氣為熱源，在空間上，處處存在；在時間上，時時可得；在數量上，隨需而取。自2016年以來，在我國“清潔取暖”工作的大力推動下，ASHP在我國北方寒冷地區得到廣泛應用，成為“煤改電”的主力軍[3]。

當ASHP在冬季運行時，若室外換熱器表面溫度同時低于空氣的露點及冰點溫度，室外盤管就會結霜[4-6]，結霜會使機組制熱性能降低30%～60%，嚴重時會造成機組停機保護，甚至物理性損壞[7-10]。而我國幅員遼闊，地域氣候差異較大，在不同地域ASHP面臨不同程度的結霜問題，尤其在重霜氣候特點下，結霜嚴重制約了ASHP機組的實際運行性能。因此，有效抑制ASHP結霜是保障ASHP在我國全地域高效適用和良性發展的關鍵。

目前，國內外學者通過換熱器表面改性[11-13]、降低進風濕度[14-15]、增加室外側換熱器面積[16-17]、增加風量[18-19]、外加驅動力[20-22]等方法，在一定程度上實現了抑制結霜，但存在耐久性弱、技術復雜度高、工程適用性差等問題。研究表明，合理的優化ASHP關鍵部件本構配置關系，能達到較為顯著的抑霜效果[23]。Liang Shimin等[24]從ASHP整體配置層面綜合考慮室外換熱器、壓縮機、風機等關鍵部件本構配置關系，提出可表征結霜程度的無量綱特征參數——機組本構配置綜合參數CICO(characteristic index for the configuration and operation)，并以CICO為抑霜設計指標，建立了“制熱和抑霜多目標優化”的ASHP機組研發新方法，研發了抑霜型ASHP機組(frost suppression ASHP, FSASHP)[22]。

本文針對FSASHP，依托四川省康定市的某住宅示范工程，進行FSASHP和常規ASHP機組現場實測，對比分析典型結霜工況和長期運行下的結除霜性能、制熱性能及技術經濟性，全面揭示FSASHP工程應用優勢，推動ASHP技術的高效應用，助力碳達標、碳中和。

1 抑霜型ASHP機組

1.1 設計研發依據

機組本構配置綜合參數CICO表達式：

(1)

式中：Fc為室外傳熱器傳熱面積，m2；G為室外風機的風量，m3/s；n為壓縮機轉速，r/s；V0為壓縮機行程容積，m3/r；vs為基準迎面風速，m/s。

結合地域氣候特點，根據ASHP本構配置抑霜規律[24](如圖1所示)，確定抑霜設計目標CICO，同時設定制熱目標，按照“制熱和抑霜多目標優化”的ASHP研發新方法[25]，進行FSASHP的研發。

圖1 ASHP本構配置抑霜規律[24]Fig.1 Frosting suppression rule of ASHP constitutive configuration[24]

1.2 抑霜型ASHP機組研發

參考國內市場常規ASHP熱風機在額定工況(-12 ℃/-13.5 ℃)下的制熱能力，將FSASHP熱風機機組的額定制熱目標設定為3 kW，且COP不低于JB/T 13573—2018[26]中規定的2.2；同時，將機組在標準結霜工況(干球溫度/濕球溫度：2 ℃/1 ℃)下的結霜程度定位為輕霜，設定抑霜目標CICO為39×106。

設計的FSASHP熱風機關鍵部件配置信息如表1所示。此外，在焓差實驗室內驗證了FSASHP熱風機既能在額定工況下提供所需的額定制熱能力，又能達到抑霜設計目標[25]。

表1 FSASHP熱風機機組關鍵部件配置信息Tab.1 Configuration information of key components from FSASHP heat blower unit

2 示范工程及測試系統

為了全面揭示FSASHP工程應用優勢，選取四川省康定市某住宅作為示范工程，并搭建了FSASHP熱風機和常規ASHP熱風機對比應用示范平臺以及較為完善的全自動監控系統。

2.1 示范工程

示范工程所在地四川省康定市位于川西藏區，屬于寒冷地區，冬季室外空調設計溫度、相對濕度分別為-8.3 ℃和65%，設計供暖天數為145 d。

康定市2018—2019供暖季室外溫濕度在結霜圖譜上的分布如圖2所示。由圖2可知，該地區供暖季運行工況中重霜工況占整個測試工況的8%，一般結霜工況占比達到43%，輕霜區占比達到15%，結霜區的工況總占比高達66%，結霜較為嚴重。

圖2 康定市2018—2019年供暖季室外溫濕度Fig.2 Outdoor temperature and humidity of Kangding in heating season from 2018 to 2019

示范工程建筑為磚混結構，共7層，墻體未做保溫，窗均為面積相同的單層玻璃窗，在該住宅建筑選取頂層一住戶的2個房間進行現場對比測試。圖3所示為現場測試的平面圖，兩個測試房間的面積分別為15 m2和12 m2，其中在南向房間中安裝了常規ASHP熱風機(對比機組)，在北向房間安裝了FSASHP熱風機，兩臺機組的室外主機均放置在樓頂并保持相同朝向。雖然該建筑受周邊新建建筑遮擋有效日照時間較短，但為了盡可能的減小太陽輻射帶來的影響，測試過程中所有房間的遮光窗簾均處于關閉狀態。

圖3 現場測試平面圖Fig.3 Field test floor plan

對比機組額定制熱能力為3 kW，COP為2.24，CICO為4×106；FSASHP額定制熱能力為3 kW，COP為2.8，CICO為39×106。可知兩臺機組額定制熱能力相同，本構配置卻差異較大。結合圖1可知，ASHP機組CICO越大，意味著配置越高，機組的抑霜水平越高，結霜程度越輕。因此，根據對比機組和FSASHP的本構配置綜合參數差異，可初步預判對比機組抑霜水平較低，在實際運行中將面臨嚴重的結霜，而FSASHP抑霜水平較高，結霜較輕。

2.2 測試系統

測試系統原理如圖4所示，該系統對測試機組進行了較全面監測，測試數據由上位機管理軟件自動記錄并存儲，記錄時間間隔為1 min。主要測試參數和設備如下：

1)室外空氣側。溫濕度傳感器2個(測量精度：溫度±0.15 ℃，濕度±3.5 %；測試量程：溫度-20～70 ℃，濕度0～100%)，安裝于機組室外換熱器進風側，分別監測室外環境溫度、相對濕度變化情況。

圖4 測試系統原理Fig.4 Principle of test system

2)室內空氣側。Pt1000溫度傳感器6個(測量精度：±0.15 ℃，測試量程：-40～140 ℃)，安裝于室內機進、出風側，用于監測室內機進風溫度和出風溫度。

3)制冷劑側。Pt1000溫度傳感器6個(測量精度：±0.15 ℃，測試量程：-40～140 ℃)，安裝于壓縮機吸排氣管路、室外換熱器盤管上，用于監測壓縮機吸排氣溫度、盤管溫度變化情況。壓力傳感器2個(測量精度：±4%，測試量程：0～4 000 kPa，0～2 500 kPa)，安裝于壓縮機吸、排氣管路，用于監測壓縮機吸、排氣壓力的變化情況。

4)其它。數碼攝像機2臺(像素：14 Megapixels)，記錄室外換熱器表面的霜層動態生長情況。電子秤2臺(測量精度：±0.1 g，測試量程：0～60 kg)，測量化霜水的質量。功率傳感器2臺(測量精度：±0.5%)，監測機組壓縮機輸入功率和風扇輸入功率。

由于直接測量誤差不可避免地傳遞至間接測量值中，從而產生間接測量誤差，因此對間接測量結果進行誤差分析是非常必要的[8]。選用相對不確定度Ur進行分析，表達式如下：

N=f(X,Y,Z…)

(2)

(3)

(4)

3 測試方案及評價指標

為了充分揭示FSASHP優勢，于2018年11月15日—2019年3月21日，針對FSASHP和對比機組進行典型結霜工況和長期運行性能測試，通過結除霜性能指標、制熱性能指標以及技術經濟性指標，進行對比分析。

3.1 測試方案

為了充分揭示FSASHP在結霜工況下的抑霜優勢，選取4個典型的結霜工況，與對比機組進行了結除霜性能對比測試。4個測試工況的測試結果如圖5所示，其中Case1位于一般結霜區Ⅱ區，Case2位于一般結霜區Ⅱ區和Ⅰ區分界線處，Case3位于一般結霜區Ⅰ區，而Case4已經接近重霜區。

圖5 典型結霜測試工況Fig.5 Typical frosting test conditions

為了充分揭示FSASHP工程應用的節能優勢，對FSASHP和對比機組進行了長期的現場運行性能對比測試。測試期間日均溫度和相對濕度的變化如圖6所示。由于受當地電力波動、人為干擾等因素的影響，整個測試期間抑霜型機組和常規機組的有效測試時間分別為72 d和68 d。整個測試期間室外日均溫度和相對濕度分別在-3.3～12.6 ℃和28%～87%之間波動，平均室外溫度達到3.8 ℃，平均相對濕度達到62%。

圖6 長期測試期間日平均室外溫濕度Fig.6 Daily average outdoor temperature and humidity during long-term testing

此外，在所有測試過程中，室內溫度均設定在18 ℃。室內機風量均為實驗室標定的數值。為了便于對比，測試機組均采用傳統的溫度-時間(TT,temperature-time)除霜控制邏輯[27]。該控制邏輯開始判定和除霜結束退出條件的描述分別如下：

當測試機組室外換熱器盤管溫度Tc≤3 ℃時，機組的控制器開始記錄機組的運行時間thc，當thc達到或超過除霜時間的設定值(通常可取45 min)，且Tc≤-3 ℃時，機組四通換向閥換向，進入除霜模式，同時關閉室外風機。在除霜過程中，當Tc達到或超過退出除霜溫度的設定值(一般可設為15～20 ℃)時，四通換向閥再次換向，機組退出除霜模式，機組開啟制熱模式。

3.2 評價指標

為了有效評價測試機組在典型結霜工況下的抑霜性能和長期運行下的制熱性能，選取平均結霜速率v和制熱性能系數COP作為主要評價指標。其中，v是反映機組結霜快慢的重要參數，由于結霜量很難測量，本文通過測量化霜水量表征結霜量，以換熱器單位面積、單位結霜時間的平均化霜水量間接表示結霜速度，表達式如下：

(5)

式中：v為平均結霜速率，g/(min·m2)；Mdfw為化霜水質量，g；S為室外換熱器的傳熱面積，m2；tf為機組除霜結束時刻開始至下一次除霜開始時刻的時間，min。

COP是指ASHP機組消耗單位電能產生的供熱量，表達式如下：

(6)

q=mwcpΔTw

(7)

式中：W為測試機組功率，kW；q為機組瞬時制熱能力，kW；tn為機組除霜結束時刻，s；mw為室內機風量，kg/s；ΔTw為室內機進出風溫差，℃。

分別選取費用年值(AC)和追加成本投資回收期(ths)兩個指標進行技術經濟性評價。其中，AC主要包括初投資、年運行費用和年維護費用：

AC=Co+Cm+(A/P,i,j)(C-B)+Bi

(8)

(9)

式中：Co為年運行費用，元/年；Cm為年維護費用，本文按照初投資的6%計算[28]，元/a；(A/P,i,j)為投資回收系數[29]；C為ASHP機組的初投資，元；B為ASHP設備的凈殘值，元；i為不變折現率，本文取4.594%[29]；j為設備使用年限，a。

ths為用年生產成本的節約或年收益的增加來回收追加投資額所需要的時間：

(10)

式中：ΔC為追加投資，元；ΔCo為年經營費用節約額，元。

4 測試結果與分析

4.1 典型結霜工況測試結果對比與分析

典型結霜工況下FSASHP和對比機組的測試結果如圖7所示。

圖7 典型結霜工況測試結果對比分析Fig.7 Comparison of test results under typical frosting conditions

機組在典型結霜工況除霜前的室外換熱器結霜圖像如圖7(a)所示。由圖7(a)可知，對比機組換熱器表面已完全被霜層覆蓋，而FSASHP換熱器表面僅有輕微的結霜。該結果直觀的揭示出FSASHP的抑霜效果較為顯著。

測試機組的結霜速率如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，對比機組的結霜速率較高，從Case1至Case4結霜速率依次從3.3×10-4mm/s升至5.7×10-4mm/s，而FSASHP在Case1和Case2下的結霜速率均為0，Case3和Case4工況下的結霜速率也僅約為0.4×10-4mm/s。該結果清楚表明FSASHP的抑霜性能優于對比機組。

測試機組的運行能效如圖7(c)所示。由圖7(c)可知，FSASHP的COP在3.06～3.16之間，相對于對比機組的COP提高約21%～37.3%，能效提升效果顯著。此外，根據測試結果，根據式(2)～式(4)可計算出COP的相對不確定度值均在6.0%以下，相對較小，說明測試結果具有較好的可信度。

通過上述測試對比分析，FSASHP在典型結霜工況下的抑霜能力明顯高于對比機組，說明FSASHP比對比機組有顯著的抑霜優勢。此外，由于FSASHP結霜性能的改善，機組在典型結霜工況下的運行性能較對比機組也得到大幅提升。

4.2 長期測試結果對比與分析

FSASHP和對比機組的長期測試對比結果如圖8所示，包括室內溫度Tn、單位面積制熱量q0、單位面積功耗W0以及COP等關鍵參數的測試結果。

圖8 抑霜型機組和對比機組長期的制熱性能測試結果Fig.8 Long-term heating performance test results of the FSASHP and conventional ASHP

由圖8可知，測試期間FSASHP的平均室內溫度達到19 ℃，q0和W0分別為236 W/m2和69 W/m2，平均COP達到3.6；測試期間對比機組的平均室內溫度為18.6 ℃，q0和W0分別為232 W/m2和81 W/m2，平均COP達到2.96；兩臺機組測量的單位面積平均制熱量和COP的相對不確定度在4.6%以下，均在合理范圍內。

分析上述結果可知，FSASHP和對比機組均達到了設定的供暖溫度，兩臺機組的單位面積平均制熱量基本一致，而FSASHP的單位面積平均功耗較對比機組降低15%，從而使FSASHP的平均COP較對比機組升高約22%。

4.3 技術經濟性對比與分析

依托示范應用工程，采用費用年值和追加投資回收期兩個經濟性指標進行技術經濟性對比與分析。

1)費用年值對比

針對對比機組和FSASHP，以經濟性為對比目標，費用年值小的則為較優的設計方案。

根據測試結果以及當地公布的電價0.55元/(kW·h)，可以計算出對比機組和FSASHP的年運行費用分別為2 297元/a和1 857元/a。對比機組初投資和凈殘值為2 300元和230元，FSASHP的初投資和凈殘值分別為3 000元和300元。維護費用可按照初投資的6%進行計算，得到對比機組和FSASHP的維護費用為138元和180元。基于上述計算，根據式(8)可以得到對比機組和FSASHP的費用年值分別為2 660元和2 318元，詳細結果如表2所示。

表2 對比機組和抑霜型機組費用年值對比Tab.2 Comparison of annual cost for the conventional ASHP and FSASHP 單位：元

由表2可知，FSASHP熱風機的費用年值比對比機組的費用年值低約333元，約13%，說明新方法設計的FSASHP的經濟性更好。

2)追加投資回收期

為了滿足ASHP的抑霜需求，FSASHP成本增加的關鍵部件主要為室外換熱器、室外風機以及機組的鈑金。通過廠家詢價，常規ASHP熱水機和FSASHP熱水機關鍵部件成本對比如表3所示。由表3可知，FSASHP熱風機的初投資比對比機組增加約500元，而其每年的運行費用可節約440元，根據式(10)可以計算出FSASHP追加成本投資的回收期為1.1 a。

表3 對比機組和FSASHP關鍵部件成本對比Tab.3 Cost comparison of key components from the conventional ASHP and FSASHP 單位：元

5 結論

本文依托四川省康定市的某住宅示范工程，進行FSASHP和常規ASHP典型結霜工況和長期運行下的結除霜性能、制熱性能及技術經濟性對比分析，全面揭示FSASHP工程應用優勢，得到如下結論：

1)典型結霜工況測試結果表明，FSASHP抑霜效果顯著，且由于FSASHP結霜性能的改善，COP在3.06～3.16之間，相比于常規ASHP，COP提高約21%～37.3%。

2)長期的測試結果表明，在滿足室內設定溫度的情況下，相比于常規ASHP機組，FSASHP的單位面積平均功耗降低15%，COP升高約22%。

3)通過技術經濟性對比分析表明，FSASHP的費用年值比常規ASHP降低13%，且1 a左右即可回收追加的投資，具有更好的技術經濟性。