歐洲熱泵供熱系統(tǒng)實際運行測試與典型問題分析

石竹青,趙宗彬,姚亮

（合肥通用機械研究院,安徽 合肥 230031）

人們對冬季供熱的要求越來越高，不僅要求溫暖、舒適，還要求節(jié)能、環(huán)保，歐洲供熱系統(tǒng)建設(shè)歷史悠久，熱泵系統(tǒng)是近年來備受關(guān)注的新能源系統(tǒng)，能夠從自然界空氣、水或土壤中獲得低位的熱能，經(jīng)電做功，提供高位熱能的裝置。當前，熱泵供熱系統(tǒng)以歐洲產(chǎn)熱泵供熱系統(tǒng)為主，按照熱源的種類，以水源、空氣源熱泵為主，在部分地殼活動比較活躍的地區(qū)，混合源熱泵比較多見。熱泵供熱系統(tǒng)開始向家庭化、小型化發(fā)展，集中式供熱的范圍明顯縮小，以減少熱力供應(yīng)過程中消耗。熱泵供熱系統(tǒng)是復(fù)雜機構(gòu)系統(tǒng)，為達到理想的運行效果，需要進行運行測試，優(yōu)化運行模式、工作參數(shù)，提高能源利用效率，提高熱泵供熱系統(tǒng)的綜合效益。本文就歐洲空氣源熱泵供熱系統(tǒng)實際運行測試與典型問題進行分析。

1 歐洲熱泵供熱系統(tǒng)實際運行測試

1.1 測試對象——以丹麥為例

20世紀70年代是丹麥建筑面積增長最快的時間段，目前獨立住宅面積約占52%，也是供熱系統(tǒng)主要對象，進行獨立住宅熱泵供熱研究非常必要。丹麥1月、2月平均氣溫達到0℃，夏季為15℃，供熱系統(tǒng)全年都運行。測試對象為丹麥典型的獨立住宅，一般為2層，因個體化的設(shè)計，體形系數(shù)較大，圍護結(jié)構(gòu)保溫相對較好。據(jù)計算，70年代經(jīng)典的獨立住宅外墻傳熱系數(shù)為 0.49W/（m2·k），屋頂 0.26W/（m2·k），外窗2.47W/（m2·k），在進行改造后傳熱系數(shù)會明顯下降。整個獨立建筑的傳熱率=各種類型的建筑外面積傳染系數(shù)×外形面積，一座70年代經(jīng)典2層獨立住宅的傳熱率為5.14kW/k。實際的供暖面積為356.6m2，建筑布局及散熱器分別布置在各個房間內(nèi)，合計24組散熱器采用空氣源熱泵，熱媒為水，散熱器為四柱鑄鐵散熱氣。機組額定制熱量為11.4kW，額定輸出功率為2.81kW，最大輸入功率為4.4kW，-12℃制熱的量為6.4KW，同時輸出功率約為2.55kW，機組中采用循環(huán)水泵，流量額定為2m3/h，揚程為12m，根據(jù)回水溫度控制控制機組。

1.2 方法

根據(jù)供熱公式最終可計算整個系統(tǒng)的產(chǎn)熱量。而后采用溫度計測量室內(nèi)外的溫度，采用懸掛法測量，高度2m，避免直射，遠離其他熱源，室內(nèi)高度1.7m，距墻面1.1m，分析整個房間的溫度分布，采用紅外線測溫儀測量散熱器表面溫度。根據(jù)前文提到的直熱型空氣源熱泵供熱熱力學(xué)公式，可以換算理論上消耗的電能。

2 熱泵供熱系統(tǒng)運行問題

2.1 供熱、供水一體化

在歐洲所使用的熱泵，往往提倡一次網(wǎng)供水，水質(zhì)較好，實現(xiàn)供熱、供水一體化。見下圖1，為芬蘭樓宇式換熱站，熱網(wǎng)一次水分為兩股，分別進入生活熱水、供暖換熱器，熱力站有自控系統(tǒng)，生活熱水出水溫度55℃，散熱器供水能夠?qū)崿F(xiàn)曲線控制。熱量表能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)的循環(huán)水流量、供水與回水溫度進行監(jiān)控，從而快速的檢測消耗熱量，計算供熱費用。散熱器供水溫度主要取決于室外溫度以及用戶實際設(shè)定的室內(nèi)溫度。在發(fā)現(xiàn)天氣修正后，耗熱量增加，則需要檢查熱力站設(shè)備，調(diào)整供水溫度，以減低熱耗，或進一步檢查房間內(nèi)的恒溫閥，提高自由熱的利用率，變頻控制循環(huán)水泵的定壓。

圖1 芬蘭樓宇式換熱站原理圖

2.2 室外氣溫對系統(tǒng)的性能影響較大

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)性能容易受到室外空氣環(huán)境參數(shù)影響，一般而言，氣溫越低，系統(tǒng)的性能越差，功耗更高，隨著環(huán)境溫度的上升，冷凝器的制熱量不斷上升。隨著環(huán)境溫度的上升，蒸發(fā)器與周圍環(huán)境對流換熱獲得熱量更多，蒸發(fā)溫度上升，從而導(dǎo)致COP上升。空氣源供熱系統(tǒng)適合環(huán)境溫度較高的地區(qū)，或余熱排放場所使用，如大型商業(yè)建筑排風口。前文提到的丹麥，因處于溫帶海洋星氣候，全年的氣溫罕有在零度以下情況，溫度較高，能夠維持較高的COP，降低能耗。在歐洲，雙源性的熱泵供熱系統(tǒng)，主要分布在地中海、瑞典、瑞士、冰島低熱條件較好的國家，雙源式的熱泵往往設(shè)計智能化水平高，能夠室外穩(wěn)定調(diào)整熱源，當室外環(huán)境溫度較高時，以空氣源作為主要熱源，減少能耗。在氣溫偏低情況下，在啟動空氣源熱泵供熱系統(tǒng)時，瞬時的能耗會明顯增大，整個系統(tǒng)處于高負荷狀態(tài)下，也是故障的高發(fā)時間段。與此同時，同時整個系統(tǒng)供水溫度達到目標水平所需要的時間越長。

2.3 進水溫度對整個系統(tǒng)加熱系統(tǒng)影響較大

進水溫度直接影響系統(tǒng)的功耗，溫度越低，整個系統(tǒng)需要提供的熱能則更多，理想的進水溫度需要達到40℃，前文提到的芬蘭，其熱站控制的進水溫度便為40℃，再由家用的熱泵供熱系統(tǒng)加熱到目標溫度。在歐洲，維度跨度廣、氣候的差異大，特別是內(nèi)陸地區(qū)，主要為溫帶大陸性氣候，而熱泵往往是全年運行的，這就需要不同地區(qū)需要設(shè)計符合本地區(qū)氣候特征的供熱系統(tǒng)，為不同熱源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計不同性能參數(shù)，管理標準。

芬蘭樓宇式換熱站，為了更好的節(jié)能，歐洲住戶普遍向供熱服務(wù)公司進行咨詢，根據(jù)房屋本身的散熱、保暖情況，室內(nèi)保暖需求，設(shè)計供熱方案，能夠適應(yīng)天氣變化，進行參數(shù)修正，控制進水溫度，從而控制耗熱量，達到節(jié)能的效果。

2.4 出水溫度

在測試過程中，還常出現(xiàn)出水溫度差異，空氣源熱泵供熱系統(tǒng)出水溫度是指加熱完成后，水箱中的出水溫度，其直接影響供水器的性能。隨著出水溫度的上升，壓縮機的排氣溫度也隨之上升，加熱結(jié)束時，溫度達到峰值，部分甚至達100℃以上，容易超過推薦的上限值，不僅影響系統(tǒng)的性能，還容易引起故障。在進行供熱系統(tǒng)參數(shù)管理時，需要考慮到系統(tǒng)本身的性能標準，避免排氣溫度超過負荷。

2.5 建筑本身的保溫性能對供熱系統(tǒng)性能影響較大

建筑本身的保溫性能對供熱系統(tǒng)性能影響較大，在歐洲許多建筑已有三四十年的歷史，對這些老舊建筑進行供熱，因建筑保溫措施不到位，傳熱率較高，房屋內(nèi)的耗熱量也會明顯增加。供熱公司此時需要重視數(shù)據(jù)的分析，以推動開展建筑的節(jié)能改造。

3 結(jié)語

在歐洲，空氣源、地熱源、復(fù)合源等熱泵供熱系統(tǒng)已達到廣泛的應(yīng)用，極大提高了建筑供熱的節(jié)能水平。熱泵供熱系統(tǒng)初步實現(xiàn)供熱與供水一體化、系統(tǒng)控制、智能與遠程控制，供熱服務(wù)公司能夠較準確的計算出建筑的供熱量、耗熱量，從而進行價格的計算，推動供熱節(jié)能工作可計量化。我國供熱系統(tǒng)建設(shè)不斷發(fā)展，潛力巨大，為達到節(jié)能減排目標，需要重視熱泵技術(shù)、城市供熱系統(tǒng)的改造與建設(shè)，對舊有的系統(tǒng)進行智能化、熱源改造。

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