空氣源熱泵頻繁除霜下供熱采暖運(yùn)行特性研究

王艷 高文學(xué) 楊林 郭宏偉 王啟 由世俊

摘要 以天津地區(qū)為例，通過模擬用戶24 h供熱水和供暖情況，研究空氣源熱泵在冬季頻繁除霜工況下供熱水和采暖的運(yùn)行特性，分析供熱水和采暖性能間的相互影響。非除霜時(shí)段，熱泵制熱量受供熱水影響緩慢下降；供暖的同時(shí)大容量供熱水，熱泵制熱量劇烈上下波動(dòng)；供暖、供熱水與除霜運(yùn)行相重合時(shí)，除霜對(duì)熱泵制熱量影響占主導(dǎo)；系統(tǒng)實(shí)際供暖負(fù)荷受對(duì)外供熱水情況影響顯著。

關(guān) 鍵 詞 空氣源熱泵；除霜工況；供熱水；采暖；運(yùn)行特性

中圖分類號(hào) TU822 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 前言

空氣源熱泵因其節(jié)能高效、安全環(huán)保、熱水量大等特點(diǎn)，被廣泛用于家庭供熱采暖[1]；但當(dāng)冬季室外氣溫較低、相對(duì)濕度較高時(shí)，空氣源熱泵應(yīng)用受結(jié)霜制約，制熱量顯著下降[2]。 頻繁除霜下，熱泵制熱能力及運(yùn)行性能是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵所在[3-4]。 以天津地區(qū)為例，研究空氣源熱泵系統(tǒng)在冬季頻繁除霜的不利制熱條件下，熱泵供熱和采暖的運(yùn)行特性，并重點(diǎn)分析了對(duì)外供應(yīng)熱水時(shí)供熱和采暖性能間的相互影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

供熱采暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由空氣源熱泵供熱單元、蓄熱水箱、數(shù)據(jù)采集儀和氣象參數(shù)測(cè)試儀組成，其中，空氣源熱泵額定制熱量5.20 kW，額定制熱水能力110 L/h，額定功率1.27 kW，制冷劑采用R22/1.15 kg，COP為4.08；蓄熱水箱容量300 L，水箱最大承受壓力0.8 MPa。 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，使空氣源熱泵供熱單元與水箱中部進(jìn)出水口相連，直接加熱水箱；生活熱水系統(tǒng)在水箱上部直接取熱，采暖系統(tǒng)通過與蓄熱水箱上部盤管相連，間接從水箱中取熱；采暖用戶端，設(shè)置板換換熱器，模擬用戶采暖需求。系統(tǒng)流程及測(cè)點(diǎn)分布見圖1。

1.2 運(yùn)行模式及測(cè)試條件

針對(duì)天津地區(qū)，以供熱面積100 m2居民住宅為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50015—2003），設(shè)計(jì)日熱水用量為300 L、供暖熱負(fù)荷為4 kW。 以24 h為一測(cè)試周期，選取天津冬季典型供暖日，進(jìn)行空氣源熱泵除霜工況下的供熱采暖性能測(cè)試。 參照《帶輔助能源的家用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》（GB/T 25967—2010）、 歐盟《供暖加熱器、兩用加熱器、供暖加熱器-溫控器-太陽(yáng)能集熱裝置集成系統(tǒng)以及兩用加熱器-溫控器-太陽(yáng)能集熱裝置集成系統(tǒng)的能效標(biāo)志》（EU No.811/2013）和天津地區(qū)居民用水習(xí)慣，制定全天測(cè)試熱水用熱量比例時(shí)間表，見表1。 通過定時(shí)放水，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶全天供熱水用熱量的模擬。

研究表明，傳統(tǒng)空氣源熱泵在室外空氣溫度高于-3 ℃時(shí)，均可安全可靠運(yùn)行[5]，而天津地區(qū)冬季月份（11月—次年1月）日均氣溫為-4 ～ 5 ℃[6]，結(jié)合京津地區(qū)空氣源熱泵分區(qū)結(jié)霜圖譜[7]，選取2017年12月28日和29日為頻繁除霜的典型測(cè)試日；由氣象數(shù)據(jù)采集儀記錄2017年12月28日8∶00至29日8∶00（記測(cè)試日1，如圖2所示）和29日8：00至30日8：00（記測(cè)試日2，如圖3所示），連續(xù)48 h室外溫濕度數(shù)據(jù)，每間隔15 min記錄1次，變化見圖2和圖3。 由圖可知，測(cè)試日1室外溫度為-2.2～1.9 ℃，室外濕度為79.6% ～ 80.4%；測(cè)試日2室外溫度為-2.4～2.2 ℃，室外濕度為74.1%～80.3%；兩者均位于分區(qū)結(jié)霜圖譜中的一般結(jié)霜區(qū)，此區(qū)域結(jié)霜頻繁，而又不易發(fā)生有霜不除和無霜誤除事故，可真實(shí)反映結(jié)霜條件下系統(tǒng)供熱采暖運(yùn)行特性。

實(shí)驗(yàn)前，開啟熱泵，設(shè)定制熱溫度55 ℃，將水箱加熱至45 ℃，供暖環(huán)路通過調(diào)節(jié)進(jìn)入板換的冷卻水流量和溫度實(shí)現(xiàn)供暖負(fù)荷4 kW；實(shí)驗(yàn)8：00開始，系統(tǒng)采暖連續(xù)運(yùn)行48 h，用熱水按表1規(guī)定時(shí)刻分別以4 L/min（5%用熱比例時(shí)）和6 L/min（10%和15%用熱比例時(shí)）流速放水，當(dāng)放出熱水達(dá)規(guī)定熱量時(shí)，停止放水。用數(shù)據(jù)采集儀每15 s記錄1次溫度參數(shù)，即空氣源熱泵進(jìn)出口溫度t1和t2，采暖供回水溫度t3和t4，熱水出水溫度t5，自來水供水溫度t6；流量參數(shù)，即熱泵循環(huán)流量q1，供暖循環(huán)流量q2，供熱水流量q3；系統(tǒng)總耗電量ES。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

1）熱泵供熱量計(jì)算

[Qhp=i=1nc×ρ×q1×τi×（t2-t1）60]， （1）

式中：[Qhp]為實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)熱泵供熱量，kJ；c為水的比熱容，本研究取4.18 kJ/（kg?℃）；ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；τi為數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔，s。

2）供暖耗熱計(jì)算

[Qcs=i=1nc×ρ×q2×τi×（t3-t4）60]， （2）

式中：[Qcs]為實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)供暖耗熱量，kJ。

3）供熱水耗熱計(jì)算

[Qch=i=1nc×ρ×q3×τi×（t5-t6）60]， （3）

式中：[Qch]為實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)供熱水耗熱量，kJ。

4）系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)計(jì)算

[COPs=QhpEs]， （4）

式中：[COPs]為系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)，無量綱；[Es]為系統(tǒng)總耗電量，kJ。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試日1和測(cè)試日2內(nèi)的熱泵進(jìn)出水溫度及溫差變化分別見圖4和圖5，采暖供回水及熱水出水溫度變化分別見圖6和圖7，系統(tǒng)消耗熱量情況分別見圖8和圖9。

2.1 除霜運(yùn)行

對(duì)比圖4和圖5，測(cè)試日內(nèi)設(shè)置空氣源熱泵制熱水溫度55 ℃，即熱泵最高制熱水溫度，并在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，保持此溫度設(shè)定；熱泵瞬時(shí)制熱量受除霜和系統(tǒng)供熱水影響，呈現(xiàn)劇烈變化。 由圖4可知，測(cè)試日1內(nèi)，熱泵共運(yùn)行自動(dòng)除霜26次，均勻分布在整個(gè)測(cè)試日內(nèi)，相鄰兩次除霜間隔時(shí)間約55 min；而由圖5可知，測(cè)試日2測(cè)試周期內(nèi)，熱泵共運(yùn)行自動(dòng)除霜20次，19∶00前氣溫基本位于0 ℃以上，運(yùn)行自動(dòng)除霜6次，非均勻分布，19：00后氣溫降至0 ℃以下，且空氣濕度逐漸增大，平均每55 min除霜1次。 對(duì)比圖4和圖5，發(fā)現(xiàn)每次除霜運(yùn)行開始時(shí)熱泵瞬時(shí)供熱量急劇下降，并使熱泵從制熱轉(zhuǎn)變?yōu)楹臒徇\(yùn)行，即通過逆循環(huán)完成自動(dòng)除霜，隨著除霜的完成，供熱量降至拐點(diǎn)，隨后熱泵瞬時(shí)制熱量會(huì)急劇上升，并回升至除霜開始前瞬時(shí)制熱量上下；無放熱水和除霜操作時(shí)段，熱泵制熱量維持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，直至下次自動(dòng)除霜運(yùn)行啟動(dòng)，往復(fù)循環(huán)。

2.2 熱泵制熱

除霜運(yùn)行過程中，進(jìn)出水溫度對(duì)應(yīng)出現(xiàn)先降低后升高的劇烈變化，除霜完成后，均回升至接近波動(dòng)前數(shù)值；對(duì)比兩測(cè)試日熱泵進(jìn)出水溫差和供熱情況可知，系統(tǒng)除8∶00外的大容量放水時(shí)段，即放熱量占比為10%和15%的放水時(shí)段，隨每次放水結(jié)束，熱泵進(jìn)出水溫度出現(xiàn)明顯波動(dòng)，均呈現(xiàn)先降低后升高的連續(xù)性變化，同時(shí)引起熱泵進(jìn)出水溫差出現(xiàn)劇烈上下波動(dòng)，先升高后急劇降低，再回升至接近波動(dòng)前數(shù)值；波動(dòng)初期，因補(bǔ)水口和熱泵進(jìn)水口較接近，且前期放水過程中補(bǔ)入大量溫度較低的自來水，使得熱泵進(jìn)水溫度降低速率大于出水溫度降低速率，溫差增大，增至階段極大值后，進(jìn)水溫度降低速率小于出水溫度降低速率，溫差減小，可能是水箱內(nèi)部流體不規(guī)則流動(dòng)造成傳熱不均引起的這種現(xiàn)象；隨后溫差降至階段極小值，隨熱泵持續(xù)制熱和流體傳熱，進(jìn)出水溫度均出現(xiàn)回升，但進(jìn)水溫度回升速率小于出水溫度回升速率，溫差增大，并回升至接近波動(dòng)前數(shù)值。

兩測(cè)試日系統(tǒng)在大容量的8：00放水時(shí)段和占比5%用熱量的小容量9∶00放水時(shí)段，放水引起的波動(dòng)均與除霜運(yùn)行相重合，熱泵進(jìn)出水溫度曲線和溫差曲線與僅除霜運(yùn)行下相應(yīng)曲線變化趨勢(shì)一致；因測(cè)試前，水箱被均勻加熱至45 ℃，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，初始階段放水而引起的熱泵進(jìn)出口水溫變化較小，故熱泵進(jìn)出水溫度曲線和溫差曲線受放水影響較小，無放熱水和除霜操作時(shí)段，熱泵制熱量可維持相對(duì)穩(wěn)定。

兩測(cè)試日其余占比5%放熱量的小容量放水時(shí)段，即15∶00、16∶00和17∶00，放水結(jié)束后，熱泵進(jìn)出水溫度曲線和溫差曲線均無明顯波動(dòng)，一方面因該3個(gè)時(shí)段用戶用熱量占比較低，另一方面，對(duì)比圖2和圖3中15∶00-17∶00室外溫濕度變化情況，該時(shí)間段為測(cè)試日氣溫最高且對(duì)應(yīng)濕度較低時(shí)段，因空氣源熱泵制熱性能隨室外溫度升高而升高，且濕度降低，熱泵除霜間隔時(shí)間延長(zhǎng)，此時(shí)段熱泵制熱水速率升高，故蓄熱水箱水溫波動(dòng)較小，從而使熱泵進(jìn)出水溫度無明顯波動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)供熱水

對(duì)比圖6和圖7，兩測(cè)試日系統(tǒng)各放水時(shí)段所放熱水，均呈現(xiàn)先快速升高后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。由圖1可知，放水溫度測(cè)溫點(diǎn)置于連接放水口和水箱間的管路上，故放水初始時(shí)刻，所測(cè)水溫為放水口和水箱間管路中存水溫度，放水時(shí)間間隔越長(zhǎng)，受環(huán)境溫度影響越大，放水溫度趨于穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)溫度才為此時(shí)段有效供熱水溫度；對(duì)比熱泵制熱水能力110 L/h（約1.8 L/min）和放熱水速率4 L/min或6 L/min，制熱速率不足以彌補(bǔ)放水引起的熱量消耗；19∶00、20∶00和21∶00系統(tǒng)所放出熱水溫度在35～40 ℃之間，其余時(shí)刻放出熱水溫度在40～45 ℃之間，作為家用供熱水終端，基本可滿足用戶端冬季出水溫度高于40 ℃的需求[8]。

2.4 系統(tǒng)供暖

供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷4 kW，即每15 s測(cè)量間隔設(shè)計(jì)供暖量為60 kJ，由圖8和圖9可知，兩測(cè)試日全天供暖波動(dòng)出現(xiàn)在19∶00系統(tǒng)用熱水后，隨著19∶00、20∶00和21∶00系統(tǒng)對(duì)外大量供應(yīng)熱水，瞬時(shí)供暖量先降低后升高，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，回升至設(shè)計(jì)負(fù)荷上下；測(cè)試日1最低供暖量出現(xiàn)在21∶35左右，對(duì)應(yīng)采暖供水溫度32 ℃、供暖量約16.5 kJ；測(cè)試日2最低供暖量出現(xiàn)在21∶30左右，對(duì)應(yīng)采暖供水溫度34 ℃、供暖負(fù)荷約17.5 kJ；對(duì)比實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)值，2測(cè)試日均在19∶00至第2天凌晨1∶00左右，系統(tǒng)實(shí)測(cè)供暖量明顯小于設(shè)計(jì)值，且此時(shí)間多為住戶室內(nèi)活動(dòng)時(shí)段，對(duì)室內(nèi)供暖舒適性要求較高，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值的供暖負(fù)荷，無法保障用戶供暖體驗(yàn)。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)

據(jù)公式（1），計(jì)算測(cè)試日1熱泵全天供熱量Qhp1為243.30×103 kJ，測(cè)試日2熱泵全天供熱量Qhp2為245.93×103 kJ；由電量表記錄測(cè)試日1系統(tǒng)全天總耗電量Es1為30.58 kWh，即110.09×103 kJ，記錄測(cè)試日2系統(tǒng)全天總耗電量Es2為27.80 kWh，即100.08×103 kJ；由公式（4），求得測(cè)試日1和2各自全天系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)COPs分別為2.21和2.46。熱泵頻繁除霜工況下，兩測(cè)試日系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)COPs均遠(yuǎn)低于《熱泵熱水機(jī)（器）能效限定值及能效等級(jí)》（GB 29541—2013）中規(guī)定的能效限定值3.00。

3 結(jié)論

針對(duì)空氣源熱泵冬季供熱采暖運(yùn)行，模擬用戶全天24 h用熱水和供暖情況，結(jié)合天津地區(qū)典型結(jié)霜供暖日運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析頻繁除霜工況下，系統(tǒng)供熱水和供暖的運(yùn)行特性：

1）除霜運(yùn)行基本不受供熱水和采暖運(yùn)行影響，主要取決于室外溫濕度情況，而反之，頻繁除霜下，非除霜時(shí)段熱泵制熱量受其影響而出現(xiàn)緩慢下降；

2） 僅供暖運(yùn)行，熱泵制熱量趨于平穩(wěn)；供暖的同時(shí)大容量供熱水，引起熱泵制熱量劇烈波動(dòng)；供暖、供熱水與除霜運(yùn)行相重合時(shí)，除霜對(duì)熱泵制熱量影響占主導(dǎo)；

3） 系統(tǒng)供熱水時(shí)，實(shí)際供暖負(fù)荷受供熱水情況影響顯著；

4） 測(cè)試日1和2全天系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)COPs均遠(yuǎn)低于《熱泵熱水機(jī)（器）能效限定值及能效等級(jí)》（GB 29541—2013）中規(guī)定的能效限定值，可通過配置高制熱能力熱泵或與壁掛爐等多種能源聯(lián)用，改善冬季制熱性能、提高用戶用熱體驗(yàn)。

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[責(zé)任編輯 田 豐]