邯鄲地區(qū)某空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

熊楚超 羅景輝,2 王景剛 魏 瑩 劉 歡 侯立泉

(1 河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 邯鄲 056038； 2 河北省暖通空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新中心 邯鄲 056038)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，冬季清潔供暖逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。近年來(lái)，隨著低溫空氣源熱泵技術(shù)的逐漸成熟，其在北方城鎮(zhèn)地區(qū)供熱中的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步擴(kuò)大[2-3]?？諝庠礋岜靡钥諝庾鳛榈蜏?zé)嵩矗ㄟ^(guò)消耗少量電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)從室外空氣中提取熱量，制取能滿足供熱需求的熱水，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[4-5]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為分析空氣源熱泵的實(shí)際運(yùn)行效果，相關(guān)研究人員進(jìn)行了很多現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析[6-7]，研究結(jié)果表明，空氣-水空氣源熱泵供暖系統(tǒng)通常存在機(jī)組與末端不匹配、機(jī)組運(yùn)行不佳等問(wèn)題，系統(tǒng)節(jié)能潛力較大。為了降低空氣源熱泵的系統(tǒng)運(yùn)行能耗，可通過(guò)加裝水力平衡裝置結(jié)合室溫控制來(lái)實(shí)現(xiàn)按需供熱，以達(dá)到節(jié)能目的[8]。此外也可以直接調(diào)整機(jī)組運(yùn)行頻率等參數(shù)[9-10]，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略來(lái)降低能耗。對(duì)于空氣-水空氣源熱泵供暖系統(tǒng)而言，系統(tǒng)運(yùn)行性能受到的影響因素較多，其中機(jī)組供回水溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響較大[11-12]。

目前，對(duì)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)采用分階段和分時(shí)段變水溫調(diào)節(jié)方式的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行效果以及節(jié)能性的相關(guān)研究較少。本文在2019—2020年供暖季，對(duì)邯鄲地區(qū)某老舊小區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，根據(jù)113 天的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析不同室外溫濕度環(huán)境條件下，采用分階段和分時(shí)段變水溫調(diào)節(jié)方式時(shí)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 系統(tǒng)概況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)象為邯鄲市某老舊小區(qū)供熱系統(tǒng)，該小區(qū)有11棟樓，總建筑面積為23 000 m2，原采用燃煤鍋爐進(jìn)行采暖。由于環(huán)保要求，需選用新的熱源方式供暖。小區(qū)距離市區(qū)較遠(yuǎn)，接入市政熱網(wǎng)費(fèi)用和天然氣成本太高，最終選用空氣-水空氣源熱泵作為供暖熱源?？紤]建筑為老舊建筑和室外環(huán)境因素，設(shè)計(jì)面積熱指標(biāo)為55 W/m2，系統(tǒng)采用16臺(tái)適用于環(huán)境溫度為-15 ℃的空氣源熱泵機(jī)組，配置3臺(tái)變頻循環(huán)水泵，兩用一備，單臺(tái)額定流量200 m3/h，采暖末端包括散熱器和地暖。由于該小區(qū)2018—2019年供暖季空氣源熱泵結(jié)霜較為嚴(yán)重，系統(tǒng)運(yùn)行較差，在2019—2020年供暖季將其中8臺(tái)熱泵替換為適用于環(huán)境溫度為-25 ℃的熱泵機(jī)組。依據(jù)該小區(qū)供暖情況(實(shí)際供暖用戶203戶，供熱率為59 %)，實(shí)際供暖負(fù)荷相比設(shè)計(jì)負(fù)荷較小，通常只需開(kāi)啟-25 ℃類型的8臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組，將此作為本次研究的主要測(cè)試對(duì)象。該類型機(jī)組主要參數(shù)為：低溫制熱量為89.5 kW，機(jī)組低溫名義工況COP為2.66。該小區(qū)供熱系統(tǒng)運(yùn)行采用變水溫調(diào)節(jié)方式，通過(guò)設(shè)定不同的回水溫度值來(lái)控制機(jī)組的運(yùn)行。以邯鄲地區(qū)往年室外逐時(shí)溫度氣象參數(shù)為依據(jù)，將供暖期劃分為5個(gè)階段[13]，如圖1所示。供暖前期Ⅰ和末期Ⅴ，室外溫度較高，溫度均值大于5 ℃；過(guò)度期Ⅱ、Ⅳ，室外溫度均值在0～5 ℃之間；供熱中期Ⅲ，室外溫度均值低于0 ℃。整體上分階段變水溫運(yùn)行，供暖水溫設(shè)置趨勢(shì)為從低到高再到低，并以室外相對(duì)濕度為依據(jù)，結(jié)合峰谷電價(jià)分時(shí)段變水溫運(yùn)行。

測(cè)試參數(shù)包括空氣源熱泵熱水側(cè)的供/回水溫度及流量、室外環(huán)境的溫濕度及設(shè)備能耗情況。在熱水側(cè)循環(huán)管路使用溫度記錄儀測(cè)量系統(tǒng)的供/回水溫度，測(cè)量精度為±0.3 ℃，測(cè)量范圍為-50 ℃/100 ℃；使用溫濕度記錄儀測(cè)量室外空氣溫濕度，測(cè)量精度分別為±0.3 ℃、±3%RH，測(cè)量范圍分別為-35 ℃/80 ℃、0/100%RH，測(cè)試間隔為5 min。使用超聲波流量計(jì)測(cè)量水流量，使用功率測(cè)量表測(cè)量機(jī)組和水泵功率，使用機(jī)械電表記錄設(shè)備耗電參數(shù)，測(cè)量精度為±1%。

圖1 不同階段劃分情況

1.2 參數(shù)計(jì)算

通過(guò)供/回水溫度、系統(tǒng)水流量及設(shè)備耗電等參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)供熱量和系統(tǒng)性能系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

1)系統(tǒng)供熱量，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：QH為系統(tǒng)的供熱量，kW·h；ρ為水的密度，kg /m3；cp為水的比熱容，kJ/(kg·K)；V為系統(tǒng)循環(huán)體積流量，m3/h；tw1i和tw2i分別為i時(shí)刻供暖系統(tǒng)的供、回水溫度，℃；Δτi為i次測(cè)試時(shí)間間隔，s；T為測(cè)試周期。

2)系統(tǒng)性能系數(shù)

熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP是從能量利用角度衡量其工作性能常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般而言，當(dāng)室外空氣溫度為0 ℃時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)3.0。區(qū)別于機(jī)組性能系數(shù)，系統(tǒng)性能系數(shù)COP′需考慮水泵能耗對(duì)系統(tǒng)性能的影響，按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：COPi′為第i時(shí)段供熱的系統(tǒng)性能系數(shù)；NJi為第i時(shí)段熱泵機(jī)組的耗電量，kW·h；Nsi第i時(shí)段循環(huán)水泵的耗電量，kW·h。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)試工況分析

2.1.1 測(cè)試工況

圖2所示為2019-11-24至2020-03-15測(cè)試期間，為期113天的室外溫濕度變化情況。由圖2可知，溫度平均值為3.5 ℃，日平均溫度波動(dòng)范圍為-3.6～17.2 ℃，日平均溫度低于0 ℃的有23天，低于5 ℃的有82天；相對(duì)濕度平均值為64.7 %，日平均相對(duì)濕度波動(dòng)范圍為17.8 %～95.9 %，日平均相對(duì)濕度高于60 %的有69天，高于80 %的有33天。在測(cè)試期內(nèi)，室外溫度低于0 ℃時(shí)，容易伴隨較高的相對(duì)濕度。從整體趨勢(shì)來(lái)看，溫度變化趨勢(shì)與圖1一致，濕度變化也有類似趨勢(shì)。隨著時(shí)間推移，室外溫度后期有較為明顯的上升趨勢(shì)；相對(duì)濕度通常維持較高值，且波動(dòng)幅度較大。

圖2 室外日平均溫濕度變化

圖3所示為結(jié)霜工況分布，根據(jù)室外空氣溫度和相對(duì)濕度繪制。霜譜圖分為結(jié)霜區(qū)、結(jié)露區(qū)和無(wú)霜區(qū)，結(jié)霜區(qū)根據(jù)結(jié)霜生長(zhǎng)速率和不同的除霜時(shí)間又以可劃分為5個(gè)區(qū)域[14-16]。將測(cè)試的2 703 h的室外氣象參數(shù)繪制到結(jié)霜圖譜中，得到邯鄲地區(qū)結(jié)霜工況分布情況。由圖3可知，邯鄲地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜工況較多。測(cè)試期內(nèi)65.8%的狀態(tài)點(diǎn)均處于結(jié)霜區(qū)域，其中重霜區(qū)占26.7%，一般結(jié)霜區(qū)占29.8%，輕霜區(qū)占9.3%。處于無(wú)霜區(qū)內(nèi)的狀態(tài)點(diǎn)占20.1%，處于結(jié)露區(qū)的狀態(tài)點(diǎn)占14.1%。

圖3 結(jié)霜工況分布

2.1.2 典型工況運(yùn)行特性分析

為了對(duì)比不同工況條件下系統(tǒng)運(yùn)行特性，在測(cè)試期內(nèi)對(duì)低溫、高濕、變水溫和對(duì)照工況4種條件下的運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)霜工況分布如圖3中①～④所示，每個(gè)工況參數(shù)值為測(cè)試當(dāng)日18：00至次日08：00的連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)，并從測(cè)試工況、供熱量和COP′等方面進(jìn)行分析，運(yùn)行特性如圖4和圖5所示。

圖4所示為工況1、2的運(yùn)行特性。低溫工況1(12月30日)位于無(wú)霜區(qū)，室外最低溫度達(dá)到-9.4 ℃，相對(duì)濕度平均值為39.1%；高濕工況2(1月8日)位于重霜區(qū)，室外溫度平均值為-0.9 ℃，相對(duì)濕度平均值為96%。工況1平均回水溫度為40.5 ℃，供水溫度為42.2 ℃；工況2平均回水溫度39.1 ℃，供水溫度41.1 ℃，兩者供回水溫差較小，溫度變化趨勢(shì)差別較大。工況1平均供熱量為44 kW，工況2為48 kW，低溫工況下制熱量衰減大于高濕工況下制熱量衰減。從性能系數(shù)來(lái)看，工況1平均COP′為1.53，工況2為1.56。結(jié)果表明，在低溫工況和高濕工況條件下，相比機(jī)組名義工況下的運(yùn)行性能均有較大衰減，系統(tǒng)運(yùn)行效果較差。

圖5所示為工況3、4的運(yùn)行特性。分時(shí)段變水溫工況3 (1月17日)位于重霜區(qū)，室外溫度平均值為-0.8 ℃，相對(duì)濕度平均值為95.7 %；工況4 (2月1日)位于輕霜區(qū)，室外溫度平均值為2.5 ℃，相對(duì)濕度平均值為49.4 %?？紤]在濕度較高工況下供熱量衰減較大，該小區(qū)結(jié)合邯鄲地區(qū)供暖季每日19∶00至次日08∶00谷電，在20∶00—22∶00和06∶00—08∶00升高空氣源熱泵回水溫度設(shè)定值[16-17]。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，工況3平均回水溫度為40.2 ℃，供水溫度為42.5 ℃，平均供熱量為50 kW，平均性能系數(shù)為1.58。與工況2相比，供水溫度、供熱量和COP′均有所提高。工況4的室外環(huán)境條件較好，其平均回水溫度為40.1 ℃，供水溫度為42.5 ℃。供熱量和COP′均較高，平均供熱量為60 kW，平均性能系數(shù)為2.37。對(duì)比上述4個(gè)工況，高濕環(huán)境機(jī)組容易結(jié)霜、低溫環(huán)境制熱量不足等均影響空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行。對(duì)于邯鄲地區(qū)，室外環(huán)境低溫工況較少，高濕結(jié)霜工況相對(duì)較多。在室外濕度較高、室外溫度較低時(shí)，可采用分時(shí)段升高水溫的調(diào)節(jié)方式來(lái)滿足用戶供暖需求。

圖4 低溫與高濕工況運(yùn)行特性

圖5 變水溫工況系統(tǒng)運(yùn)行特性

2.2 測(cè)試期系統(tǒng)整體運(yùn)行情況

對(duì)于測(cè)試期供熱系統(tǒng)整體運(yùn)行情況的分析，將從系統(tǒng)水溫變化和系統(tǒng)供熱性能等方面進(jìn)行。描述了環(huán)境條件、供/回水溫度、運(yùn)行時(shí)間和結(jié)霜情況，分析了分階段運(yùn)行和分時(shí)段運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。整體運(yùn)行情況如圖6～圖8所示。

2.2.1 系統(tǒng)分階段運(yùn)行性能

圖6 各階段空氣源熱泵運(yùn)行情況

圖6所示為各階段內(nèi)空氣源熱泵供/回水溫度、運(yùn)行時(shí)間及結(jié)霜工況的變化情況。整個(gè)測(cè)試期內(nèi)，供水平均溫度為40.2 ℃，回水平均溫度為38.2 ℃。由圖6中水溫逐時(shí)變化情況可知，分階段水溫調(diào)節(jié)模式下，第Ⅰ～Ⅴ階段的供/回水溫度均值分別為39.3 ℃/37.5 ℃、40.1 ℃/38.6 ℃、42.2 ℃/40.2 ℃、39.7 ℃/37.6 ℃、38.2 ℃/36.2 ℃。其中在第Ⅲ階段水溫均值達(dá)到最高值，對(duì)應(yīng)階段結(jié)霜工況占比較大；第Ⅴ階段水溫均值達(dá)到最低值。不同階段的水溫均值可作為每個(gè)階段水溫調(diào)節(jié)的參考值。此外，空氣源熱泵供熱系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間平均值為14.2 h，其變化趨勢(shì)與回水溫度變化趨勢(shì)一致，在第Ⅲ階段系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間均值達(dá)到16.2 h，在供熱初期Ⅰ和末期Ⅴ，機(jī)組水溫設(shè)置較低，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間較少。

圖7所示為測(cè)試期內(nèi)系統(tǒng)制熱量、開(kāi)啟時(shí)間和性能系數(shù)隨室外溫濕度的變化。由圖7可知，室外溫度工況在-2～4 ℃時(shí)較為集中，而相對(duì)濕度在40%～90%工況分布較為均勻。由于該小區(qū)供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用了水溫調(diào)節(jié)措施，隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)供熱量、開(kāi)啟時(shí)間呈下降趨勢(shì)，系統(tǒng)性能系數(shù)呈上升趨勢(shì)。隨著環(huán)境濕度的升高，系統(tǒng)供熱量、開(kāi)啟時(shí)間呈上升趨勢(shì)，系統(tǒng)性能系數(shù)呈下降趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果表明，采取分階段水溫調(diào)節(jié)后，室外溫度較高、相對(duì)濕度較低的工況時(shí)間的系統(tǒng)能耗得到降低。

圖7 供熱量、運(yùn)行時(shí)間和性能系數(shù)隨環(huán)境溫濕度的變化

2.2.2 系統(tǒng)分時(shí)段運(yùn)行性能

圖8所示為測(cè)試期內(nèi)日平均制熱量、耗電量和COP′的變化。該小區(qū)供熱系統(tǒng)包括兩排空氣源熱泵，可實(shí)現(xiàn)分排控制，在設(shè)備出現(xiàn)故障和制熱量不足時(shí)才全部開(kāi)啟，其余時(shí)間只開(kāi)啟適用于環(huán)境溫度為-25 ℃的機(jī)組，考慮機(jī)組關(guān)閉時(shí)的散熱和防凍需求，不開(kāi)啟的機(jī)組采取調(diào)小閥門開(kāi)度等措施。由圖8可知，日供熱量平均值為12.454 MW，變化范圍為3.682～17.157 MW，單位建筑面積耗熱量平均值為45 W/m2。日耗電量平均值為6.492 MW，變化范圍為1.2～10 MW；日平均COP′均值為2.04，變化范圍為1.2～3.4。在分階段水溫調(diào)節(jié)運(yùn)行情況下，第Ⅰ～Ⅴ階段平均COP′分別為2.05、1.63、1.76、2.17、2.51。結(jié)合圖2和圖6可知，第Ⅱ階段設(shè)置水溫相對(duì)較低，隨著相對(duì)濕度的變化，空氣源熱泵的COP′變化較為明顯，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生了較大影響。供暖中期室外環(huán)境溫度較低，為了滿足用戶供暖需求，供暖水溫通常需設(shè)置較高。當(dāng)室外相對(duì)濕度變化較大時(shí)，熱泵機(jī)組的運(yùn)行效果較差，此時(shí)采用分時(shí)段變水溫調(diào)節(jié)模式，即通過(guò)部分時(shí)間升高水溫滿足供暖需求。測(cè)試期間，第Ⅱ階段未采用分時(shí)段調(diào)節(jié)措施，第Ⅲ階段在濕度較大時(shí)采用了調(diào)節(jié)措施，從兩階段的COP′來(lái)看，由1.63提高至第Ⅲ階段的1.76，提高了8%。

圖8 系統(tǒng)日供熱量、耗電量和性能系數(shù)的變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)邯鄲地區(qū)某老舊小區(qū)空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，得到分階段和分時(shí)段變水溫下空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能。得到如下結(jié)論：

1)測(cè)試期內(nèi)，該系統(tǒng)日平均供熱量為12.454 MW，系統(tǒng)日平均COP′為2.04。供暖期不同階段采用不同的回水溫度參數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可較好降低供熱需求較少時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行能耗，特別是對(duì)于供暖前期和供暖末期。

2)對(duì)于邯鄲地區(qū)而言，除低溫環(huán)境對(duì)熱泵運(yùn)行影響較大外，室外相對(duì)濕度較大且容易波動(dòng)，也容易導(dǎo)致空氣源熱泵的運(yùn)行效果不佳、供熱量不足。在高濕環(huán)境條件下，采用分時(shí)段變水溫調(diào)節(jié)策略優(yōu)于定水溫度調(diào)節(jié)策略。在分階段水溫調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，依據(jù)室外空氣相對(duì)濕度分時(shí)段調(diào)節(jié)水溫的模式下，第Ⅱ階段的COP′由1.63升至第Ⅲ階段的1.76，提高了8%，系統(tǒng)運(yùn)行效果得到了改善。