空氣源熱泵在西安地區(qū)的運(yùn)行策略分析

中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 孫亞峰 王乃天 肖 武

0 引言

空氣源熱泵具有節(jié)能、能源可再生、施工調(diào)試周期較短等諸多優(yōu)勢[1-2]。對于冷熱雙供、建筑面積中等且室外空地較大的改造項目，空氣源熱泵是非常合適的選擇。

空氣源熱泵設(shè)備研發(fā)已日趨成熟，但針對建筑本身使用特性制定相應(yīng)的運(yùn)行策略仍主要依靠運(yùn)維人員自身的經(jīng)驗。本文根據(jù)某項目實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對其運(yùn)行策略提出合理化建議，為空氣源熱泵運(yùn)行策略的制定提供參考。

1 工程介紹

1.1 項目概況

該項目位于陜西省西安市。建筑A面積15 758 m2，主要功能為辦公室、會議室；建筑B面積7 050 m2，主要功能為辦公室、庫房。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用50 mm厚巖棉保溫，執(zhí)行節(jié)能30%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。建筑A 1～4層空調(diào)末端采用全空氣系統(tǒng)，5～15層采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)；建筑B的空調(diào)末端采用全空氣系統(tǒng)。該項目建造時間為1997年，原空調(diào)系統(tǒng)冷源采用螺桿式制冷機(jī)組，熱源為附近換熱站。之后由于新建建筑導(dǎo)致上級鍋爐房供熱能力不足，且制冷站也已超期服役，建筑A、B集中設(shè)置獨立冷熱源，受政策及場地條件限制，采用空氣源熱泵機(jī)組冷熱雙供。

1.2 冷、熱負(fù)荷

系統(tǒng)總冷負(fù)荷為2 049 kW，單位建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)為89.8 W/m2；系統(tǒng)總熱負(fù)荷為1 665 kW，單位建筑面積熱負(fù)荷指標(biāo)為73 W/m2。該項目供暖季為11月15日至次年3月15日，供冷季為5月15日至9月15日。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳練庀髤?shù)(見圖1、2)計算逐日冷熱負(fù)荷，結(jié)果如圖3、4所示。

圖1 供冷季逐日溫濕度

圖3 逐日冷負(fù)荷

圖4 逐日熱負(fù)荷

1.3 冷熱源形式

冷熱源主機(jī)采用定頻機(jī)組，參數(shù)見表1。

表1 空氣源熱泵機(jī)組參數(shù) kW

該項目共選用16臺渦旋空氣源熱泵機(jī)組，額定總制冷量為2 080 kW，總制熱量為2 240 kW。設(shè)計工況下總冷負(fù)荷為2 080 kW，總熱負(fù)荷為1 802.1 kW。

2 系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 系統(tǒng)形式

空氣源熱泵機(jī)組根據(jù)回水溫度啟停控制。系統(tǒng)設(shè)置1臺主機(jī)，其余15臺為從機(jī)。機(jī)組布置在條形基礎(chǔ)上，全部并聯(lián)異程連接，所有機(jī)組支管上均設(shè)手動密封調(diào)節(jié)蝶閥。設(shè)備布置示意圖見圖5。

圖5 設(shè)備布置示意圖

輸配系統(tǒng)采用一級泵定頻系統(tǒng)，末端直供，水泵兩用一備，額定流量160 m3/h。

2.2 運(yùn)行時間

建筑A、B全年辦公時間均為每周一至周五08：00—12：00、13：00—17：00，無加班時間?？照{(diào)系統(tǒng)現(xiàn)行運(yùn)行策略如表2所示。

表2 現(xiàn)行運(yùn)行策略

3 運(yùn)行情況

3.1 供冷季

供冷季室外最低溫度為21.02 ℃、平均溫度為27.08 ℃、最高溫度為37.09 ℃，分別對應(yīng)5月19日、6月19日和7月8日，選取這3天作為典型日進(jìn)行供冷分析。運(yùn)行情況如圖6～8所示。

注：圖中供水溫度比回水溫度高約0.3 ℃，這種與常識相悖的測試數(shù)據(jù)是測點設(shè)置位置導(dǎo)致的?；厮?jīng)過回水溫度計后由循環(huán)水泵輸送至熱泵機(jī)組換熱，再由供水干管輸送至室外管網(wǎng)，回水溫度計測得的回水溫度與實際進(jìn)入熱泵機(jī)組的回水溫度并不一致，其間存在水泵溫升導(dǎo)致的溫差，當(dāng)水泵溫升超過制冷機(jī)組的溫降時，則會出現(xiàn)供水溫度高于回水的情況。圖6 5月19日運(yùn)行情況

圖7 6月19日運(yùn)行情況

圖8 7月8日運(yùn)行情況

5月19日機(jī)組分別在07:00和14：00啟動2次，每次分別運(yùn)行2 h。第一次最大電負(fù)荷為140 kW，約為總負(fù)荷的21%；第二次最大電負(fù)荷為70 kW，約為總負(fù)荷的11%。供回水溫差在1 ℃以內(nèi)。

6月19日機(jī)組在07:00啟動后，于08：00—09:00、13:00—14:00間停機(jī)，其余時間均為運(yùn)行狀態(tài)，最大電負(fù)荷為14：00—18:00時的231.23 kW，約為總負(fù)荷的32%。絕大部分時間供回水溫差在1 ℃以內(nèi)，在14：00—17:00供回水溫差為2～3 ℃。

7月8日機(jī)組在07:00啟動后于13：00—14:00 停機(jī)，最大電負(fù)荷為651.83 kW，約為總負(fù)荷的98%，其余時間電負(fù)荷均在292.2～516.5 kW之間波動，約為總負(fù)荷的44%～78%。全天供回水運(yùn)行溫差為2～4 ℃。

3.2 供暖季

供暖季室外最高溫度為16.58 ℃、平均溫度為7.75 ℃、最低溫度為-3.00 ℃，分別對應(yīng)2月22日、2月2日和1月7日，選取這3天作為典型日進(jìn)行供熱分析。運(yùn)行情況如圖9～11所示。

圖9 2月22日運(yùn)行狀況

圖10 2月2日運(yùn)行狀況

圖11 1月7日運(yùn)行狀況

2月22日機(jī)組在04:00啟動后全天持續(xù)運(yùn)行，開機(jī)后逐步達(dá)到最大電負(fù)荷607.70 kW，約為總負(fù)荷的92%，之后電負(fù)荷均在200～400 kW之間波動，約為總負(fù)荷的30%～60%。除電負(fù)荷突增時供回水溫差為4 ℃左右外，其余時間供回水溫差均在1 ℃以內(nèi)。

2月2日機(jī)組在01:00啟動后全天持續(xù)運(yùn)行，開機(jī)后于07:00達(dá)到最大電負(fù)荷606.10 kW，約為總負(fù)荷的91%，之后電負(fù)荷逐步降低至200 kW，約為總負(fù)荷的30%。全天供回水運(yùn)行溫差為2～4 ℃。

1月7日機(jī)組提前1天啟動，當(dāng)日全天持續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行電負(fù)荷在540.9～632.6 kW之間波動，約為總負(fù)荷的81%～95%。全天供回水運(yùn)行溫差為3～4 ℃，供水溫度最低為41 ℃。

3.3 運(yùn)行問題分析

3.3.1供冷季運(yùn)行問題

7月6—9日高溫天氣期間，機(jī)組電負(fù)荷幾乎達(dá)到上限，但在整個供冷季氣溫圍繞27 ℃上下波動，波幅較小，電負(fù)荷圍繞40%總負(fù)荷上下波動，在最低氣溫當(dāng)天僅為總負(fù)荷的13%。系統(tǒng)供回水溫差長期在1 ℃以內(nèi)，處于大流量小溫差狀態(tài)。

分析原因如下：

1) 設(shè)計時建議機(jī)組分2個系統(tǒng)，低負(fù)荷時僅開啟1個系統(tǒng)及1臺水泵運(yùn)行，但實際運(yùn)行時并未采納設(shè)計建議，導(dǎo)致整個系統(tǒng)效率較低。

2) 定頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量相對較難，一般通過調(diào)整機(jī)組數(shù)量或調(diào)整閥門開度控制流量。該項目設(shè)計時考慮通過調(diào)整閥門開度調(diào)整流量，但實際運(yùn)行中調(diào)整閥門開度對流量的改變非線性，供回水溫差較小時只能通過減少機(jī)組臺數(shù)的方式進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)，需要增強(qiáng)量調(diào)節(jié)進(jìn)行輔助，目前系統(tǒng)運(yùn)行較不節(jié)能。

3.3.2供暖季運(yùn)行問題

根據(jù)供暖季2月2日數(shù)據(jù)推測，整個供暖季運(yùn)行階段內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行除在最低溫度當(dāng)天07:00出現(xiàn)一次，其他時間電負(fù)荷在總負(fù)荷的30%～91%之間波動。并且供熱階段也存在供回水溫差較小，系統(tǒng)長期處于大流量小溫差運(yùn)行的問題。

在最低溫度天氣條件下，機(jī)組無法按照需求提供熱量，導(dǎo)致供回水溫度低于設(shè)定值，末端用戶舒適性無法保證。

分析原因如下：

1) 實際運(yùn)行時未參照設(shè)計建議將機(jī)組分成2個系統(tǒng)運(yùn)行，導(dǎo)致整個系統(tǒng)效率較低。

2) 定頻系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)效果較差，目前通過調(diào)整機(jī)組數(shù)量的方式進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)，需要增強(qiáng)量調(diào)節(jié)解決供回水溫差小的問題。

3) 在室外溫度較低且濕度較大的條件下，機(jī)組化霜頻率會大幅增加，制熱效率明顯降低，機(jī)組無法達(dá)到額定制熱量，因此即使計算熱負(fù)荷小于設(shè)備總供熱量，也會存在供熱能力不足的問題。

3.3.3供冷、供暖季運(yùn)行問題對比

供冷、供暖季由于平均氣溫與設(shè)計氣溫相差較大，因此均存在運(yùn)行工況長期處于低效率區(qū)間的問題。

供冷季極端高溫天氣下，機(jī)組仍可以承擔(dān)用戶冷負(fù)荷需求。但在供暖季極端低溫天氣下，系統(tǒng)難以承擔(dān)用戶熱負(fù)荷需求。對供冷季、供暖季的極端溫度條件、平均溫度氣候條件下的耗電量進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，供冷季日耗電量均低于供暖季日耗電量。這與筆者根據(jù)供冷季計算冷負(fù)荷大于供暖季計算熱負(fù)荷選擇的機(jī)組數(shù)量供冷季合適、供暖季富余的結(jié)論相悖。

現(xiàn)狀條件下，供冷、供暖季均未在合理的工況下運(yùn)行，因此需要重新調(diào)整運(yùn)行策略。

4 運(yùn)行策略分析

4.1 控制機(jī)組同時運(yùn)行數(shù)量

統(tǒng)計供冷、供暖季內(nèi)每日最大電負(fù)荷，并根據(jù)單臺額定電功率計算其對應(yīng)運(yùn)行臺數(shù)，得到全季每日最大運(yùn)行臺數(shù)，如圖12、13所示。

圖12 供暖季逐日最大運(yùn)行臺數(shù)

圖13 供冷季逐日最大運(yùn)行臺數(shù)

供冷季內(nèi)，每日最大運(yùn)行臺數(shù)6臺以內(nèi)的共24 d，6～8臺的共24 d，8～10臺的共12 d，10～12臺的共10 d，12臺以上的共18 d，滿負(fù)荷運(yùn)行天數(shù)占比較小，且整個供冷季內(nèi)每日最大運(yùn)行臺數(shù)差異較大，但鄰近各日之間差別不大，因此適合將空氣源熱泵機(jī)組分成幾個系統(tǒng)獨立供冷，避免在低負(fù)荷時全部機(jī)組運(yùn)行。

依據(jù)0～6臺、6～10臺、10～16臺運(yùn)行天數(shù)相近，結(jié)合該項目特點，將全部空氣源熱泵機(jī)組分3組并聯(lián)，共分成3個系統(tǒng)獨立運(yùn)行：第1排6臺為第1組，第2排6臺為第2組，第3排4臺為第3組。5月15日至6月15日、8月16日至9月15日，第1組正常運(yùn)行，其余機(jī)組作為備用，當(dāng)回水溫度比設(shè)定值高3 ℃時啟用；6月16—30日、8月1—15日，第1組、第3組正常運(yùn)行，第2組在回水溫度比設(shè)定值高3 ℃時啟用；7月1—31日，3組機(jī)組均正常運(yùn)行。下一供冷季對調(diào)第1組和第2組運(yùn)行順序，保證磨損平衡。此運(yùn)行方案可以保證系統(tǒng)長期在高效區(qū)運(yùn)行，降低電耗并減少機(jī)組開啟頻率。

供暖季內(nèi)，每日最大運(yùn)行臺數(shù)較頻繁達(dá)到峰值，因此維持1個系統(tǒng)運(yùn)行即可。

4.2 強(qiáng)化量調(diào)節(jié)手段，降低輸配泵耗

由于經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)組在低效區(qū)運(yùn)行和大流量小溫差的問題，應(yīng)考慮增加機(jī)組變流量調(diào)節(jié)手段，現(xiàn)狀條件下閥門調(diào)節(jié)困難，因此可采用水泵變頻。

根據(jù)上節(jié)供冷季運(yùn)行建議，6臺機(jī)組運(yùn)行時開啟1臺水泵，10臺機(jī)組運(yùn)行時開啟2臺水泵，16臺機(jī)組運(yùn)行時開啟2臺水泵，水泵均變頻運(yùn)行，當(dāng)供回水溫差小于3 ℃時降低流量至最小流量。需注意的是，當(dāng)實時流量小于機(jī)組額定流量的80%時，機(jī)組回水口處水流開關(guān)自動關(guān)閉，因此設(shè)定最小流量應(yīng)大于全部機(jī)組均能正常開啟運(yùn)行時的流量，此流量值需根據(jù)調(diào)試結(jié)果確定。

4.3 供暖季增強(qiáng)除霜

供暖季室外溫度最低日為1月7日，當(dāng)日最低溫度為-3 ℃，相對濕度為30%～40%，空氣源熱泵機(jī)組供水溫度最低為41 ℃。但該日并非供暖季內(nèi)供水溫度最低日，供水溫度最低日為11月23日，該日運(yùn)行情況如圖14所示。

圖14 11月23日運(yùn)行狀況

該日室外平均溫度為5 ℃左右，遠(yuǎn)高于1月7日平均溫度，但相對濕度為70%左右，溫度不低但濕度較大，為最易結(jié)霜氣候條件[3]。該日機(jī)組05:00 啟動，在08:00供水溫度達(dá)到43 ℃，之后隨著用戶需熱量上升，供水溫度再未升至43 ℃，且最低溫度僅為38 ℃。

分析原因主要有2點：第一，11月23日為星期一，周末兩天用戶端積蓄了一定量的熱負(fù)荷，當(dāng)日開機(jī)較晚，在未完成消除積蓄的熱負(fù)荷之前便開始供熱，導(dǎo)致用戶需熱量無法滿足；第二，當(dāng)日空氣濕度較大，機(jī)組結(jié)霜嚴(yán)重，頻繁除霜導(dǎo)致機(jī)組供熱能力下降。應(yīng)對該氣候條件，除更早開啟機(jī)組外，也應(yīng)該對除霜方式進(jìn)行改造。筆者認(rèn)為可以在蒸發(fā)器前后管路[4]及肋片易結(jié)霜處增設(shè)電伴熱[5]。西安為低溫結(jié)霜區(qū)，氣溫低且相對濕度較低，結(jié)霜現(xiàn)象并不嚴(yán)重[6]，可以考慮僅在極端天氣時使用，保證運(yùn)行穩(wěn)定。

4.4 強(qiáng)化質(zhì)調(diào)節(jié)控制，提高機(jī)組能效

中小型能源站項目實際運(yùn)行中，習(xí)慣性忽略通過設(shè)定供回水溫度輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能，運(yùn)維人員有時會根據(jù)末端室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)供水溫度，但并未形成統(tǒng)籌考慮節(jié)能及舒適性的運(yùn)行策略。該項目空氣源熱泵機(jī)組工作原理為通過設(shè)定回水溫度進(jìn)而控制供水溫度，供冷/供暖季回水溫度分別達(dá)到設(shè)定值后，允許機(jī)組繼續(xù)工作至低于/高于設(shè)定溫度2 ℃后關(guān)閉，繼續(xù)運(yùn)行至高于/低于設(shè)定溫度2 ℃后機(jī)組開啟，以此避免機(jī)組頻繁啟閉。該項目空氣源熱泵機(jī)組供冷季機(jī)組設(shè)定回水溫度為12～17 ℃，供暖季機(jī)組設(shè)定回水溫度為40～45 ℃。

根據(jù)熱量計算公式計算不同回水溫度下的負(fù)荷：

Q=c1ρ1V1Δt1

(1)

Q=c2ρ2V2Δt2

(2)

式(1)、(2)中Q為用戶側(cè)冷、熱負(fù)荷，kW；c1為循環(huán)水比熱容，kJ/(kg·℃)；c2為空氣比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ1為循環(huán)水密度，kg/m3；ρ2為空氣密度，kg/m3；V1為循環(huán)水體積，m3；V2為空氣體積，m3；Δt1為供回水溫差，℃；Δt2為室內(nèi)設(shè)定溫度與風(fēng)機(jī)盤管平均溫度之差，℃。

供冷季根據(jù)最大負(fù)荷日負(fù)荷Q、供水溫度7 ℃、回水溫度12 ℃、室內(nèi)溫度26 ℃及空氣和水在該條件下的密度，可以計算得到水泵及風(fēng)機(jī)盤管流量V1、V2，進(jìn)而確定設(shè)備型號。當(dāng)負(fù)荷需求降低時，回水溫度可以提高。通過迭代計算，得到當(dāng)設(shè)定回水溫度為17 ℃時，當(dāng)日負(fù)荷為峰值的65%。供暖季同理，當(dāng)設(shè)定回水溫度為40 ℃時，當(dāng)日負(fù)荷為峰值的80%。

實際運(yùn)行時需在此方案基礎(chǔ)上根據(jù)項目特點進(jìn)行調(diào)整。供冷季建議根據(jù)該項目負(fù)荷延續(xù)時間圖，確定當(dāng)日負(fù)荷情況，再結(jié)合臺數(shù)控制要求，當(dāng)末端負(fù)荷為某個運(yùn)行周期內(nèi)最大負(fù)荷的65%以下時，對應(yīng)該周期開啟機(jī)組的回水溫度設(shè)置為17 ℃，其余機(jī)組停機(jī)，當(dāng)末端負(fù)荷為最大負(fù)荷的65%以上時，采用等差數(shù)列公式將65%～100%負(fù)荷與回水溫度17～12 ℃成比例對應(yīng)設(shè)置回水溫度，其余機(jī)組作為備用，當(dāng)回水溫度比設(shè)定值高3 ℃時啟用。若出現(xiàn)陰雨天等濕度較大的極端天氣，仍需設(shè)置回水溫度為12 ℃，保證消除濕負(fù)荷。供暖季同理，當(dāng)末端負(fù)荷為某個運(yùn)行周期內(nèi)最大負(fù)荷的80%以下時，所有機(jī)組回水溫度設(shè)置為17 ℃；當(dāng)末端負(fù)荷為80%以上時，采用等差數(shù)列公式將80%～100%負(fù)荷與回水溫度40～45 ℃成比例對應(yīng)設(shè)置回水溫度。根據(jù)運(yùn)行策略建議調(diào)整后的運(yùn)行方案如表3、4所示。

表3 供冷季運(yùn)行策略

表4 供暖季運(yùn)行策略

5 結(jié)論

1) 針對西安市某空氣源熱泵供能項目運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)供冷季存在機(jī)組運(yùn)行效率較低、供回水溫差較小的問題，供暖季存在供回水溫差較小、極端天氣無法保證末端需求的問題。

2) 對于現(xiàn)狀問題提出4點改進(jìn)建議。第一，供冷季將空氣源熱泵機(jī)組分成3個系統(tǒng)，隨著末端負(fù)荷需求上升，逐步增加系統(tǒng)開啟數(shù)量，保證整個系統(tǒng)在高效區(qū)運(yùn)行；第二，水泵改為變頻運(yùn)行，供回水溫差小于3 ℃時降低流量至設(shè)定的最小流量，用以增大溫差；第三，供暖季出現(xiàn)極端天氣無法保證供暖熱量時，首先應(yīng)更早開啟機(jī)組，消除周末及夜間蓄冷，其次應(yīng)增加高效除霜措施，解決機(jī)組頻繁化霜效率低下的問題；第四，通過在不同負(fù)荷需求日期內(nèi)，調(diào)整機(jī)組供回水平均溫度，提高機(jī)組COP。