低溫空氣源熱泵定頻機(jī)組的節(jié)能設(shè)計(jì)

單立洋

（北京華源泰盟節(jié)能設(shè)備有限公司 北京100083）

近年來，在我國北方農(nóng)村地區(qū)，空氣源熱泵逐漸取代電鍋爐、電暖器成為農(nóng)村清潔供暖的主要方式，空氣源熱泵系統(tǒng)有效降低供暖成本的同時(shí)，對推廣清潔供暖、解決散燒煤導(dǎo)致的能源浪費(fèi)和霧霾等具有重要作用。但空氣源熱泵在農(nóng)村清潔供暖中仍面臨低溫下熱泵性能衰減或惡化、整體經(jīng)濟(jì)性差、農(nóng)民負(fù)擔(dān)加重等問題，需要從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和供熱方式創(chuàng)新等方面入手加以解決。

本文以某農(nóng)宅空氣源熱泵系統(tǒng)為研究對象，針對實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，運(yùn)用基于實(shí)測數(shù)據(jù)的數(shù)值方法，分析了熱泵運(yùn)行特性，首次將基于空氣源熱泵運(yùn)行特性的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)應(yīng)用到農(nóng)村清潔供暖系統(tǒng)優(yōu)化配置中，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，為空氣源熱泵在我國北方農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)例概述

農(nóng)宅供暖面積108m2，單層聯(lián)排建筑，供暖季時(shí)間為2020年11月16日0 時(shí)至2021年3月15日24 時(shí)，采用空氣源熱泵—地板輻射采暖系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 空氣源熱泵-地板輻射采暖系統(tǒng)示意

農(nóng)宅冬季供暖系統(tǒng)包括空氣源熱泵機(jī)組、水箱、循環(huán)水泵、分水器、地板輻射取暖單元及溫控單位?？諝庠礋岜脼槲ㄒ恢茻嵩O(shè)備，用戶通過溫控單元設(shè)定回水溫度，當(dāng)回水溫度低于設(shè)定值時(shí)，熱泵開始制熱，反之則停止制熱。農(nóng)宅共5 個(gè)房間，全部采用地暖管地板輻射取暖單元，通過分水器控制不同房間的供暖。循環(huán)水泵將地暖管內(nèi)冷水輸送至空氣源熱泵機(jī)組加熱，后送回房間地板輻射模塊供暖，24h不停機(jī)防凍運(yùn)行。

對農(nóng)宅熱泵機(jī)組進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，所有農(nóng)宅皆采用旋渦式空氣源熱泵，額定電功率4.4kW，額定制熱量11kW，循環(huán)水泵額定揚(yáng)程10m，額定流量2.4m3/h，地暖管總長度約648m。

為估算農(nóng)宅空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，共實(shí)測了3 組2018—2019年供暖季空氣源熱泵系統(tǒng)的電耗數(shù)據(jù)，可見該地區(qū)農(nóng)宅空氣源熱泵采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)居民集中供熱收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)高出200%，加重了居民負(fù)擔(dān)［1］。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1 農(nóng)宅采暖能耗分析

為計(jì)算農(nóng)宅采暖能耗情況，實(shí)測了空氣源熱泵機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下不同室外均溫時(shí)的農(nóng)宅溫降速度，得到農(nóng)宅溫度與時(shí)間關(guān)系，根據(jù)建筑能耗計(jì)算公式，對房屋實(shí)際制熱能耗指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

建筑能耗Q為：

其中，Cl為循環(huán)水比熱容；ΔT 為室外溫度3℃時(shí)，農(nóng)宅在Δt時(shí)間內(nèi)的溫降；S為農(nóng)宅熱區(qū)面積；ml為農(nóng)宅空氣源熱泵-地板輻射采暖系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水總質(zhì)量，具體為：

式中，rn為水管內(nèi)徑；L為水暖管總長；Vh為機(jī)組循環(huán)水體積；Vm為水箱體積；ρl為水密度。

根據(jù)農(nóng)宅供暖系統(tǒng)主要參數(shù)及農(nóng)宅溫降規(guī)律，計(jì)算可得室外溫度3℃、室內(nèi)溫度20℃時(shí)農(nóng)宅能耗為61W/m2，查表可得農(nóng)宅所在地區(qū)室外計(jì)算溫度為-8℃，因此，首先基于實(shí)測的農(nóng)宅建筑參數(shù)，運(yùn)用TRNSYS軟件建立了農(nóng)宅熱負(fù)荷計(jì)算模型［2］。

根據(jù)校正后的農(nóng)宅采暖能耗計(jì)算模型仿真，得到該地區(qū)計(jì)算溫度情況下建筑能耗為65.4W/m2，而建筑采暖節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)為35W/m2，可見該農(nóng)宅采暖能耗超出節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)86.9%，是造成農(nóng)宅空氣源供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用過高的主要原因之一［3］。

2.2 熱泵運(yùn)行性能分析

為揭示農(nóng)宅熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較高的內(nèi)在原因，對某農(nóng)宅熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤測試。熱泵運(yùn)行性能方面，實(shí)測了2 種室外溫度、3 種回水溫度工況下的室內(nèi)溫度及電耗情況，兩種室外溫度情況下各觀測5d的運(yùn)行數(shù)據(jù)并取均值，結(jié)果見表1。

表1 不同運(yùn)行方式電耗對比

根據(jù)日電耗、機(jī)組停運(yùn)時(shí)間占比、農(nóng)宅采暖能耗及循環(huán)泵參數(shù)，對空氣源熱泵機(jī)組實(shí)際COP進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

其中，Qr、Qn、P、tl分別為熱泵系統(tǒng)日電耗、農(nóng)宅采暖能耗、循環(huán)泵功率及熱泵日停機(jī)時(shí)間。

與市場主流空氣源熱泵性能比較，發(fā)現(xiàn)該農(nóng)宅采用的熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

根據(jù)空氣源熱泵運(yùn)行能效及農(nóng)宅制熱能耗數(shù)據(jù)，基于TRNSYS 軟件，建立了農(nóng)宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型，包括空氣源熱泵模塊、循環(huán)水泵模塊、負(fù)荷載入模塊、控制系統(tǒng)、水箱及數(shù)據(jù)讀取模塊（見圖2）。

圖2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型

基于實(shí)測的空氣源系統(tǒng)供暖運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對比不同回水溫度時(shí)熱泵停運(yùn)時(shí)間占比及日電耗，對該TRNSYS 模型進(jìn)行驗(yàn)證。其中，當(dāng)熱泵回水溫度取不同設(shè)置時(shí)，實(shí)測對應(yīng)的室內(nèi)溫度，然后基于驗(yàn)證后的房屋能耗預(yù)測系統(tǒng)，得到不同室內(nèi)溫度對應(yīng)的供暖能耗。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

造成空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用較高的主要原因?yàn)椋海?）農(nóng)宅保溫性能差；（2）熱泵機(jī)組設(shè)定回水溫度不合理；（3）熱泵機(jī)組通過回水溫度控制啟停，控制方式單一。針對上述問題，本文提出以下優(yōu)化方法，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真分析［4］。

3.1 農(nóng)宅保溫優(yōu)化

基于建立并校正的農(nóng)宅能耗瞬態(tài)仿真模型，通過修改建筑參數(shù)，使農(nóng)宅墻壁換熱系數(shù)降低至1.5kJ/（m2·h·℃），使得房屋采暖計(jì)算能耗降低至45W/m2。

3.2 控制邏輯優(yōu)化

根據(jù)農(nóng)宅人員占用率實(shí)測數(shù)據(jù)，增加基于人員占用率及作息規(guī)律的控制邏輯，農(nóng)宅每01：00-06：00 及22：00-24：00，熱泵回水溫度設(shè)置為30℃；其他時(shí)段熱泵回水溫度設(shè)置為35℃［5］。

3.3 基于熱泵性能特性的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)

該地區(qū)冬季晝夜溫差較大，空氣源熱泵制熱性能受環(huán)境溫度影響明顯，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，熱泵制熱能效比明顯下降，且此時(shí)農(nóng)宅熱負(fù)荷較高，大大提高了熱泵供暖系統(tǒng)電耗。針對該問題，結(jié)合農(nóng)宅庭院面積較大的特點(diǎn)，設(shè)置地下儲(chǔ)熱裝置［6］。耦合儲(chǔ)能的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型示意如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后農(nóng)宅供暖系統(tǒng)示意

由圖3 可知，農(nóng)宅供暖系統(tǒng)主要包括空氣源熱泵與儲(chǔ)熱水箱，當(dāng)室外溫度較高時(shí)，農(nóng)宅熱負(fù)荷較低，且制熱能效比較高，此時(shí)，空氣源熱泵除直接向農(nóng)宅供暖外，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)熱；當(dāng)室外溫度降低后，空氣源熱泵停機(jī)，全部農(nóng)宅熱負(fù)荷由儲(chǔ)熱水箱滿足［7］。

經(jīng)過優(yōu)化，農(nóng)宅整體熱負(fù)荷大幅降低的同時(shí)，有效利用了空氣源熱泵制熱能效比較高時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)熱，從而避免了熱泵在低能效比工況下運(yùn)行，整個(gè)典型日可降低供暖電耗約23kW·h，農(nóng)宅供暖系統(tǒng)供暖季能耗整體降低約2340kW·h，有效降低農(nóng)宅供暖費(fèi)用1872元，實(shí)現(xiàn)農(nóng)宅清潔供暖節(jié)能32.5%。

4 結(jié)論

（1）基于TRNSYS 建立了農(nóng)宅熱負(fù)荷計(jì)算模型與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)模型，通過與運(yùn)行數(shù)據(jù)對比，誤差低于10%，能夠較準(zhǔn)確仿真農(nóng)宅供暖系統(tǒng)。

（2）農(nóng)宅保溫性能是供暖費(fèi)用過高的主要原因，設(shè)置保溫層，可有效降低農(nóng)宅熱負(fù)荷約31%。

（3）熱泵回水溫度對空氣源熱泵制熱能效比及熱泵停機(jī)時(shí)間占比影響較大，當(dāng)供回水溫度設(shè)置為40/35℃時(shí)，可在保證室內(nèi)溫度不低于20℃的同時(shí)，有效降低熱泵電耗。

（4）空氣源熱泵耦合儲(chǔ)能供能系統(tǒng)能夠有效利用空氣源熱泵高制熱能效比時(shí)段進(jìn)行儲(chǔ)能，有效降低農(nóng)宅供暖費(fèi)用1872元/a。