空气源热泵空调系统全年性能实验研究

王晓洪，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

空气源热泵空调系统全年性能实验研究

王晓洪*，翟晓强

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

本文对上海某小型办公建筑空气源热泵空调系统制冷及制热工况全年性能进行了实验研究，研究结果表明，空气源热泵空调系统在夏热冬冷地区能够满足建筑的制冷及制热需求，为建筑提供全年均匀稳定的热环境。同时，该空气源热泵空调系统可以根据建筑的冷/热负荷调节其制冷量以及制热量；在制冷工况下，室外温度越高其制冷量越大；在制热工况下，室外温度越低其制热量越大。此外，本文还提出了一种以循环效率-机组负载率曲线来表征系统运行性能的方法，该方法可以方便直观地表现热泵机组在变工况、变负荷情形下的性能变化特性。

空气源热泵；部分负荷性能；循环效率；室内热环境

0　引言

建筑是人类生活工作的场所，随着生活水平的提高，人们越来越重视室内环境的舒适性，越来越多的建筑安装了空调系统，因此，空调系统能耗在建筑总能耗中所占的比重越来越大。在各种类型的空调系统中，热泵机组凭借其高能效比和既能够制冷又能够制热的特点，广受关注，比如地源热泵、水源热泵、空气源热泵等。其中，空气源热泵机组因其适应性强、安装方便的优势，成为了当下运用最为广泛的一种空调形式，是研究的重点[1-3]。

在空气源热泵的研究方面，一些学者将研究重点放在研究空气源热泵机组本身性能，研究机组的节能潜力，并提出新的能量利用方式及除霜方式，以增强热泵机组的环境适应性。钱付平等[4]分析了空气源热泵的能耗分布，提出了强化传热措施，提高传热系数，减小传热温差的方式是系统节能优化；BYRNE等[5]对空气源热泵系统进行了模拟仿真，通过频繁的交替运行空气蒸发器和水蒸发器来减少热泵的空气-水换热损失；安青松等[6]在分析热泵压缩机热力学性能的基础上,得出了压缩机适合的最低工作温度，建立了以经济性为目标的最低温度模型

1　实验系统介绍

表1　设备参数表

表2　传感器精度

2　数据处理方法

为了使系统性能变得更为直观且易于评价，本文对测试系统记录的数据进行分析处理，处理方法如下。

逐日室外温度：将室外温度传感器采集到的夏季3个月的数据中，每日的空调系统运行时段内的数据各自作算术平均，以获得逐日室外温度。

逐日室内平均温湿度：取室内各个传感器的逐日室内温湿度的平均值，以获得逐日室内平均温湿度。

机组制冷量Q：由于数据采集间隔为5 min/个，假设系统各项参数在此5 min内变化可以忽略不计，则通过式(1)可以得到水系统与空气源热泵机组这5 min内总的换热量。

式中：

qm——总水管流量，kg/s；

ΔT——机组供回水温差，℃；

C——水的比热容，kJ/(kg·℃)，计算时取4,200。

对全天机组运行全时段内的换热量进行叠加，可以等效得到机组在当日运行时段的总制冷量Q。

最后通过式(2)可以得到，系统COP：

式中：

WAHU——新风机组能耗，kWh；

WFCU——风机盘管末端能耗，kWh；

Wpump——水泵能耗，kWh。

3　实验结果与分析

3.1制冷工况空调系统运行性能

图2与图3分别为夏季制冷工况下空调系统COP变化图和室内平均温湿度变化图。从图中可以看出，夏季室外温度最低为20.4℃，最高达到了38.9℃。在整个夏季的室外温度范围变化较大的情况下，室内平均温度围绕着室内温度设定点（24℃）呈现小范围波动，波动范围小于1℃。由此可以得出，空气源热泵空调系统可以为室内提供稳定的热环境。除此以外，该系统对于室内相对湿度进行了有效控制。从图2可以看到，在这3个月的实验中，室内平均相对湿度被控制在57.97%～77.07%，满足GB/T 18883《室内空气质量标准》[11]对于室内相对湿度应处于40%～80%的舒适性的要求。

从图中还可以看出，空调系统的COP在这3个月里并不是固定不变的值。根据计算，整个夏季制冷工况下，该系统的最高COP达到了3.08。为了综合判断该系统在整个夏季制冷工况下的制冷性能，这里引入季节能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），它表示在正常的供冷期间，空调器在特定地区的总制冷量与总耗电量之比。最后计算得出该空调系统的SEER为2.13。

图2　夏季室外温度与系统COP变化

图3　夏季室内平均温湿度变化

3.2制热工况热泵空调系统运行性能

热泵系统的优势在于可以同时满足夏季制冷、冬季制热的需求，所以，制热工况下空调系统的运行性能十分重要。

图4及图5分别为冬季制热工况下空调系统COP和室内平均温湿度变化图。从图中可以看出，在冬季室外温度变化范围为-2.5℃～20.2℃的情况下，室内平均温度为19.5℃～24.4℃，室内平均相对湿度被控制在23.78%～76.76%。根据GB/T 18883的要求，冬季室内温度宜在16℃～24℃范围内，相对湿度为30%～60%。也就是说，空气源热泵空调系统可以满足建筑冬季制热需求，同时，室内相对湿度大部分情况下也是满足舒适性要求的。

图4　冬季室外温度与系统COP变化

图5　冬季室内平均温湿度变化

从图中还可以得到，整个冬季制热工况下，该系统的最高COP达到了3.06。结合SEER最后计算得出该空调系统的全年能源消耗率（Annual Performance Factor，APF）为2.05。因此，在上海地区选用空气源热泵空调系统作为建筑的室内空气调节设备，为建筑全年提供舒适的室内环境，是切实可行的。

3.3热泵空调系统运行性能影响因素

空气源热泵空调系统可以满足建筑全年制冷及采暖需求，但是，从前面的分析中可以看出，系统性能并非一成不变。影响系统性能变化的因素有很多，例如：室外温湿度、供水温度、制冷（制热）负荷变化等。其中，室外温度为影响系统性能变化的最主要因素。

卵巢癌是女性生殖系统常见肿瘤，因发现症状时多数病例已是晚期，其病死率居妇科恶性肿瘤之首[7]。2011年美国癌症协会发布的全球肿瘤报告显示仅2008年全球新发卵巢癌225 500例，其中140 200例死亡[8]。由此可见提高卵巢癌的早期诊断，对卵巢癌的治疗处理和预后极为重要。

室外温度对于系统性能变化的影响体现在两个方面，一个方面为直接影响，另一个方面则为间接影响。

直接影响体现在室外温度对于系统COP的影响。在制冷工况下，室外空气温度为空气源热泵的热源温度。较低的室外空气温度意味着比较好的制冷工况，有利于系统COP的提高，而过高的室外温度则意味着较差的制冷工况，会大大降低系统COP。根据逆卡诺循环原理，假设空调系统供水温度恒为7℃，并且热泵机组的制冷性能不会随着室外温度而变化，则在室外空气温度为30℃的基础上，室外温度增加一度，空调系统的COP便会下降4%。制热工况则相反，较低的室外温度意味着较差的制热工况。

间接影响则体现在室外温度对于室内负荷的影响。夏季，随着室外温度的升高，空调系统需要制造更多的冷量以满足随室外温度增加而增加的室内冷负荷，对于本实验用建筑，室外温度的升高对于室内冷负荷的增加起着最主要的作用。冬季则相反，室外温度越低，所需要的制热量越高。

图6与图7分别为不同室外温度条件下的系统制冷量/制热量，图中可以看出，引起系统制冷量/制热量变化的主要因素为室外温度变化。

图6　夏季室外温度与空调系统制冷量

图7　冬季室外温度与空调系统制热量

如图所示，空调系统的制冷量随室外温度的变化而变化，当室外温度比较低的时候，空调系统制冷量最低只有3.5 kW，随着室外温度的升高，空调系统制冷量最高达到了34.07 kW；系统制热量在室外温度最高时达到了最低，为5.43 kW，随着室外温度下降，制热量最高达到了23.8 kW。由于热泵机组在不同负荷率的工况下运行性能是不一样的，因此，室外温度变化导致的系统负荷变化，将引起空调系统性能的改变。

3.4变工况下热泵空调系统性能曲线

由于在实际工程中，建筑负荷不是一个定值，而是如上面分析一样，随着环境变化而变化，因此，部分负荷性能是评价空调系统性能是否高效的标准之一。其中，热泵机组的部分负荷性能最受关注。

目前广泛采用的是热泵机组部分负荷性能评价指标IPLV，其计算公式如式(3)：

A——冷水机组在100%负荷下的COP/EER；

B——冷水机组在75%负荷下的COP/EER；

C——冷水机组在50%负荷下的COP/EER；

D——冷水机组在25%负荷下的COP/EER；

a、b、c、d——权重系数，通常，a取2.3%，b取41.5%，c取46.1%，d取10.1%。

通过该公式计算得出的IPLV值，可以简单直观地体现热泵机组的部分负荷性能，方便用户等非专业人员判断空调是否高效节能。然而，对于专业设计选型及研究人员，该值仅能作为初步判断的依据。在实际工程中，不同类型和用途的建筑负荷变化情况具有很大差别，因此需要更为详实的热泵机组部分负荷性能曲线。

部分负荷率的定义为：机组实际制冷量与机组在相同工况条件下的最大制冷量的比值。按照此定义，一条部分负荷性能曲线仅能表达机组在一种运行工况下的性能变化。然而，实际工程中，空调系统是在变工况情形下运行的，因此，本文提出循环效率-机组负载率曲线，以方便直观地表现热泵机组在变工况、变负荷情形下的性能变化特性。

假设：1）影响机组性能的因素主要为室外温度、供水温度和热泵机组变负载率性能；2）热泵机组最大功率为定值，不随运行环境变化而改变。

根据以上假设，计算热泵机组的循环效率η，用以表征热泵机组制冷循环的热力学完善度，可通过式(4)得到：

其中COPe为机组在相同冷热源温度情况下的逆卡诺循环效率，计算方法见式(5)：

式中：

Ts——热泵机组供水温度，K；

To——室外温度,K。

热泵机组负载率ηp由式(6)得出：

式中：

Pa——热泵机组实际功率，kW；

Pm——热泵机组最大功率，kW。

最终，可以得到如图8所示的热泵机组循环效率在不同负载率下的分布图及分布规律拟合曲线。从图中可以看到，热泵机组制冷循环效率与负载率之间存在一一对应的关系，随着机组负载率的上升，热泵机组制冷循环效率呈规律性变化。也就是说，用机组循环效率-负载率曲线来表达热泵机组在变工况、变负荷情形下的性能变化特性的方案是切实可行的。

图8　热泵机组制冷循环效率与负载率

通过拟合曲线，在已知室外温度、供水温度及机组制冷量的情况下，研究设计人员可以方便地计算得到热泵机组在不同制冷工况和负荷情况下的制冷性能，从而对建筑空调系统提出优化设计。同时，由于使用循环效率作为机组性能评价标准，便于直接比较不同种类空调主机的制冷性能。

3.5运行能耗分析

分析优化热泵机组的性能，对于建筑节能有着重要的意义。在建筑能耗中，空调系统能耗占绝大部分，其中，空调主机占比最大。选取典型日数据进行分析说明。当天，空调系统工作时间为7:30～18:00，室外最高温度为36℃。通过整理计算可以得到当日空调系统及建筑各部分的能耗，表3为建筑能耗与空调能耗，图9为当日建筑能耗占比图。从中可以看到，在系统运行时间段内，空调系统能耗为103.63 kW·h，占了建筑能耗的48%，若除去通讯机房能耗，则空调系统的能耗占比达到了69.6%。通过观察空调系统全年运行的数据可以发现，空调系统的平均能耗为82.32 kW·h，相比于建筑的平均能耗，其占比为43.5%；空调系统能耗在建筑能耗中的比重最高的时候达到了80.8%，最小是19%。由此可见，如果想要减小建筑能耗，节约用电，减少空调系统能耗是最为值得考虑和研究的方面。

图9　建筑能耗占比图

表3　建筑能耗与空调能耗

空调系统的能耗由变水流量热泵机组（VWV）能耗、水泵能耗、新风机组（AHU）能耗与室内空调末端风机盘管机组（FCU）能耗4部分组成，从图中可以看到，热泵机组能耗为空调系统能耗的主要部分，占了建筑总能耗的27%，其次是水泵能耗和新风机组能耗，分别占了9%和11%，最低的为室内末端能耗。因此，要想降低空调系统能耗，最有效的就是提高热泵机组本身的制冷性能，或降低热泵机组能耗，减少热泵机组需要制造的冷量，节约用电。

4　结论

1）空气源热泵空调系统能够满足建筑夏季制冷及冬季制热需求，并且室内温度及相对湿度满足舒适性要求；

2）系统季节能效比SEER为2.13，全年能源消耗率APF为2.05，在上海地区选用空气源热泵空调系统为建筑全年提供舒适的室内环境，是切实可行的；

3）本文使用循环效率-机组负载率曲线来表达热泵机组在变工况、变负荷情形下的性能变化特性的方法，可以方便地计算得到热泵机组在不同制冷工况和负荷情况下的制冷性能，有助于建筑空调系统的优化设计；

4）热泵空调系统的平均能耗为82.32 kW·h，占建筑夏季平均能耗的43.5%，其中，热泵机组能耗最大，其次为新风机组，减少系统能耗应当优先从这两方面入手。

[1] LI X Y,NI L,LAU S K,et al. Performance analysis of a multi-functional Heat pump system in heating mode[J]. Applied Thermal Engineering,2013,51(1/2): 698-710.

[2] MARINI D. Optimization of HVAC systems for distributed generation as a function of different types of heat sources and climatic conditions[J]. Applied Energy,2013,102(1): 813-826.

[3] 王如竹,张川,翟晓强. 关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考[J]. 制冷技术,2014,34(1): 32-41.

[4] 钱付平,范树华,张吉光. 空气源热泵空调系统节能分析[J]. 能源研究与信息,2004,20(1): 23-27.

[5] BYRNE P,MIRIEL J,LENAT Y. Experimental study of an air-source heat pump for simultaneous heating and cooling – Part 1: Basic concepts and performance verification[J]. Applied Energy,2011,88(1): 1841-1847.

[6] 安青松,马一太. 空气源热泵系统最低工作温度的研究[J]. 暖通空调,2007,37(11): 49-52.

[7] 张晓林,翟晓强,徐鹏飞. 基于TRNSYS 的空气源热泵空调系统仿真研究[J]. 制冷技术,2015,35(6): 31-36.

[8] 范晨,梁彩华,江楚遥,等. 空气源热泵结霜/除霜特性的数值模拟[J]. 制冷技术,2014,34(1): 18-25.

[9] SONG M J,XU X G,DENG S M,et al. An Experimental Study on Performance During Reverse Cycle Defrosting of an Air Source Heat Pump with a Horizontal Threecircuit Outdoor Coil[J]. Energy Procedia,2014,61: 92-95.

[10] SAFA A A,FUNG A S,KUMAR R. Performance of two-stage variable capacity air source heat pump: Field performance results and TRNSYS simulation[J]. Energy and Buildings,2015,94 (1): 80-90

[11] JENKINS D,TUCKER R,AHADZI M,et al. The performance of air-source heat pumps in current and future offices[J]. Energy and Buildings,2008,40(10): 1901-1910.

[12] 曾传章,吴锦京,魏新利. 空气源热泵直接地板辐射采暖系统实验研究及热力性能分析[J]. 太阳能学报,2011,32(8): 1151-1157.

[13] 张川,陈金峰,王如竹. 上海地区空气源热泵结合小温差换热风机盘管末端的供暖空调系统性能的实验研究[J]. 制冷技术,2014,34(1): 1-5.

[14] 吴静怡,江明旒,王如竹,等. 空气源热泵热水机组全年综合能效评定[J]. 制冷学报,2009,30(5): 14-18.

[15] 王晓东,张晨阳,张哲,等. 空气源热泵性能的实验研究[J]. 暖通空调,2014,44(5): 119-123.

[16] 浙江省建筑设计研究院. 办公建筑设计规: JGJ 67-2006[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2006: 18-19.

[17] 卫生部、国家环保总局. 室内空气质量标准: GB/T 18883-2002[S]. 北京: 中国标准出版社,2002: 2-3.

Experimental Study on Annual Performance of an Air-source Heat Pump Air Conditioning System

WANG Xiao-hong*,ZHAI Xiao-qiang
(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In this paper,the annual performance of an air-source heat pump air conditioning system in cooling and heating conditions is investigated in an office building in Shanghai. The results show that the air-source heat pump air conditioning system could satisfy the cooling and heating demand of the office building,and it could provide a uniform and stable indoor environment condition all year. Meanwhile,this system could adjust cooling/heating power with building load； the system can provide more cooling power at higher outdoor temperature in cooling conditions and more heating power at lower outdoor temperature in heating conditions. Moreover,a method is proposed to evaluate the system performance by cycle efficiency curve and load rate of heat pump,which can directly show the performance of heat pump under different conditions and loads.

Air-source heat pump； Part load performance； Cycle efficiency； Indoor environment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.101

*王晓洪（1992-），女，硕士在读。研究方向：建筑节能及空调系统。联系地址：上海市东川路800号上海交通大学制冷与低温研究所，邮编：200240。联系电话：15000378461。Email：xhwang06@126.com。