低环境温度空气源热泵在寒冷地区的供暖效果

王伟洁， 杨 丽、2， 王晓伟, 王宗伟

(1.山东建筑大学 热能工程学院， 山东 济南 250101； 2.贝莱特空调有限公司，山东 德州 253500; 3.长安大学 地球科学与资源学院， 陕西 西安 710000)

1 概述

由于常规空气源热泵应用于低温环境存在很大局限性，因此国内相关学者对适用于低温环境的空气源热泵展开了多方面研究[1-6]，但是缺乏相关应用经验。本文结合实际工程，对低环境温度空气源热泵在寒冷地区的供暖效果进行实测分析。

2 工程概况

泰安市1幢住宅楼总供暖面积约5 570 m2，室内采用地面辐射供暖系统。围护结构的做法及传热系数见表1。建筑物各朝向的窗墙比为：东向为0.14，西向为0.12，南向为0.52，北向为0.47。供暖室外计算温度为-6.7 ℃，供暖室内设计温度为18 ℃。考虑建筑围护结构传热量、冷风渗透量，建筑设计热负荷为132.9 kW，考虑管道热损失，设计热负荷取140 kW。

表1 围护结构的做法及传热系数

3 设备选型与系统流程

低环境温度空气源热泵采用喷气增焓式空气源热泵。喷气增焓式空气源热泵可在蒸发温度为-30 ℃的工况运行，并提供有效的供暖热水[7]。

该工程选用2台额定制热量为88 kW的低环境温度空气源热泵机组，额定输入电功率为29.3 kW，设计进、出水温度为40、45 ℃。一级侧循环泵配置2台，采取1机配1泵的原则，单台质量流量为18 t/h，扬程为20 m，电机额定输入电功率为2.2 kW。二级侧循环泵配置1台，考虑管道沿程及局部阻力、最不利用户室内系统阻力、建筑高程，二级循环泵的质量流量为35 t/h，扬程为61.5 m，电机额定输入电功率为10.85 kW。水箱容积选取为20 m3。

供暖系统流程见图1。机房设在建筑一层地面，循环泵安装在机房内，热泵机组安装在机房外。两台热泵机组并联运行，热泵机组出水经一级循环泵加压后进入水箱上部。水箱上部的高温热水经二级循环泵进入建筑室内供暖系统供暖，放热后的低温热水回到水箱底部，然后进入热泵机组继续被加热。

图1 供暖系统流程

4 评价指标与测量方案

① 评价指标

评价指标除热泵机组出水温度外，还有热泵机组制热性能系数。

热泵机组制热性能系数ICOP的计算式为：

Q=cpqρt(θs-θr)

式中ICOP——制热性能系数

Q——制热量，kW·h

E——热泵机组耗电量，kW·h

cp——水的比定压热容，kJ/(kg·K)，本文取4.18 kJ/(kg·K)

q——计算时间内一级管网平均流量，m3/s

ρ——热水密度，kg/m3，本文取992 kg/m3

t——计算时间，h

θs——计算时间内热泵机组平均出水温度，℃

θr——计算时间内热泵机组平均进水温度，℃

② 测量方案

测试期为2018年11月15日—2019年3月15日的供暖期，测试内容主要包括室外温度、热泵机组进出水温度、一级管网流量、热泵机组耗电量。测量装置的测量范围、测量对象见表2。除热泵机组耗电量读取记录时间间隔为1 h外，其他参数读取记录时间间隔为10 min。

表2 测量装置的测量范围、测量对象

5 测量结果与分析

在供暖期的前期、中期分别选取1日作为典型日，分析低温空气源热泵在寒冷地区的供暖效果。各典型日的室外温度见表3。

表3 各典型日的室外温度

5.1 热泵机组出水温度

① 典型日1

典型日1室外温度、热泵机组进出水温度随时间的变化见图2。由图2可知，典型日1的室外温度范围为-5～0 ℃。热泵机组出水温度平稳，最高出水温度为41.9 ℃，最低出水温度为40.7 ℃，平均出水温度为41.2 ℃。

图2 典型日1室外温度、热泵机组进出水温度随时间的变化

② 典型日2

典型日2室外温度、热泵机组进出水温度随时间的变化见图3。由图3可知，典型日2室外温度比较低(变化范围为-11.4～-3.9 ℃)，热泵机组出水温度仅随室外温度的降低出现了小幅下降。热泵机组最高出水温度为37.4 ℃，最低出水温度为36.4 ℃，平均出水温度为37.1 ℃，虽然整体低于室外温度比较高的典型日1，但总体保持平稳。基本符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第5.4.1条的规定(热水地面辐射供暖系统供水温度宜采用35～45 ℃，不应大于60 ℃)。

图3 典型日2室外温度、热泵机组进出水温度随时间的变化

5.2 制热性能系数

典型日热泵机组制热性能系数见表4。由表4可知，供暖中期热泵机组制热性能系数低于供暖初期，说明室外空气温度是低环境温度空气源热泵性能主要影响因素之一。在室外温度比较高的供暖初期，热泵机组平均制热性能系数超过3.0。在室外温度比较低的供暖中期，热泵机组平均制热性能系数接近3.0，说明低环境温度空气源热泵性能满足寒冷地区供暖要求。

表4 典型日热泵机组制热性能系数

6 结论

① 供暖初期典型日，室外温度范围为-5～0 ℃，热泵机组出水温度平稳，平均出水温度为41.2 ℃。供暖中期典型日，室外温度比较低(变化范围为-11.4～-3.9 ℃)，热泵机组出水温度仅随室外温度的降低出现了小幅下降，平均出水温度为37.1 ℃，总体保持平稳。符合GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第5.4.1条的规定(热水地面辐射供暖系统供水温度宜采用35～45 ℃，不应大于60 ℃)。

② 供暖中期的热泵机组制热性能系数低于供暖初期。在供暖初期，热泵机组平均制热性能系数超过3.0。在供暖中期，热泵机组平均制热性能系数接近3.0。

③ 室外空气温度是低环境温度空气源热泵性能的主要影响因素之一，低环境温度空气源热泵性能满足寒冷地区供暖要求。