邯郸地区某空气源热泵供暖系统运行性能分析

熊楚超 罗景辉,2 王景刚 魏 莹 刘 欢 侯立泉

(1 河北工程大学能源与环境工程学院 邯郸 056038； 2 河北省暖通空调技术创新中心 邯郸 056038)

随着社会的快速发展，能源消耗和环境污染问题日趋严重，冬季清洁供暖逐渐成为大家关注的焦点[1]。近年来，随着低温空气源热泵技术的逐渐成熟，其在北方城镇地区供热中的应用范围得到了进一步扩大[2-3]。空气源热泵以空气作为低温热源，通过消耗少量电能驱动压缩机运转，实现从室外空气中提取热量，制取能满足供热需求的热水，具有节能、环保等优势[4-5]。在实际应用过程中，为分析空气源热泵的实际运行效果，相关研究人员进行了很多现场测试分析[6-7]，研究结果表明，空气-水空气源热泵供暖系统通常存在机组与末端不匹配、机组运行不佳等问题，系统节能潜力较大。为了降低空气源热泵的系统运行能耗，可通过加装水力平衡装置结合室温控制来实现按需供热，以达到节能目的[8]。此外也可以直接调整机组运行频率等参数[9-10]，优化系统运行策略来降低能耗。对于空气-水空气源热泵供暖系统而言，系统运行性能受到的影响因素较多，其中机组供回水温度对系统运行能耗影响较大[11-12]。

目前，对空气源热泵供暖系统采用分阶段和分时段变水温调节方式的现场实际运行效果以及节能性的相关研究较少。本文在2019—2020年供暖季，对邯郸地区某老旧小区空气源热泵供暖系统的运行情况进行了现场实测，根据113 天的测试数据，分析不同室外温湿度环境条件下，采用分阶段和分时段变水温调节方式时空气源热泵供暖系统的运行特性。

1 现场测试

1.1 系统概况

现场实测对象为邯郸市某老旧小区供热系统，该小区有11栋楼，总建筑面积为23 000 m2，原采用燃煤锅炉进行采暖。由于环保要求，需选用新的热源方式供暖。小区距离市区较远，接入市政热网费用和天然气成本太高，最终选用空气-水空气源热泵作为供暖热源。考虑建筑为老旧建筑和室外环境因素，设计面积热指标为55 W/m2，系统采用16台适用于环境温度为-15 ℃的空气源热泵机组，配置3台变频循环水泵，两用一备，单台额定流量200 m3/h，采暖末端包括散热器和地暖。由于该小区2018—2019年供暖季空气源热泵结霜较为严重，系统运行较差，在2019—2020年供暖季将其中8台热泵替换为适用于环境温度为-25 ℃的热泵机组。依据该小区供暖情况(实际供暖用户203户，供热率为59 %)，实际供暖负荷相比设计负荷较小，通常只需开启-25 ℃类型的8台空气源热泵机组，将此作为本次研究的主要测试对象。该类型机组主要参数为：低温制热量为89.5 kW，机组低温名义工况COP为2.66。该小区供热系统运行采用变水温调节方式，通过设定不同的回水温度值来控制机组的运行。以邯郸地区往年室外逐时温度气象参数为依据，将供暖期划分为5个阶段[13]，如图1所示。供暖前期Ⅰ和末期Ⅴ，室外温度较高，温度均值大于5 ℃；过度期Ⅱ、Ⅳ，室外温度均值在0～5 ℃之间；供热中期Ⅲ，室外温度均值低于0 ℃。整体上分阶段变水温运行，供暖水温设置趋势为从低到高再到低，并以室外相对湿度为依据，结合峰谷电价分时段变水温运行。

测试参数包括空气源热泵热水侧的供/回水温度及流量、室外环境的温湿度及设备能耗情况。在热水侧循环管路使用温度记录仪测量系统的供/回水温度，测量精度为±0.3 ℃，测量范围为-50 ℃/100 ℃；使用温湿度记录仪测量室外空气温湿度，测量精度分别为±0.3 ℃、±3%RH，测量范围分别为-35 ℃/80 ℃、0/100%RH，测试间隔为5 min。使用超声波流量计测量水流量，使用功率测量表测量机组和水泵功率，使用机械电表记录设备耗电参数，测量精度为±1%。

图1 不同阶段划分情况

1.2 参数计算

通过供/回水温度、系统水流量及设备耗电等参数的监测数据，对系统供热量和系统性能系数等参数进行计算分析。

1)系统供热量，按式(1)计算：

(1)

式中：QH为系统的供热量，kW·h；ρ为水的密度，kg /m3；cp为水的比热容，kJ/(kg·K)；V为系统循环体积流量，m3/h；tw1i和tw2i分别为i时刻供暖系统的供、回水温度，℃；Δτi为i次测试时间间隔，s；T为测试周期。

2)系统性能系数

热泵机组性能系数COP是从能量利用角度衡量其工作性能常用的评价指标。一般而言，当室外空气温度为0 ℃时，空气源热泵机组可以实现的转换效率达3.0。区别于机组性能系数，系统性能系数COP′需考虑水泵能耗对系统性能的影响，按式(2)进行计算：

(2)

式中：COPi′为第i时段供热的系统性能系数；NJi为第i时段热泵机组的耗电量，kW·h；Nsi第i时段循环水泵的耗电量，kW·h。

2 测试结果分析

2.1 测试工况分析

2.1.1 测试工况

图2所示为2019-11-24至2020-03-15测试期间，为期113天的室外温湿度变化情况。由图2可知，温度平均值为3.5 ℃，日平均温度波动范围为-3.6～17.2 ℃，日平均温度低于0 ℃的有23天，低于5 ℃的有82天；相对湿度平均值为64.7 %，日平均相对湿度波动范围为17.8 %～95.9 %，日平均相对湿度高于60 %的有69天，高于80 %的有33天。在测试期内，室外温度低于0 ℃时，容易伴随较高的相对湿度。从整体趋势来看，温度变化趋势与图1一致，湿度变化也有类似趋势。随着时间推移，室外温度后期有较为明显的上升趋势；相对湿度通常维持较高值，且波动幅度较大。

图2 室外日平均温湿度变化

图3所示为结霜工况分布，根据室外空气温度和相对湿度绘制。霜谱图分为结霜区、结露区和无霜区，结霜区根据结霜生长速率和不同的除霜时间又以可划分为5个区域[14-16]。将测试的2 703 h的室外气象参数绘制到结霜图谱中，得到邯郸地区结霜工况分布情况。由图3可知，邯郸地区空气源热泵结霜工况较多。测试期内65.8%的状态点均处于结霜区域，其中重霜区占26.7%，一般结霜区占29.8%，轻霜区占9.3%。处于无霜区内的状态点占20.1%，处于结露区的状态点占14.1%。

图3 结霜工况分布

2.1.2 典型工况运行特性分析

为了对比不同工况条件下系统运行特性，在测试期内对低温、高湿、变水温和对照工况4种条件下的运行情况进行测试，结霜工况分布如图3中①～④所示，每个工况参数值为测试当日18：00至次日08：00的连续测量数据，并从测试工况、供热量和COP′等方面进行分析，运行特性如图4和图5所示。

图4所示为工况1、2的运行特性。低温工况1(12月30日)位于无霜区，室外最低温度达到-9.4 ℃，相对湿度平均值为39.1%；高湿工况2(1月8日)位于重霜区，室外温度平均值为-0.9 ℃，相对湿度平均值为96%。工况1平均回水温度为40.5 ℃，供水温度为42.2 ℃；工况2平均回水温度39.1 ℃，供水温度41.1 ℃，两者供回水温差较小，温度变化趋势差别较大。工况1平均供热量为44 kW，工况2为48 kW，低温工况下制热量衰减大于高湿工况下制热量衰减。从性能系数来看，工况1平均COP′为1.53，工况2为1.56。结果表明，在低温工况和高湿工况条件下，相比机组名义工况下的运行性能均有较大衰减，系统运行效果较差。

图5所示为工况3、4的运行特性。分时段变水温工况3 (1月17日)位于重霜区，室外温度平均值为-0.8 ℃，相对湿度平均值为95.7 %；工况4 (2月1日)位于轻霜区，室外温度平均值为2.5 ℃，相对湿度平均值为49.4 %。考虑在湿度较高工况下供热量衰减较大，该小区结合邯郸地区供暖季每日19∶00至次日08∶00谷电，在20∶00—22∶00和06∶00—08∶00升高空气源热泵回水温度设定值[16-17]。根据测试数据可知，工况3平均回水温度为40.2 ℃，供水温度为42.5 ℃，平均供热量为50 kW，平均性能系数为1.58。与工况2相比，供水温度、供热量和COP′均有所提高。工况4的室外环境条件较好，其平均回水温度为40.1 ℃，供水温度为42.5 ℃。供热量和COP′均较高，平均供热量为60 kW，平均性能系数为2.37。对比上述4个工况，高湿环境机组容易结霜、低温环境制热量不足等均影响空气源热泵机组运行。对于邯郸地区，室外环境低温工况较少，高湿结霜工况相对较多。在室外湿度较高、室外温度较低时，可采用分时段升高水温的调节方式来满足用户供暖需求。

图4 低温与高湿工况运行特性

图5 变水温工况系统运行特性

2.2 测试期系统整体运行情况

对于测试期供热系统整体运行情况的分析，将从系统水温变化和系统供热性能等方面进行。描述了环境条件、供/回水温度、运行时间和结霜情况，分析了分阶段运行和分时段运行时系统的运行特性。整体运行情况如图6～图8所示。

2.2.1 系统分阶段运行性能

图6 各阶段空气源热泵运行情况

图6所示为各阶段内空气源热泵供/回水温度、运行时间及结霜工况的变化情况。整个测试期内，供水平均温度为40.2 ℃，回水平均温度为38.2 ℃。由图6中水温逐时变化情况可知，分阶段水温调节模式下，第Ⅰ～Ⅴ阶段的供/回水温度均值分别为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阶段水温均值达到最高值，对应阶段结霜工况占比较大；第Ⅴ阶段水温均值达到最低值。不同阶段的水温均值可作为每个阶段水温调节的参考值。此外，空气源热泵供热系统日运行时间平均值为14.2 h，其变化趋势与回水温度变化趋势一致，在第Ⅲ阶段系统运行时间均值达到16.2 h，在供热初期Ⅰ和末期Ⅴ，机组水温设置较低，系统运行时间较少。

图7所示为测试期内系统制热量、开启时间和性能系数随室外温湿度的变化。由图7可知，室外温度工况在-2～4 ℃时较为集中，而相对湿度在40%～90%工况分布较为均匀。由于该小区供热系统运行时采用了水温调节措施，随着环境温度的升高，系统供热量、开启时间呈下降趋势，系统性能系数呈上升趋势。随着环境湿度的升高，系统供热量、开启时间呈上升趋势，系统性能系数呈下降趋势。测试结果表明，采取分阶段水温调节后，室外温度较高、相对湿度较低的工况时间的系统能耗得到降低。

图7 供热量、运行时间和性能系数随环境温湿度的变化

2.2.2 系统分时段运行性能

图8所示为测试期内日平均制热量、耗电量和COP′的变化。该小区供热系统包括两排空气源热泵，可实现分排控制，在设备出现故障和制热量不足时才全部开启，其余时间只开启适用于环境温度为-25 ℃的机组，考虑机组关闭时的散热和防冻需求，不开启的机组采取调小阀门开度等措施。由图8可知，日供热量平均值为12.454 MW，变化范围为3.682～17.157 MW，单位建筑面积耗热量平均值为45 W/m2。日耗电量平均值为6.492 MW，变化范围为1.2～10 MW；日平均COP′均值为2.04，变化范围为1.2～3.4。在分阶段水温调节运行情况下，第Ⅰ～Ⅴ阶段平均COP′分别为2.05、1.63、1.76、2.17、2.51。结合图2和图6可知，第Ⅱ阶段设置水温相对较低，随着相对湿度的变化，空气源热泵的COP′变化较为明显，对系统性能产生了较大影响。供暖中期室外环境温度较低，为了满足用户供暖需求，供暖水温通常需设置较高。当室外相对湿度变化较大时，热泵机组的运行效果较差，此时采用分时段变水温调节模式，即通过部分时间升高水温满足供暖需求。测试期间，第Ⅱ阶段未采用分时段调节措施，第Ⅲ阶段在湿度较大时采用了调节措施，从两阶段的COP′来看，由1.63提高至第Ⅲ阶段的1.76，提高了8%。

图8 系统日供热量、耗电量和性能系数的变化

3 结论

通过对邯郸地区某老旧小区空气源热泵供热系统的现场实测分析，得到分阶段和分时段变水温下空气源热泵供暖系统的实际运行性能。得到如下结论：

1)测试期内，该系统日平均供热量为12.454 MW，系统日平均COP′为2.04。供暖期不同阶段采用不同的回水温度参数值进行调节，可较好降低供热需求较少时间的系统运行能耗，特别是对于供暖前期和供暖末期。

2)对于邯郸地区而言，除低温环境对热泵运行影响较大外，室外相对湿度较大且容易波动，也容易导致空气源热泵的运行效果不佳、供热量不足。在高湿环境条件下，采用分时段变水温调节策略优于定水温度调节策略。在分阶段水温调节的基础上，依据室外空气相对湿度分时段调节水温的模式下，第Ⅱ阶段的COP′由1.63升至第Ⅲ阶段的1.76，提高了8%，系统运行效果得到了改善。