空气源热泵供热案例调节策略分析

张 龙，赵 哲

(宝鸡市热力有限责任公司，陕西 宝鸡 721000)

1 引言

现如今“煤改气、煤改电”已成为推进我国北方地区清洁供热的重要方式。天然气作为主要清洁能源被广泛使用，然而，随着天然气供热面积的急剧增加，燃气用量大幅增长，继而出现燃气管网中燃气量不足，燃气压力低等现象，致使燃气锅炉因上述原因无法启动，严重影响供热质量，尤其在严寒期间更加凸显此问题。相比“煤改电”的项目优势更加明显，无任何空气污染，利用热泵技术[1～3]、蓄热技术与谷电政策结合[4～7]，使得空气源热泵供热得到发展[8～10]。笔者对位于宝鸡市郊区的某独栋办公楼使用空气源热泵供热进行了实测，测得系统供热量、耗电量，对热泵机组的运行状况及调节方式进行了分析，提出了进一步的改进方向。

2 测试对象及供热供冷系统

2.1 测试对象

测试对象位于宝鸡市郊区渭河河谷旷野地带的某独立办公楼，供热面积5000 m2。室外空气平均温度相比市区低1～3 ℃，室外空气风速明显大于市区。

宝鸡市属于我国热工分区图上寒冷地区，供热期从11月15日至次年3月15日。图1的办公楼为独立建筑，钢筋混凝土框架结构，南北外围护结构立面为玻璃幕墙，东西立面为干挂石材，玻璃幕墙的保温隔热及外墙保温材料均符合设计图纸要求，办公楼外围护结构立面如图1所示。

2.2 供热供冷系统

供热热源使用4台超低温空气源热泵机组，配套的循环水泵、水箱、软水设备、配电柜等均架设于该五层办公楼通风良好的楼顶，热泵机组直接供热，且可变负荷自动调节运行，循环水泵可实现变频控制，高位水箱高出系统最高点3 m，定压补水点位于循环水泵吸入口处，室内的供冷末端为风机盘管+新风系统，供热末端为低温热水地板辐射系统。

图1 办公楼南立面外围护结构

冬季供热系统单位建筑面积热指标80 W/m2，总热负荷400 kW，设计供水温度45 ℃，回水温度35 ℃；夏季空调系统单位建筑面积冷指标100 W/m2，总冷负荷500 kW，夏季冷冻水设计供水温度7 ℃，回水温度13 ℃。原设计图纸中冷热源选用土壤源热泵空调一体机，由于冷热源设备投资及打井占地面积等原因，冷热源最终确定为四台超低温空气源热泵机组，实现冬季供热及夏季供冷。单台热泵机组名义制热量155 kW，制热功率45 kW，名义制冷量132 kW，制冷功率46.4 kW，选用两台循环水泵，一用一备，单台水泵额定流量93.5 m3/h，额定扬程28 m，配用电机功率11 kW。

3 供热运行调节策略

2020～2021年采暖期宝鸡市冬季室外气候较往年有所不同：供热初期室外空气平均温度较往年同期偏低，而供热中期及末期较往年同期偏高，且整个采暖期雨雪天气较少。

3.1 供热初期调节策略

该办公楼夜间无用热需求，供热初期运行调节策略为回水温度控制+分时段的间歇供热。具体调节策略为控制回水温度为38 ℃，08:00～18:00热泵机组运行，其余时间段热泵机组停机，循环水泵始终运行。由于供热初期室外空气温度较低，办公楼围护结构耗热量增加，而空气源热泵机组的制热量则降低，供热初期四台热泵机组接近满负荷运行，实测供水温度可达到41～43 ℃，系统供回水温差3～5 ℃，昼间室内温度可达到18 ℃及以上。由于夜间所有热泵机组停机，08:00启动后办公楼室温升温慢，至11:00室温升至18 ℃，证明此运行调节策略不妥，说明在清晨室外空气温度低、相对湿度大的气候条件下及建筑围护结构热惰性小、传热系数大的工况下，办公楼围护结构耗热量大，所需热负荷大，而此时热泵机组的制热能力降低，导致了室内温度升温过程缓慢。在分时段间歇供热的运行调节下，热泵机组开启时间晚，机组频繁结露化霜，室内温度升温慢，由于目前还未实现热泵机组及循环水泵的远程控制，因此，将运行调节策略改为回水温度控制的连续供热。采用便携式超声波流量计对热泵机组流量进行测量，计算出机组平均制热性能系数。

供热初期室外温度较低，设定系统回水温度38 ℃，在4台热泵机组近满负荷不间断运行和循环水泵工频运行的工况下，空气源热泵机组平均制热性能系数COP在1.8～2.2之间。

3.2 供热中、末期调节策略

该地区供热中、末期的室外空气平均温度较往年同期偏高，其运行调节策略为回水温度控制的连续供热，与初期不同的是，在保证满足室内温度18 ℃及以上的前提下，控制热泵机组回水温度由38 ℃降至30～33 ℃，此时热泵机组有规律启停，如图2所示。在供热中、末期，回水控制温度为38 ℃，热泵机组出厂的启动温差默认为2 ℃(机组启动温差为设定的回水控制温度减机组启动时的回水温度)的工况下，热泵机组平均开机运行时间和停机时间在20min左右，热泵机组频繁启停，严重影响压缩机使用寿命，而将启动温差升至3 ℃或4 ℃，可明显延长热泵机组运行和停机时间，避免压缩机频繁启停。随着室外空气温度升高，办公楼围护结构耗热量减小，所需热负荷减小，空气源热泵机组制热能力提高，在较大启动温差下，热泵机组的停机时间增加，运行时间大幅缩短，耗电量较供热初期显著减少，节电比例大于20%。

供热中、末期室外温度较高，在设定系统回水温度30～33 ℃，两台热泵机组满负荷或部分负荷运行，循环水泵变频运行的工况下，估算空气源热泵机组平均制热性能系数COP在2.5～3.5之间。

4 改进措施及方向

待运行期结束后对该办公楼空气源供热系统进行检修，包括供水总干管处安装热计量表，热泵机组入口管段安装电动平衡阀，室内分水器前安装过滤器，对热泵机组及循环水泵实现远程监控，根据室外空气温度、相对湿度等气候条件，及时远程调节热泵机组及循环水泵的运行参数，实现按需供热。

在系统主干管安装热计量表可减小便携式超声波流量计的测量误差，更准确计算出热泵机组实际运行工况下的制热、制冷性能系数。目前系统只是在循环水泵入口安装Y型过滤器，由于该过滤器过滤面积小，纱网孔径大，不能有效阻挡水中杂质，水流速度快，不能使水中空气分离出来，待运行结束后更换为直通式或立式除污器。目前室内分水器前未安装过滤器，导致个别环路水流通不畅，个别办公室室温不达标，后续将冲洗不热环路，并安装过滤器，后续对热泵机组的进水管段处安装电动关断阀，并实现远程控制其启闭，由于现场未安装关断阀，多台热泵机组并联运行，当其中一台或几台机组停机后，循环水仍通过已停机的机组，使得供水总管的实际供水温度低于运行机组的出水温度，安装电动关断阀可关断已停热泵机组的旁路，系统总流量略有减小，流过开启的热泵机组流量增加，供回水温差减小，供水温度减小，热泵机组的制热性能系数提高。

参考今冬采暖季的测试数据，由室外空气温度、相对湿度等气候条件，计算出不同室外平均温度下对应的该办公楼实际所需供热量，绘制运行调节表，后续将制定更合理的供热运行调节方案，如非办公时间段室内只需满足值班供热温度5 ℃即可，提前提升室内温度，在保证室内办公人员热舒适度的前提下实现了节能降耗的目的。

5 结语

对该独立办公楼空气源热泵供热系统整个采暖季进行了测试分析，由图1和图2可知，受地域环境、室外温度波动、建筑围护结构材质的影响，空气源热泵机组的制热性能系数波动较明显，其中室外气候条件及建筑围护结构是影响热泵机组性能的主要因素。

图2 调整运行调节策略后的供回水温度曲线图

受办公楼围护结构的影响，采暖季期间每天8:00～10:00室内温度偏低，而13:00～16:00在太阳辐射作用下室内温度偏高，阳面整体室内温度不恒定，会产生不舒适感，因此单一的控制运行策略，不仅会降低办公人员的热舒适性，而且不能实现节能降耗的目的。

该系统循环水泵实际电耗功率仅占单台热泵机组的1/10，根据实际运行工况，适度增加循环水泵流量，不仅可以提高热泵机组的性能系数，也可以延长热泵机组的停机时间，减少机组启停次数，避免机组频繁启停，延长压缩机的使用寿命。

在满足该办公楼的室温要求的前提下，根据室外空气温度、相对湿度等气候条件，及时预判调整空气源热泵机组的回水温度，制定合理的供热运行调节方案。由于运行策略的不同，会导致不同的运行效果，因此进一步优化系统中热泵机组和循环水泵的控制是下一步工作的方向。