低温空气源热泵定频机组的节能设计

单立洋

（北京华源泰盟节能设备有限公司 北京100083）

近年来，在我国北方农村地区，空气源热泵逐渐取代电锅炉、电暖器成为农村清洁供暖的主要方式，空气源热泵系统有效降低供暖成本的同时，对推广清洁供暖、解决散烧煤导致的能源浪费和雾霾等具有重要作用。但空气源热泵在农村清洁供暖中仍面临低温下热泵性能衰减或恶化、整体经济性差、农民负担加重等问题，需要从系统优化设计和供热方式创新等方面入手加以解决。

本文以某农宅空气源热泵系统为研究对象，针对实际运行中出现的问题，运用基于实测数据的数值方法，分析了热泵运行特性，首次将基于空气源热泵运行特性的储能设计应用到农村清洁供暖系统优化配置中，提出优化方案并进行系统仿真，为空气源热泵在我国北方农村地区的应用提供参考。

1 实例概述

农宅供暖面积108m2，单层联排建筑，供暖季时间为2020年11月16日0 时至2021年3月15日24 时，采用空气源热泵—地板辐射采暖系统，如图1所示。

图1 空气源热泵-地板辐射采暖系统示意

农宅冬季供暖系统包括空气源热泵机组、水箱、循环水泵、分水器、地板辐射取暖单元及温控单位。空气源热泵为唯一制热设备，用户通过温控单元设定回水温度，当回水温度低于设定值时，热泵开始制热，反之则停止制热。农宅共5 个房间，全部采用地暖管地板辐射取暖单元，通过分水器控制不同房间的供暖。循环水泵将地暖管内冷水输送至空气源热泵机组加热，后送回房间地板辐射模块供暖，24h不停机防冻运行。

对农宅热泵机组进行实地调研，所有农宅皆采用旋涡式空气源热泵，额定电功率4.4kW，额定制热量11kW，循环水泵额定扬程10m，额定流量2.4m3/h，地暖管总长度约648m。

为估算农宅空气源热泵系统运行费用，共实测了3 组2018—2019年供暖季空气源热泵系统的电耗数据，可见该地区农宅空气源热泵采暖系统运行费用比当地城镇居民集中供热收费标准高出200%，加重了居民负担［1］。

2 运行数据分析

2.1 农宅采暖能耗分析

为计算农宅采暖能耗情况，实测了空气源热泵机组停机状态下不同室外均温时的农宅温降速度，得到农宅温度与时间关系，根据建筑能耗计算公式，对房屋实际制热能耗指标进行计算。

建筑能耗Q为：

其中，Cl为循环水比热容；ΔT 为室外温度3℃时，农宅在Δt时间内的温降；S为农宅热区面积；ml为农宅空气源热泵-地板辐射采暖系统内循环水总质量，具体为：

式中，rn为水管内径；L为水暖管总长；Vh为机组循环水体积；Vm为水箱体积；ρl为水密度。

根据农宅供暖系统主要参数及农宅温降规律，计算可得室外温度3℃、室内温度20℃时农宅能耗为61W/m2，查表可得农宅所在地区室外计算温度为-8℃，因此，首先基于实测的农宅建筑参数，运用TRNSYS软件建立了农宅热负荷计算模型［2］。

根据校正后的农宅采暖能耗计算模型仿真，得到该地区计算温度情况下建筑能耗为65.4W/m2，而建筑采暖节能标准为35W/m2，可见该农宅采暖能耗超出节能标准86.9%，是造成农宅空气源供暖系统运行费用过高的主要原因之一［3］。

2.2 热泵运行性能分析

为揭示农宅热泵系统运行费用较高的内在原因，对某农宅热泵系统实际运行情况进行跟踪测试。热泵运行性能方面，实测了2 种室外温度、3 种回水温度工况下的室内温度及电耗情况，两种室外温度情况下各观测5d的运行数据并取均值，结果见表1。

表1 不同运行方式电耗对比

根据日电耗、机组停运时间占比、农宅采暖能耗及循环泵参数，对空气源热泵机组实际COP进行估算，计算公式为：

其中，Qr、Qn、P、tl分别为热泵系统日电耗、农宅采暖能耗、循环泵功率及热泵日停机时间。

与市场主流空气源热泵性能比较，发现该农宅采用的热泵系统运行性能能够达到设计标准。

2.3 系统运行性能分析

根据空气源热泵运行能效及农宅制热能耗数据，基于TRNSYS 软件，建立了农宅空气源热泵供暖系统模型，包括空气源热泵模块、循环水泵模块、负荷载入模块、控制系统、水箱及数据读取模块（见图2）。

图2 空气源热泵供暖系统模型

基于实测的空气源系统供暖运行数据，通过对比不同回水温度时热泵停运时间占比及日电耗，对该TRNSYS 模型进行验证。其中，当热泵回水温度取不同设置时，实测对应的室内温度，然后基于验证后的房屋能耗预测系统，得到不同室内温度对应的供暖能耗。

3 系统优化

造成空气源热泵系统运行费用较高的主要原因为：（1）农宅保温性能差；（2）热泵机组设定回水温度不合理；（3）热泵机组通过回水温度控制启停，控制方式单一。针对上述问题，本文提出以下优化方法，并对优化结果进行仿真分析［4］。

3.1 农宅保温优化

基于建立并校正的农宅能耗瞬态仿真模型，通过修改建筑参数，使农宅墙壁换热系数降低至1.5kJ/（m2·h·℃），使得房屋采暖计算能耗降低至45W/m2。

3.2 控制逻辑优化

根据农宅人员占用率实测数据，增加基于人员占用率及作息规律的控制逻辑，农宅每01：00-06：00 及22：00-24：00，热泵回水温度设置为30℃；其他时段热泵回水温度设置为35℃［5］。

3.3 基于热泵性能特性的储能设计

该地区冬季昼夜温差较大，空气源热泵制热性能受环境温度影响明显，当环境温度较低时，热泵制热能效比明显下降，且此时农宅热负荷较高，大大提高了热泵供暖系统电耗。针对该问题，结合农宅庭院面积较大的特点，设置地下储热装置［6］。耦合储能的空气源热泵供暖系统模型示意如图3所示。

图3 优化后农宅供暖系统示意

由图3 可知，农宅供暖系统主要包括空气源热泵与储热水箱，当室外温度较高时，农宅热负荷较低，且制热能效比较高，此时，空气源热泵除直接向农宅供暖外，同时进行储热；当室外温度降低后，空气源热泵停机，全部农宅热负荷由储热水箱满足［7］。

经过优化，农宅整体热负荷大幅降低的同时，有效利用了空气源热泵制热能效比较高时段进行储热，从而避免了热泵在低能效比工况下运行，整个典型日可降低供暖电耗约23kW·h，农宅供暖系统供暖季能耗整体降低约2340kW·h，有效降低农宅供暖费用1872元，实现农宅清洁供暖节能32.5%。

4 结论

（1）基于TRNSYS 建立了农宅热负荷计算模型与空气源热泵供暖系统模型，通过与运行数据对比，误差低于10%，能够较准确仿真农宅供暖系统。

（2）农宅保温性能是供暖费用过高的主要原因，设置保温层，可有效降低农宅热负荷约31%。

（3）热泵回水温度对空气源热泵制热能效比及热泵停机时间占比影响较大，当供回水温度设置为40/35℃时，可在保证室内温度不低于20℃的同时，有效降低热泵电耗。

（4）空气源热泵耦合储能供能系统能够有效利用空气源热泵高制热能效比时段进行储能，有效降低农宅供暖费用1872元/a。