空氣源熱泵在綠色建筑中運行性能的實測研究

  摘要：為揭示空氣源熱泵(ASHP)在綠色建筑中的實際運行性能，本文于2017~2018年供暖季對北京、秦皇島及南通地區(qū)的4個綠色建筑項目ASHP系統(tǒng)進行現(xiàn)場實測，分析了ASHP系統(tǒng)實際運行性能及共性問題。研究結果表明綠色建筑ASHP系統(tǒng)的運行性能較低，機組COP在1.25~2.8之間，系統(tǒng)COP在0.8~2.23之間，存在ASHP機組“誤除霜”、輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”、機組啟停頻繁“群控不當”、機組側熱損失過大等顯著共性問題。該研究揭示了綠色建筑空氣源熱泵應用存在的問題，對ASHP高效應用具有一定的參考價值。

  關鍵詞：空氣源熱泵;綠色建筑;現(xiàn)場測試;實際運行性能;共性問題

  0 引言

  自2015年我國住建部將空氣源熱泵(Air Source Heat Pump)列入可再生能源技術以來，空氣源熱泵在我國得到廣泛的應用。截至2018年，全國近20個省市均出臺空氣源熱泵推廣政策，空氣源熱泵不僅成為“煤改電”項目中的重要技術，而且自2016年以來在綠色建筑中也得到廣泛推廣，其系統(tǒng)規(guī)模和供暖面積越來越大。

  空氣源熱泵實際運行性能的測試和評價是空氣源熱泵高效良性發(fā)展的重要保證。現(xiàn)有研究已開展了一些空氣源熱泵系統(tǒng)的實測研究，如王子介等[1]在南京某住宅進行一個供暖期的現(xiàn)場實測，提出了空氣源熱泵用于地板輻射采暖系統(tǒng)時的改進意見;李雄志等[2]基于長沙某辦公樓空氣源熱泵系統(tǒng)進測試，分析了空氣源熱泵的經濟性優(yōu)勢;王偉等[3~6]通過北京、貴州等地區(qū)空氣源熱泵機組實測，揭示了誤除霜事故、霧霾工況影響以及機組室外換熱器臟堵問題;周海艦等[7]

  對北京地區(qū)農宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進行監(jiān)測，分析了“煤改電”的環(huán)境效益;李愛松等[8]通過“煤改電”測試分析了各種因素對空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響;周嚴等[9]對膠東7個空氣源熱泵系統(tǒng)進行了短期測試，分析了系統(tǒng)熱損失較大、熱源與末端不匹配等問題;胡繁昌等[10]測試了北京地區(qū)某農宅空氣源熱泵系統(tǒng)，并提出了實際運行優(yōu)化措施;楊強等[11]針對“煤改電”項目中的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)測試結果，分析了系統(tǒng)循環(huán)水泵的運行能耗及節(jié)能潛力。

  上述研究對空氣源熱泵的應用性能進行有益探索，驗證了空氣源熱泵的經濟環(huán)境效益，同時也揭示了一些關鍵問題。但是，現(xiàn)階段研究多以實驗室或“煤改電”農宅項目等小型空氣源熱泵系統(tǒng)為對象，尚缺乏綠色建筑中大型空氣源熱泵系統(tǒng)的實測研究。為探究空氣源熱泵在綠色建筑中的實際運行性能，本文針對北京、秦皇島、南通地區(qū)的4個綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)，在2017~2018年供暖季進行了長期現(xiàn)場實測，全面分析了各工程中空氣源熱泵系統(tǒng)的實際運行效果，揭示共性關鍵問題。該研究為空氣源熱泵在綠色建筑的高效應用提供參考，有利于空氣源熱泵的可持續(xù)發(fā)展。

  1 空氣源熱泵綠色建筑實測調研

  1.1 空氣源熱泵實測項目介紹

  本文選取北京、河北秦皇島、江蘇南通地區(qū)四個空氣源熱泵綠色建筑項目進行實測調研，測試建筑均為辦公型建筑，建筑面積為3070平方米~10000平方米，項目基本情況如表1所示。

  測試項目的空氣源熱泵系統(tǒng)均為一次泵系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)中設置有多臺空氣源熱泵并聯(lián)運行，每臺機組內部設多臺壓縮機，每個壓縮機配置獨立制冷劑管道以及閥門，可以獨立控制啟停。多數(shù)空氣源熱泵系統(tǒng)僅設置循環(huán)水泵兩臺，1用1備。實際運行中，為了滿足每臺空氣源熱泵機組的工作流量及防凍需求，水泵需一直保持設計最大流量運行。

  1.2 測試內容及評價指標

  1.2.1 測試內容

  設置自動監(jiān)測系統(tǒng)，對空氣源熱泵系統(tǒng)機組及水泵關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測，主要包括：室外參數(shù)、系統(tǒng)實際運行參數(shù)、系統(tǒng)基本能耗等。以上數(shù)據(jù)均通過計算機實時讀取存儲，存儲頻率1次/min。具體測點及相應測試設備精度如表2所示：

  1.2.2 評價指標

  本研究采用熱泵系統(tǒng)運行性能系數(shù)(COPsh)、熱泵機組運行性能系數(shù)(COPh)以及循環(huán)水泵耗電輸熱比(EHR)，對綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)實際運行情況進行評價。評價指標的計算公式如下：

  (1)熱泵系統(tǒng)運行性能系數(shù)(COPsh)

  熱泵系統(tǒng)運行性能系數(shù)為時間內熱泵系統(tǒng)的總供熱量與系統(tǒng)耗電量(包括空氣源熱泵機組耗功、水泵耗功)之比。其具體的計算公式如(1)所示：

  式中：T0為時間，S;Qs為T0時間內熱泵系統(tǒng)的總供熱量，kJ;Wh,r0為T0時間內熱泵機組的耗功量，kJ;Ww,r0為T0時間內循環(huán)水泵的耗功量，kJ;cp為水的比熱容，取為4.2;Gi系統(tǒng)循環(huán)水質量流量，kg/s;Wh,i為i時刻熱泵機組功率，kW;Ww,i為i時刻循環(huán)水泵功率，kW;Tgi和Thi分別是i時刻系統(tǒng)供回水溫度，℃。

  (2)熱泵機組運行性能系數(shù)(COPh)

  熱泵機組運行性能系數(shù)為T0時間內熱泵機組的總制熱量與空氣源熱泵機組耗電量之比。計算公式如公式(2)所示：

  式中：Qh為空氣源熱泵機組在T0時間內的制熱量，kJ;Gi機組進出水質量流量，kg/s;;Tgi和Thi分別是i時刻機組供回水溫度，℃。

  (3) 循環(huán)水泵耗電輸熱比(EHR)

  循環(huán)水泵耗電輸熱比為T0時間內系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電量與系統(tǒng)的供熱量之比。計算公式如公式(3)所示：

  1.3 實測結果

  1.3.1 測試工況

  四個測試項目位于不同的氣候區(qū)，測試工況特點不同。北京和秦皇島位于寒冷地區(qū)，采暖季室外溫度較低，其平均室外溫度分別為1.04℃和-1.6℃。北京地區(qū)除部分雨雪天氣室外相對濕度較大外，供暖季整體室外工況較為干燥，相對濕度平均值僅為30%，秦皇島地區(qū)相對濕度穩(wěn)定較低，維持在平均值38%左右波動。南通位于夏熱冬冷地區(qū)，室外溫度相對較高，平均值為7.4℃，室外相對濕度較大，測試期間 2/3天數(shù)的日平均相對濕度高于70%，相對濕度的均值為68%。具體的測試時間以及日平均室外溫濕度基本信息如表3所示。

  1.3.2 運行性能參數(shù)

  圖2給出測試項目的COPsh和COPh。由圖2可得，北京某辦公樓項目的COPh值最低，僅為1.25;秦皇島1#辦公樓、2#辦公樓項目COPh值分別為2.18、2.23;南通某辦公樓項目由于室外溫度較高，COPh值最高，達到2.8。

  COPsh值更是顯著降低，北京某辦公樓的COPsh值僅為0.8，秦皇島1#辦公樓、2#辦公樓COPsh值分別為1.41、1.71，南通某辦公樓由于COPh值相對較高，COPsh值達到了2.23�？梢姡�調查的4個綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)實際運行效果不佳。

  1.3.3 供熱負荷及耗電量

  圖3為各項目的實測平均供熱負荷及耗電量，北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓、秦皇島2#辦公樓、南通某辦公樓項目供熱負荷平均值分別為4.3、11.2、31.3、5.3W/平方米，供熱負荷最大日測試值分別為10.2、20.2、41.2、9.5W/平方米。

  測試項目除秦皇島2#辦公樓全部投入使用，其他項目入住率較低，負荷率較小，導致供熱負荷遠遠小于設計負荷指標。北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓、秦皇島2#辦公樓、南通某辦公樓項目單位面積耗電量平均值分別為0.12、0.19、0.44、0.06 kWh/(d平方米)，最大日測試值分別為0.23、0.41、0.71、0.071kWh/(d平方米)。

  1.3.4 供回水溫度

  圖4所示為各項目供暖季系統(tǒng)平均供回水溫度，北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓、秦皇島2#辦公樓、南通某辦公樓項目的供回水溫度均值分別為46.5/46.3℃、41/40.4℃、43.4/42.5℃、43.5/43℃，供回水溫度差值分別為0.2℃、0.7℃、0.9℃、0.5℃，供回水溫差均遠遠小于設計5℃溫差，“大流量小溫差”現(xiàn)象明顯。在實際運行過程中，除存在秦皇島2#辦公樓項目人為調節(jié)溫度設定值值外，其他項目的日平均供回水溫度值固定不變，供暖系統(tǒng)水溫設定點在實際運行時缺乏調節(jié)。

  1.3.5 輸配系統(tǒng)

  圖5為各項目水泵設計和實際EHR，以及水泵耗電量占比圖。由圖可得，北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓、2#辦公樓、及南通某辦公樓項目的輸配系統(tǒng)在測試期內的耗電輸熱比分別為0.47、0.17、0.12、0.11，遠遠高于水泵設計EHR。測試期內，四個項目水泵耗電量占系統(tǒng)耗電量比例分別為36%、23%、19%、25%。水泵能耗占比過大，是COPsh值低下的重要原因。

  1.3.6 機組啟停狀況

  圖6為各項目空氣源熱泵機組啟停次數(shù)以及機組平均單次運行時長。北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓、2#辦公樓、及南通某辦公樓項目機組每日啟停次數(shù)分別為28次、25次、18次、23次，機組平均單次運行時長分別為8.4min、18.5min、45.8min、42min�？梢姡瑢嶋H運行中空氣源熱泵系統(tǒng)存在機組啟停頻繁問題，北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓項目機組單次運行時長過短，嚴重影響機組性能和供暖效果。

  2 共性問題分析

  由系統(tǒng)整體運行性能及運行情況可看出，系統(tǒng)在測試期內COPsh值在0.8~2.2之間，COPh值在1.25~2.8之間，系統(tǒng)運行性能不佳。本文基于實測數(shù)據(jù)，針對空氣源熱泵系統(tǒng)運行性能低下的現(xiàn)象，詳細分析影響系統(tǒng)運行的共性問題。

  2.1 空氣源熱泵“誤除霜”問題

  各項目室外工況在結霜圖譜分布如圖7所示，由此可見，北京和秦皇島地區(qū)室外工況較為干燥，超過50%室外工況位于非結霜區(qū)，位于結霜區(qū)的工況僅占43%和32%，極少有重霜區(qū)工況。南通地區(qū)室外氣溫相對較高，但其相對濕度較大，約30%的室外工況位于一般結霜區(qū)和重霜區(qū)。由此可見，不同氣候區(qū)室外工況差異較大，機組應按照室外溫濕度情況按需除霜，但是目前實際工程多采用溫度-時間(TT)除霜控制方法，該除霜控制方法未考慮不同氣候區(qū)的環(huán)境工況差異性，導致“誤除霜”事故頻發(fā)。

  圖8為秦皇島1#辦公樓及南通某辦公樓典型日結除霜分析圖，由圖可得，秦皇島1#辦公樓空氣源熱泵機組在典型日機組發(fā)生除霜8次除霜，但其室外換熱器阻力并未增加，8次除霜均為“無霜除霜”事故，典型日內誤除霜概率高達100%。南通某辦公樓空氣源熱泵就典型日發(fā)生除霜14次，其中換熱器阻力增加超過40%的“有霜不除”事故7次，壓縮機排氣溫度最高達114℃，接近120℃報警閾值，嚴重影響機組運行穩(wěn)定性。換熱器阻力增加不足15% 的“無霜除霜”3次，誤除霜概率高達70%。

  2.2 輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”問題

  測試項目循環(huán)水泵多為定頻水泵，南通某辦公樓項目循環(huán)水泵雖為變頻水泵，但是實際運行中保持固定頻率運行，水泵缺乏調節(jié)。在實際運行中，為了滿足每臺空氣源熱泵機組的工作流量及防凍需求，水泵需保持最大流量運行，水泵缺乏調節(jié)能力與建筑負荷波動和機組臺數(shù)變化矛盾，引起了部分負荷下輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”問題，導致水泵耗電量占比過大，輸配效率較低。其中，北京某辦公樓項目供回水溫差僅為0.2℃，水泵耗電量占比高達36%，造成該項目COPsh值僅為0.8。

  2.3 空氣源熱泵運行臺數(shù)控制問題

  監(jiān)測項目均采用模塊化的空氣源熱泵機組，在實際運行中，傳統(tǒng)的空調機組臺數(shù)控制策略難以實現(xiàn)機組運行臺數(shù)實現(xiàn)精準、合理控制。

  圖9為典型日北京、秦皇島1#辦公樓項目空氣源熱泵系統(tǒng)壓縮機運行臺數(shù)變化圖，北京某辦公樓項目空氣源熱泵系統(tǒng)無群控策略，機組根據(jù)回水溫度機組同啟同停。

  典型日壓縮機啟停27次，單次運行時長平均僅為8min，運行時間過短嚴重影響機組運行性能，在供暖季中COPh值僅為1.25。秦皇島1#辦公樓項目采取模糊控制啟停策略，雖較同起同�？刂坡杂袃�(yōu)化，但也不能達到機組臺數(shù)隨負荷需求的合理控制，也會導致機組頻繁啟停、壓縮機運行時間過短事故頻發(fā)。

  2.4 空氣源熱泵機組熱損失問題

  在系統(tǒng)運行過程中，由于防凍的需要，停機狀態(tài)機組仍會保持工作流量通過，此時機組充當散熱部件，造成空氣源熱泵系統(tǒng)熱損失。本研究針對秦皇島1#項目進行了熱損失測試試驗，通過監(jiān)測供回水主干管水溫度與流量、每臺運行狀態(tài)機組的進出水溫度與流量，計算系統(tǒng)總制熱量Q1=(n為運行機組數(shù)量)、系統(tǒng)供熱量Q2，系統(tǒng)熱損失量為兩者差值，即Q=Q1-Q2。

  圖10為試驗測試結果，由圖可知，試驗期間系統(tǒng)制熱量平均值為61.2kW，供熱量平均值為53.2kW，熱損失量平均值為8kW，熱損失量占系統(tǒng)總制熱量的13%，最高日可達21.6%，造成了嚴重能量浪費。

  3 結語

  本文針對北京、秦皇島、南通共4個綠色建筑項目進行了一個供暖季的測試，揭示了中大型空氣源熱泵在綠色建筑中的實際運行效果，并分析了存在的共性問題，可得如下結論：

  (1)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在綠建中的實際運行性能較低，具有較大的節(jié)能優(yōu)化空間。

  (2)空氣源熱泵在綠色建筑實際運行中存在著機組“誤除霜”、輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”、機組運行臺數(shù)控制不當以及機組熱損失共性問題，嚴重影響了系統(tǒng)的運行性能。

  (3)為發(fā)揮空氣源熱泵的優(yōu)勢，提高綠色建筑質量，需針對空氣源供暖系統(tǒng)設計選型方法、空氣源熱泵群控策略、空氣源熱泵水系統(tǒng)部分負荷運行控制方案等方面進行研究。

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