空氣源熱泵在綠色建筑中運(yùn)行性能的實(shí)測(cè)研究

  摘要：為揭示空氣源熱泵(ASHP)在綠色建筑中的實(shí)際運(yùn)行性能，本文于2017~2018年供暖季對(duì)北京、秦皇島及南通地區(qū)的4個(gè)綠色建筑項(xiàng)目ASHP系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了ASHP系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能及共性問(wèn)題。研究結(jié)果表明綠色建筑ASHP系統(tǒng)的運(yùn)行性能較低，機(jī)組COP在1.25~2.8之間，系統(tǒng)COP在0.8~2.23之間，存在ASHP機(jī)組“誤除霜”、輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”、機(jī)組啟停頻繁“群控不當(dāng)”、機(jī)組側(cè)熱損失過(guò)大等顯著共性問(wèn)題。該研究揭示了綠色建筑空氣源熱泵應(yīng)用存在的問(wèn)題，對(duì)ASHP高效應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

  關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;綠色建筑;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試;實(shí)際運(yùn)行性能;共性問(wèn)題

  0 引言

  自2015年我國(guó)住建部將空氣源熱泵(Air Source Heat Pump)列入可再生能源技術(shù)以來(lái)，空氣源熱泵在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。截至2018年，全國(guó)近20個(gè)省市均出臺(tái)空氣源熱泵推廣政策，空氣源熱泵不僅成為“煤改電”項(xiàng)目中的重要技術(shù)，而且自2016年以來(lái)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(lái)越大。

  空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)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(kāi)展了一些空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)測(cè)研究，如王子介等[1]在南京某住宅進(jìn)行一個(gè)供暖期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，提出了空氣源熱泵用于地板輻射采暖系統(tǒng)時(shí)的改進(jìn)意見(jiàn);李雄志等[2]基于長(zhǎng)沙某辦公樓空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)測(cè)試，分析了空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì);王偉等[3~6]通過(guò)北京、貴州等地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組實(shí)測(cè)，揭示了誤除霜事故、霧霾工況影響以及機(jī)組室外換熱器臟堵問(wèn)題;周海艦等[7]

  對(duì)北京地區(qū)農(nóng)宅空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了“煤改電”的環(huán)境效益;李?lèi)?ài)松等[8]通過(guò)“煤改電”測(cè)試分析了各種因素對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響;周?chē)?yán)等[9]對(duì)膠東7個(gè)空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了短期測(cè)試，分析了系統(tǒng)熱損失較大、熱源與末端不匹配等問(wèn)題;胡繁昌等[10]測(cè)試了北京地區(qū)某農(nóng)宅空氣源熱泵系統(tǒng)，并提出了實(shí)際運(yùn)行優(yōu)化措施;楊強(qiáng)等[11]針對(duì)“煤改電”項(xiàng)目中的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，分析了系統(tǒng)循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗及節(jié)能潛力。

  上述研究對(duì)空氣源熱泵的應(yīng)用性能進(jìn)行有益探索，驗(yàn)證了空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，同時(shí)也揭示了一些關(guān)鍵問(wèn)題。但是，現(xiàn)階段研究多以實(shí)驗(yàn)室或“煤改電”農(nóng)宅項(xiàng)目等小型空氣源熱泵系統(tǒng)為對(duì)象，尚缺乏綠色建筑中大型空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)測(cè)研究。為探究空氣源熱泵在綠色建筑中的實(shí)際運(yùn)行性能，本文針對(duì)北京、秦皇島、南通地區(qū)的4個(gè)綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)，在2017~2018年供暖季進(jìn)行了長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，全面分析了各工程中空氣源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，揭示共性關(guān)鍵問(wèn)題。該研究為空氣源熱泵在綠色建筑的高效應(yīng)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(shí)測(cè)調(diào)研

  1.1 空氣源熱泵實(shí)測(cè)項(xiàng)目介紹

  本文選取北京、河北秦皇島、江蘇南通地區(qū)四個(gè)空氣源熱泵綠色建筑項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)測(cè)調(diào)研，測(cè)試建筑均為辦公型建筑，建筑面積為3070平方米~10000平方米，項(xiàng)目基本情況如表1所示。

  測(cè)試項(xiàng)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(shè)置有多臺(tái)空氣源熱泵并聯(lián)運(yùn)行，每臺(tái)機(jī)組內(nèi)部設(shè)多臺(tái)壓縮機(jī)，每個(gè)壓縮機(jī)配置獨(dú)立制冷劑管道以及閥門(mén)，可以獨(dú)立控制啟停。多數(shù)空氣源熱泵系統(tǒng)僅設(shè)置循環(huán)水泵兩臺(tái)，1用1備。實(shí)際運(yùn)行中，為了滿(mǎn)足每臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組的工作流量及防凍需求，水泵需一直保持設(shè)計(jì)最大流量運(yùn)行。

  1.2 測(cè)試內(nèi)容及評(píng)價(jià)指標(biāo)

  1.2.1 測(cè)試內(nèi)容

  設(shè)置自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)機(jī)組及水泵關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括：室外參數(shù)、系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)基本能耗等。以上數(shù)據(jù)均通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)讀取存儲(chǔ)，存儲(chǔ)頻率1次/min。具體測(cè)點(diǎn)及相應(yīng)測(cè)試設(shè)備精度如表2所示：

  1.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

  本研究采用熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)(COPsh)、熱泵機(jī)組運(yùn)行性能系數(shù)(COPh)以及循環(huán)水泵耗電輸熱比(EHR)，對(duì)綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

  (1)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)(COPsh)

  熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)為時(shí)間內(nèi)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(jī)組耗功、水泵耗功)之比。其具體的計(jì)算公式如(1)所示：

  式中：T0為時(shí)間，S;Qs為T(mén)0時(shí)間內(nèi)熱泵系統(tǒng)的總供熱量，kJ;Wh,r0為T(mén)0時(shí)間內(nèi)熱泵機(jī)組的耗功量，kJ;Ww,r0為T(mén)0時(shí)間內(nèi)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(zhì)量流量，kg/s;Wh,i為i時(shí)刻熱泵機(jī)組功率，kW;Ww,i為i時(shí)刻循環(huán)水泵功率，kW;Tgi和Thi分別是i時(shí)刻系統(tǒng)供回水溫度，℃。

  (2)熱泵機(jī)組運(yùn)行性能系數(shù)(COPh)

  熱泵機(jī)組運(yùn)行性能系數(shù)為T(mén)0時(shí)間內(nèi)熱泵機(jī)組的總制熱量與空氣源熱泵機(jī)組耗電量之比。計(jì)算公式如公式(2)所示：

  式中：Qh為空氣源熱泵機(jī)組在T0時(shí)間內(nèi)的制熱量，kJ;Gi機(jī)組進(jìn)出水質(zhì)量流量，kg/s;;Tgi和Thi分別是i時(shí)刻機(jī)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T(mén)0時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電量與系統(tǒng)的供熱量之比。計(jì)算公式如公式(3)所示：

  1.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

  1.3.1 測(cè)試工況

  四個(gè)測(cè)試項(xiàng)目位于不同的氣候區(qū)，測(cè)試工況特點(diǎn)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(duì)濕度較大外，供暖季整體室外工況較為干燥，相對(duì)濕度平均值僅為30%，秦皇島地區(qū)相對(duì)濕度穩(wěn)定較低，維持在平均值38%左右波動(dòng)。南通位于夏熱冬冷地區(qū)，室外溫度相對(duì)較高，平均值為7.4℃，室外相對(duì)濕度較大，測(cè)試期間 2/3天數(shù)的日平均相對(duì)濕度高于70%，相對(duì)濕度的均值為68%。具體的測(cè)試時(shí)間以及日平均室外溫濕度基本信息如表3所示。

  1.3.2 運(yùn)行性能參數(shù)

  圖2給出測(cè)試項(xiàng)目的COPsh和COPh。由圖2可得，北京某辦公樓項(xiàng)目的COPh值最低，僅為1.25;秦皇島1#辦公樓、2#辦公樓項(xiàng)目COPh值分別為2.18、2.23;南通某辦公樓項(xiàng)目由于室外溫度較高，COPh值最高，達(dá)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(duì)較高，COPsh值達(dá)到了2.23�？梢�(jiàn)，調(diào)查的4個(gè)綠色建筑空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果不佳。

  1.3.3 供熱負(fù)荷及耗電量

  圖3為各項(xiàng)目的實(shí)測(cè)平均供熱負(fù)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(xiàng)目供熱負(fù)荷平均值分別為4.3、11.2、31.3、5.3W/平方米，供熱負(fù)荷最大日測(cè)試值分別為10.2、20.2、41.2、9.5W/平方米。

  測(cè)試項(xiàng)目除秦皇島2#辦公樓全部投入使用，其他項(xiàng)目入住率較低，負(fù)荷率較小，導(dǎo)致供熱負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷指標(biāo)。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(xiàng)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(cè)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(xiàng)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(xiàng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)5℃溫差，“大流量小溫差”現(xiàn)象明顯。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，除存在秦皇島2#辦公樓項(xiàng)目人為調(diào)節(jié)溫度設(shè)定值值外，其他項(xiàng)目的日平均供回水溫度值固定不變，供暖系統(tǒng)水溫設(shè)定點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)缺乏調(diào)節(jié)。

  1.3.5 輸配系統(tǒng)

  圖5為各項(xiàng)目水泵設(shè)計(jì)和實(shí)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(xiàng)目的輸配系統(tǒng)在測(cè)試期內(nèi)的耗電輸熱比分別為0.47、0.17、0.12、0.11，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泵設(shè)計(jì)EHR。測(cè)試期內(nèi)，四個(gè)項(xiàng)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(guò)大，是COPsh值低下的重要原因。

  1.3.6 機(jī)組啟停狀況

  圖6為各項(xiàng)目空氣源熱泵機(jī)組啟停次數(shù)以及機(jī)組平均單次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。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(xiàng)目機(jī)組每日啟停次數(shù)分別為28次、25次、18次、23次，機(jī)組平均單次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)分別為8.4min、18.5min、45.8min、42min�？梢�(jiàn)，實(shí)際運(yùn)行中空氣源熱泵系統(tǒng)存在機(jī)組啟停頻繁問(wèn)題，北京某辦公樓、秦皇島1#辦公樓項(xiàng)目機(jī)組單次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)過(guò)短，嚴(yán)重影響機(jī)組性能和供暖效果。

  2 共性問(wèn)題分析

  由系統(tǒng)整體運(yùn)行性能及運(yùn)行情況可看出，系統(tǒng)在測(cè)試期內(nèi)COPsh值在0.8~2.2之間，COPh值在1.25~2.8之間，系統(tǒng)運(yùn)行性能不佳。本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能低下的現(xiàn)象，詳細(xì)分析影響系統(tǒng)運(yùn)行的共性問(wèn)題。

  2.1 空氣源熱泵“誤除霜”問(wèn)題

  各項(xiàng)目室外工況在結(jié)霜圖譜分布如圖7所示，由此可見(jiàn)，北京和秦皇島地區(qū)室外工況較為干燥，超過(guò)50%室外工況位于非結(jié)霜區(qū)，位于結(jié)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(duì)較高，但其相對(duì)濕度較大，約30%的室外工況位于一般結(jié)霜區(qū)和重霜區(qū)。由此可見(jiàn)，不同氣候區(qū)室外工況差異較大，機(jī)組應(yīng)按照室外溫濕度情況按需除霜，但是目前實(shí)際工程多采用溫度-時(shí)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(dǎo)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(jié)除霜分析圖，由圖可得，秦皇島1#辦公樓空氣源熱泵機(jī)組在典型日機(jī)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(wú)霜除霜”事故，典型日內(nèi)誤除霜概率高達(dá)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(guò)40%的“有霜不除”事故7次，壓縮機(jī)排氣溫度最高達(dá)114℃，接近120℃報(bào)警閾值，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。換熱器阻力增加不足15% 的“無(wú)霜除霜”3次，誤除霜概率高達(dá)70%。

  2.2 輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”問(wèn)題

  測(cè)試項(xiàng)目循環(huán)水泵多為定頻水泵，南通某辦公樓項(xiàng)目循環(huán)水泵雖為變頻水泵，但是實(shí)際運(yùn)行中保持固定頻率運(yùn)行，水泵缺乏調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，為了滿(mǎn)足每臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組的工作流量及防凍需求，水泵需保持最大流量運(yùn)行，水泵缺乏調(diào)節(jié)能力與建筑負(fù)荷波動(dòng)和機(jī)組臺(tái)數(shù)變化矛盾，引起了部分負(fù)荷下輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”問(wèn)題，導(dǎo)致水泵耗電量占比過(guò)大，輸配效率較低。其中，北京某辦公樓項(xiàng)目供回水溫差僅為0.2℃，水泵耗電量占比高達(dá)36%，造成該項(xiàng)目COPsh值僅為0.8。

  2.3 空氣源熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制問(wèn)題

  監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均采用模塊化的空氣源熱泵機(jī)組，在實(shí)際運(yùn)行中，傳統(tǒng)的空調(diào)機(jī)組臺(tái)數(shù)控制策略難以實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、合理控制。

  圖9為典型日北京、秦皇島1#辦公樓項(xiàng)目空氣源熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)變化圖，北京某辦公樓項(xiàng)目空氣源熱泵系統(tǒng)無(wú)群控策略，機(jī)組根據(jù)回水溫度機(jī)組同啟同停。

  典型日壓縮機(jī)啟停27次，單次運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)平均僅為8min，運(yùn)行時(shí)間過(guò)短嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行性能，在供暖季中COPh值僅為1.25。秦皇島1#辦公樓項(xiàng)目采取模糊控制啟停策略，雖較同起同停控制略有優(yōu)化，但也不能達(dá)到機(jī)組臺(tái)數(shù)隨負(fù)荷需求的合理控制，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)組頻繁啟停、壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間過(guò)短事故頻發(fā)。

  2.4 空氣源熱泵機(jī)組熱損失問(wèn)題

  在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于防凍的需要，停機(jī)狀態(tài)機(jī)組仍會(huì)保持工作流量通過(guò)，此時(shí)機(jī)組充當(dāng)散熱部件，造成空氣源熱泵系統(tǒng)熱損失。本研究針對(duì)秦皇島1#項(xiàng)目進(jìn)行了熱損失測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)供回水主干管水溫度與流量、每臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)組的進(jìn)出水溫度與流量，計(jì)算系統(tǒng)總制熱量Q1=(n為運(yùn)行機(jī)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(yàn)測(cè)試結(jié)果，由圖可知，試驗(yàn)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(dá)21.6%，造成了嚴(yán)重能量浪費(fèi)。

  3 結(jié)語(yǔ)

  本文針對(duì)北京、秦皇島、南通共4個(gè)綠色建筑項(xiàng)目進(jìn)行了一個(gè)供暖季的測(cè)試，揭示了中大型空氣源熱泵在綠色建筑中的實(shí)際運(yùn)行效果，并分析了存在的共性問(wèn)題，可得如下結(jié)論：

  (1)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在綠建中的實(shí)際運(yùn)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(shí)際運(yùn)行中存在著機(jī)組“誤除霜”、輸配系統(tǒng)“大流量小溫差”、機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)控制不當(dāng)以及機(jī)組熱損失共性問(wèn)題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

  (3)為發(fā)揮空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)，提高綠色建筑質(zhì)量，需針對(duì)空氣源供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)荷運(yùn)行控制方案等方面進(jìn)行研究。

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