北京地區(qū)空氣源熱泵低溫工況下運(yùn)行性能的實(shí)測(cè)研究

  摘要：為進(jìn)一步揭示空氣源熱泵在實(shí)際工況下的運(yùn)行性能，掌握其低溫運(yùn)行特性，本文在2015~2016年供暖季針對(duì)北京地區(qū)某辦公樓空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了為期80天的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，考察了系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行性能，并重點(diǎn)分析了持續(xù)3天低溫黃色寒潮預(yù)警期內(nèi)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能。測(cè)試結(jié)果顯示：測(cè)試期內(nèi)機(jī)組日平均制熱量為15.2kW，日平均能耗量為0.56kWh/平方米，COP為2.77;低溫工況下，環(huán)境溫度在-15.2~-5.1℃內(nèi)波動(dòng)，最冷工況下機(jī)組平均排氣溫度為118.5℃，最高達(dá)到124℃，且排氣溫度超過(guò)120℃的運(yùn)行時(shí)間占25%;平均壓縮比為11，最高達(dá)到11.8，機(jī)組平均制熱量10.7kW，最低制熱量8.8kW，衰減幅度達(dá)55%，平均COP為1.96，最低COP僅1.49。研究結(jié)果為掌握空氣源熱泵冬季供暖期實(shí)際運(yùn)行性能及低溫運(yùn)行特性提供了必要的實(shí)踐數(shù)據(jù)。

  關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;北京地區(qū);低溫工況;運(yùn)行性能;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

  0 引言

  近年來(lái)，空氣源熱泵(Air Source Heat Pump，簡(jiǎn)稱(chēng)ASHP)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用[1]，北京市為北方地區(qū)的典型城市，其氣候分區(qū)屬于寒冷地區(qū)，在冬季制熱工況下，結(jié)霜[2,3]和低溫適應(yīng)性是影響機(jī)組運(yùn)行性能的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)機(jī)組在低溫工況下運(yùn)行時(shí)，壓縮比升高，容積效率降低，制冷劑質(zhì)量流量減少，供熱能力下降，壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高，這些問(wèn)題限制了其在北方地區(qū)的應(yīng)用[4-7]。文獻(xiàn)[8，9]

  將北京定為低溫?zé)岜糜脷庀髼l件的典型城市，為解決空氣源熱泵低溫適應(yīng)性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：提高系統(tǒng)工質(zhì)的循環(huán)量[4,10-12];優(yōu)化壓縮機(jī)工作過(guò)程，降低排氣溫度[7,13];選用適于大范圍的制冷劑代替常規(guī)制冷劑[14-16];采用多級(jí)壓縮，包括雙級(jí)壓縮[17-19]，雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)[4,20]等。

  其中，噴液冷卻法是一種可以有效降低排氣溫度，保證低溫?zé)岜迷?20℃以上能有較高效率的技術(shù)方案，肖婧等[21]則針對(duì)帶有噴液増焓技術(shù)的空氣源熱泵進(jìn)行為期三個(gè)月的測(cè)試，考察了機(jī)組在-16.5～-6℃低溫環(huán)境中的運(yùn)行特性、供熱性能與末端供熱效果，為了解熱泵機(jī)組低溫運(yùn)行中存在的問(wèn)題提供了參考;王偉等[22]針對(duì)空氣源熱泵全工況運(yùn)行所面臨的結(jié)除霜、低溫運(yùn)行、臟堵等關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，提出了高效抑霜、控霜、低溫運(yùn)行及臟堵診斷技術(shù)等相應(yīng)解決對(duì)策，對(duì)指導(dǎo)空氣源熱泵全工況節(jié)能運(yùn)行具有重要意義。

  以上研究均圍繞空氣源熱泵低溫適應(yīng)性問(wèn)題開(kāi)展，但現(xiàn)有工作較少針對(duì)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行性能的實(shí)測(cè)研究，更缺乏在低溫工況下的運(yùn)行特性研究。為此，本文針對(duì)北京地區(qū)某小型辦公樓空氣源熱泵系統(tǒng)，在2015~2016年供暖季進(jìn)行了為期80天的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)運(yùn)行，分析了熱泵系統(tǒng)在長(zhǎng)期制熱工況下的整體運(yùn)行性能，并著重考察了機(jī)組在持續(xù)低溫黃色寒潮預(yù)警期內(nèi)的運(yùn)行性能，本文工作對(duì)掌握空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行性能具有較好的參考價(jià)值。

  1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

  1.1 測(cè)試系統(tǒng)

  測(cè)試工程為北京地區(qū)某小型辦公建筑，空調(diào)面積為175平方米，測(cè)試對(duì)象為1臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組，采用定頻渦旋式壓縮機(jī)，其額定制熱量為19.6kW，制熱功率為6.88kW，制冷劑為R22。制熱的標(biāo)準(zhǔn)工況為環(huán)境溫度7℃，熱水出水溫度為45℃。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示。

  測(cè)試系統(tǒng)對(duì)空氣源熱泵的空氣側(cè)、制冷劑側(cè)與制取熱水側(cè)的運(yùn)行參數(shù)以及能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)試機(jī)組原理圖與實(shí)物圖如圖1中所示，在壓縮機(jī)吸/排氣管上分別設(shè)有溫度和壓力傳感器監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的吸/排氣溫度和壓力，在水側(cè)利用鉑電阻PT1000測(cè)量機(jī)組的進(jìn)/出水溫度，利用電磁流量計(jì)測(cè)量水流量。其中主要的測(cè)量?jī)x器參數(shù)如表1所示。

  1.2 測(cè)試工況

  測(cè)試期為2015年11月15日至2016年2月2日。為詳細(xì)考察空氣源熱泵在測(cè)試期內(nèi)的運(yùn)行性能，尤其在低溫工況下的性能，全面測(cè)試了室外溫濕度，壓縮機(jī)吸排氣溫度和壓力、機(jī)組制熱量、能耗和COP等參數(shù)，并對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行整理分析。

  圖2為空氣源熱泵測(cè)試期內(nèi)環(huán)境的溫、濕度。由圖可知，測(cè)試期內(nèi)環(huán)境溫度范圍在-15.2~10.4℃之間，平均值為-1.3℃;相對(duì)濕度平均值為47.9%，最大相對(duì)濕度為92.3%。測(cè)試期內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間共1176h，環(huán)境溫度低于0℃共有760h;-5℃以下工況共152h。

  由圖可知，隨著供暖期的推進(jìn)，環(huán)境溫度呈下降趨勢(shì)，在2016年1月23日達(dá)到最低溫度;相對(duì)濕度變化幅度較大，測(cè)試中后期，環(huán)境相對(duì)濕度較低，北京氣候呈現(xiàn)“干冷”的特點(diǎn)。為直觀獲得測(cè)試期內(nèi)機(jī)組不同運(yùn)行工況下的結(jié)霜和結(jié)露情況，根據(jù)朱佳鶴[23,24]等人提出的多區(qū)域結(jié)霜圖譜，得出如圖3所示的結(jié)霜工況分布圖。

  由圖可知，運(yùn)行期內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行工況在結(jié)霜區(qū)、結(jié)露區(qū)和無(wú)霜區(qū)均有分布，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有49.3%的“干冷”工況處于無(wú)霜區(qū)，3.2%的工況處于結(jié)露區(qū)，47.6%的工況處于結(jié)霜區(qū)，其中，輕霜區(qū)占11.7%，一般結(jié)霜區(qū)占28.4%，重霜區(qū)占7.5%。

  由以上結(jié)果可知，北京地區(qū)有近50%的“干冷”工況處于無(wú)霜區(qū)內(nèi)，機(jī)組極易出現(xiàn)“無(wú)霜除霜”的誤除霜事故，而重霜區(qū)的工況則容易出現(xiàn)“有霜不除”的誤除霜事故[2,3]，誤除霜事故會(huì)不同程度地影響機(jī)組正常運(yùn)行，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。低溫工況位于圖譜無(wú)霜區(qū)的左下區(qū)域，低于-5℃的工況占所有工況的12.9%。可見(jiàn)，結(jié)霜和低溫是影響北京地區(qū)空氣源熱泵冬季運(yùn)行的兩大問(wèn)題。

  2 測(cè)試結(jié)果與分析

  2.1 系統(tǒng)整體運(yùn)行性能

  針對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期的整體運(yùn)行性能，以下將從系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況和制熱性能兩方面進(jìn)行詳細(xì)分析。其中，系統(tǒng)的制熱性能主要包括機(jī)組的制熱量，能耗和COP以及相應(yīng)參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化情況。

  2.1.1 整體運(yùn)行情況

  圖4為測(cè)試期內(nèi)空氣源熱泵每天的運(yùn)行時(shí)間和單位面積能耗。

  由圖可知，測(cè)試期內(nèi)，機(jī)組每天的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)存在差異，日均工作時(shí)長(zhǎng)為14.7h。系統(tǒng)的總能耗主要包括空氣源熱泵壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)及水泵的能耗，由圖4可知，日平均能耗量為0.56kWh/平方米，最大值0.84kWh/平方米，最小值0.1kWh/平方米，且能耗值隨運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。各日能耗差異較為明顯，主要受環(huán)境溫、濕度，機(jī)組運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，誤除霜事故頻率等因素的影響，環(huán)境溫度越低，誤除霜事故次數(shù)越多，則能耗水平越高。

  2.1.2 整體供熱性能

  圖5為測(cè)試期內(nèi)機(jī)組的日平均制熱量和日平均COP具體情況。

  由圖可知，機(jī)組的日平均制熱量在10~19.7kW之間波動(dòng)，平均值為15.2kW;日平均COP為一天內(nèi)系統(tǒng)的總制熱量與總輸入功之比，測(cè)試期內(nèi)，機(jī)組整體COP的平均值為2.77，日平均COP最大值為3.47，最小值為1.76。

  結(jié)合圖2和圖5可知，環(huán)境溫度變化時(shí)，機(jī)組的制熱量和COP也呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，在2016年1月23日，平均環(huán)境溫度達(dá)到最低值-13.4℃，此時(shí)，機(jī)組日平均制熱量和COP均達(dá)到最低值，僅為10kW和1.76，相對(duì)額定工況，其衰減率達(dá)49%和37.1%，這是因?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)，室外換熱器蒸發(fā)溫度越低，為保證壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度，熱力膨脹閥開(kāi)度減小，制冷劑質(zhì)量流量降低，導(dǎo)致機(jī)組制熱能力嚴(yán)重衰減。

  圖6為不同環(huán)境溫度下機(jī)組制熱量、瞬時(shí)能耗和COP的變化情況圖。

  隨環(huán)境溫度上升，制熱量、瞬時(shí)能耗和COP均呈上升趨勢(shì);由圖中散點(diǎn)的分布情況可知，測(cè)試機(jī)組的工況主要集中在-5~5℃的區(qū)間內(nèi)，該頻段內(nèi)的工況占據(jù)總工況的84.2%，平均制熱量為15.5kW，瞬時(shí)能耗為6.1kW，平均COP為2.83。

  2.2 低溫工況下機(jī)組的運(yùn)行性能

  在測(cè)試期內(nèi)，受強(qiáng)寒潮影響，北京地區(qū)2016年1月22日~2016年1月24日處于持續(xù)低溫黃色寒潮預(yù)警中，三天內(nèi)環(huán)境溫度在-15.2~-5.1℃范圍內(nèi)波動(dòng)，平均溫度為-10.5℃。為分析熱泵系統(tǒng)在此低溫工況下的運(yùn)行性能，選取三個(gè)低溫工況，每個(gè)工況連續(xù)運(yùn)行9小時(shí)，依次從低溫工況，低溫運(yùn)行特性和低溫供熱性能三個(gè)方面進(jìn)行描述。表2為測(cè)試參數(shù)的詳細(xì)數(shù)值表，圖7為低溫期間空氣源熱泵各個(gè)工況的運(yùn)行結(jié)果。

  2.2.1 低溫工況描述

  結(jié)合圖7和表2可知：三個(gè)工況平均環(huán)境溫度分別為：工況1為-9.7℃，工況2為-13.9℃，工況3為-5.7℃，其中工況2的最低溫度低至-15.2℃，而低溫?zé)岜每諝鈧?cè)名義工況[8]的環(huán)境溫度為-12℃，顯然，工況2環(huán)境溫度低于低溫?zé)岜玫拿�義工況。三個(gè)工況平均相對(duì)濕度均低于20%。由圖3可知，低溫工況均處于無(wú)霜區(qū)。

  2.2.2 低溫運(yùn)行特性

  機(jī)組出、回水溫度。從圖7可知，測(cè)試期間，三個(gè)工況室外換熱器表面均無(wú)明顯霜層，但工況2機(jī)組出水溫度與回水溫度整體低于工況1和工況3，三個(gè)工況平均出水溫度分別為44.8℃，43.3℃和45.7℃，低溫期間整體的平均出水溫度為44.6℃。對(duì)照環(huán)境溫、濕度變化圖可知，機(jī)組出/回水溫度隨環(huán)境溫度的降低而整體降低。壓縮機(jī)吸、排氣溫度。

  從圖7與表2可知，壓縮機(jī)吸氣溫度隨環(huán)境溫度的降低而整體降低，排氣溫度則隨環(huán)境溫度的降低而升高：工況1排氣溫度均值為114.8℃，工況3為111.1℃;而工況2的排氣溫度平均值高于其余兩個(gè)工況，達(dá)到118.5℃，最高排氣溫度達(dá)到124℃，且機(jī)組有25%的時(shí)間其排氣溫度超過(guò)120℃，由圖7可知，工況2中壓縮機(jī)的部分排氣溫度高于120℃。

  一般認(rèn)為壓縮機(jī)排氣溫度低于120℃時(shí)，壓縮機(jī)處于正常狀態(tài)，超過(guò)120℃，機(jī)組處于過(guò)熱狀態(tài)。壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在過(guò)高的排氣溫度下工作，會(huì)降低電機(jī)絕緣性能和可靠性，縮短電機(jī)壽命，而且還會(huì)降低潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑能力，甚至引起潤(rùn)滑油碳化和酸解。可見(jiàn)，低溫致使壓縮機(jī)排氣溫度升高，且已影響到壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。

  壓縮機(jī)吸、排氣壓力及壓縮比。從表2可知，工況1排氣壓力均值為17.6Bar，工況2為16.8Bar，工況3為18.7Bar，整體平均值為17.7Bar;而工況1的平均壓縮比為9.4，工況2為11，工況3為8.12，整體均值達(dá)到9.5。可見(jiàn)，最冷工況下的壓縮比高于其余兩個(gè)工況，且最高壓縮比達(dá)到11.8。結(jié)合圖7可知，壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨氣溫的降低而整體下降，但是壓縮比增大，且隨環(huán)境溫度的上升而下降。此外，針對(duì)單級(jí)壓縮機(jī)而言，正常情況下壓縮比為2~8[25]。

  由此可見(jiàn)，低溫導(dǎo)致壓縮比超過(guò)正常范圍，對(duì)壓縮機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了顯著的影響。機(jī)組除霜頻次及停機(jī)故障。機(jī)組除霜時(shí)長(zhǎng)、次數(shù)及停機(jī)故障次數(shù)如表3所示。

  由表可知，機(jī)組制熱期間，工況1、工況2與工況3分別除霜4次、6次和10次，平均除霜時(shí)長(zhǎng)均僅為2mins，除霜能耗分別為2.6kWh、3.9kWh和6.5kWh。結(jié)合圖3以及圖7中實(shí)測(cè)觀察圖片可知，機(jī)組運(yùn)行期間室外換熱器表面幾無(wú)明顯霜層，故除霜時(shí)間較短，屬于典型的“無(wú)霜除霜”的誤除霜事故，該事故頻繁發(fā)生，造成能源浪費(fèi)，機(jī)組能效降低。

  此外，工況1、工況2和工況3多次發(fā)生低溫報(bào)警停機(jī)事故，運(yùn)行期間分別停機(jī)11次、14次和6次，故障恢復(fù)平均時(shí)間為5mins。低溫是導(dǎo)致機(jī)組頻繁停機(jī)的主要原因，嚴(yán)重降低了機(jī)組運(yùn)行效率和用戶(hù)的熱舒適性。

  2.2.3 低溫供熱性能

  由表2可知，三個(gè)工況平均制熱量分別為：工況1為10.1kW，工況2為9.9kW，工況3為12.5kW，相對(duì)于額定制熱量19.6kW，機(jī)組制熱量的衰減幅度分別為48.5%、49.5%和36.2%，三個(gè)工況整體的平均制熱量10.7kW;經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三個(gè)工況總能耗量為167.4kWh;三個(gè)工況平均COP分別為：工況1為1.91，工況2為1.71，工況3為2.25，整體COP均值為1.96。其中，最冷工況下，當(dāng)溫度低至-15.2℃時(shí)，制熱量?jī)H為8.8kW，衰減幅度高達(dá)到55%，COP僅為1.49。因此，低溫導(dǎo)致了機(jī)組的制熱量和COP嚴(yán)重衰減。

  3 結(jié)論

  本文針對(duì)北京市某小型辦公樓進(jìn)行連續(xù)80天的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)測(cè)，揭示了空氣源熱泵在實(shí)際工況下的運(yùn)行性能，并著重分析了機(jī)組在北京持續(xù)低溫黃色寒潮預(yù)警期內(nèi)的性能表現(xiàn)，綜上可得如下結(jié)論：

  (1)測(cè)試期內(nèi)，機(jī)組日平均制熱量為15.2kW，日平均能耗量達(dá)到0.56kWh/平方米，平均COP為2.77;同時(shí)，機(jī)組有49.3%的“干冷”工況處于無(wú)霜區(qū)，47.6%的工況處于結(jié)霜區(qū)，極易發(fā)生“無(wú)霜除霜”和“有霜不除”的誤除霜事故;

  (2)低溫黃色寒潮預(yù)警期內(nèi)，環(huán)境溫度在-15.2~-5.1℃內(nèi)波動(dòng)，平均環(huán)境溫度-10.5℃，平均相對(duì)濕度低于20%;機(jī)組的供/回水溫度、吸排氣壓力以及制熱量和COP均隨環(huán)境溫度的降低而整體降低，但是排氣溫度升高，壓縮比增大;

  (3)最冷工況下，環(huán)境溫度均值-13.9℃，壓縮機(jī)平均排氣溫度為118.5℃，最高達(dá)到124℃，且機(jī)組有25%的時(shí)間其排氣溫度超過(guò)120℃，最高壓縮比達(dá)到11.7;運(yùn)行期間機(jī)組頻繁發(fā)生“無(wú)霜除霜”的誤除霜事故以及頻繁停機(jī)的運(yùn)行故障，機(jī)組的平均制熱量?jī)H為9.9kW，COP為1.71，當(dāng)溫度低至-15.2℃時(shí)，制熱量衰減幅度高達(dá)55%，COP僅為1.49。可見(jiàn)，低溫嚴(yán)重影響熱泵的正常運(yùn)行。

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