哈爾濱工業(yè)大學(xué)      傅旭輝   李俊   周超輝   倪龍   董重成   姚楊

丹佛斯自動控制管理（上海）有限公司      王軍   黃    勇   散俊松   劉東

摘   要：2016~2017供暖季，對北京某教學(xué)樓空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。該教學(xué)樓分為A、B區(qū)，供暖面積和熱負(fù)荷接近，空氣源熱泵系統(tǒng)形式和布置相同。區(qū)別在于A地板輻射供暖末端的分集水器處均安裝了溫控器+動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥，供回水主干路上安裝了壓差旁通閥?，F(xiàn)場測試表明，空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)在該教學(xué)樓能達(dá)到良好的供暖效果，機(jī)組平均COP達(dá)3.72。測試期間，帶室溫控制的空氣源熱泵系統(tǒng)比單一空氣源熱泵節(jié)能35.7%。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；室溫控制；地板輻射供暖；供暖效果；節(jié)能率

       0   引言

       空氣源熱泵供暖作為一種清潔的供暖形式^[1]，在我國的北方，特別是京津冀地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景^[2]。隨著國家“煤改清潔能源”政策的推廣，空氣源熱泵逐漸在寒冷地區(qū)普及，為滿足市場需求，保證供暖系統(tǒng)在室外氣溫較低的時(shí)間段內(nèi)，能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行，大量低溫型空氣源熱泵產(chǎn)品被研發(fā)出來^[3-5]，并在低溫工況下的性能系數(shù)方面有了很大提高^[6]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中空氣源熱泵運(yùn)行工況常常偏離名義和低溫工況，存在運(yùn)行性能遠(yuǎn)低于銘牌性能的實(shí)際問題^[7]。因此，若要了解空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在整個供暖期的運(yùn)行狀況，還需要大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)作支撐。

       隨著熱計(jì)量的推行，溫控器逐漸應(yīng)用于常規(guī)的供暖系統(tǒng)^[8]，節(jié)能的同時(shí)，也保證室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性，克服了之前用戶難以調(diào)控供熱量，房間溫度過高的難題^[9-10]。而將溫控器應(yīng)用到空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中，溫控器對空氣源熱泵的供暖效果、機(jī)組性能以及節(jié)能性是否會產(chǎn)生影響，目前國內(nèi)外沒有相關(guān)的研究。

       本研究以建筑供暖為研究對象，通過室溫控制結(jié)合水力平衡措施減少室內(nèi)供熱量，以此降低空氣源熱泵的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。通過北京某學(xué)校建筑現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)用量化的方法對帶室溫控制的空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)作供暖效果、機(jī)組性能、節(jié)能性和環(huán)境保護(hù)分析。

       1   工程概況

       測試地點(diǎn)位于北京市順義區(qū)，供熱對象為教學(xué)樓，建筑平面圖見圖1。供暖區(qū)域分為A、B兩區(qū)，分別采用了一套空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)，熱源均采用某品牌噴液型低溫空氣源熱泵，額定制熱量均為90.0kW，兩套系統(tǒng)彼此獨(dú)立，其中，A區(qū)供暖原理如圖2所示。地板輻射供暖末端的分集水器處均安裝了溫控器+動態(tài)壓差平衡型電動調(diào)節(jié)閥（后簡稱調(diào)節(jié)閥）。溫控器能根據(jù)溫度–時(shí)間設(shè)計(jì)值和室溫自動控制供熱閥門的開斷，以達(dá)到控制室溫和節(jié)能的目的；調(diào)節(jié)閥集壓差控制器與電動調(diào)節(jié)閥為一體，對供暖末端設(shè)備進(jìn)行溫度控制和有持續(xù)的自動水力平衡的作用。由于溫控器的開閉作用導(dǎo)致系統(tǒng)流量變化，因此需通過調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定各房間支路流量，其中調(diào)節(jié)閥根據(jù)設(shè)計(jì)流量設(shè)定開度。在供回水主干路上安裝了壓差旁通閥，用于供熱水系統(tǒng)的壓差旁通控制，從而保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。B區(qū)供暖原理同圖1，但未安裝溫控器、調(diào)節(jié)閥以及壓差旁通閥。A區(qū)建筑面積為1722m²，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得到熱指標(biāo)為61.6W/m²，B區(qū)建筑面積為1615m²，熱指標(biāo)為56.9W/m²，A區(qū)和B區(qū)建筑面積和熱指標(biāo)接近，系統(tǒng)形式和布置相同，具有可比性。

圖1   建筑平面圖

       根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，按該教學(xué)樓教學(xué)時(shí)間設(shè)定溫控器的預(yù)設(shè)溫度。該教學(xué)樓周一至周五8:00~21:30為教學(xué)時(shí)間，其余時(shí)間處于無人狀況，綜合考慮地板輻射供暖的房間預(yù)熱性，設(shè)定溫控器房間溫度預(yù)設(shè)值為：周一到周五5:30~22:30及22:30~5:30設(shè)定溫度分別為21℃及12℃，周末全天設(shè)定溫度為12℃。

       機(jī)組出水溫度根據(jù)學(xué)校教學(xué)日歷設(shè)定，設(shè)定情況為：階段1（12月15日至次年1月23日），教學(xué)期間，需保證供暖需求，機(jī)組出水溫度為35℃；階段2（1月24日至2月19日），寒假期間，僅需防凍，機(jī)組出水溫度為20℃；階段3（2月20日至3月15日），教學(xué)期間，恢復(fù)供暖，機(jī)組出水溫度調(diào)回35℃。

       測試了系統(tǒng)的供熱量、耗電量及室內(nèi)外溫度。在熱泵機(jī)組附近各設(shè)1個溫度傳感器，測試室外溫度波動，測試精度為±0.3℃；在供回水總干管處各設(shè)1個PT1000鉑電阻溫度傳感器，測試系統(tǒng)供回水溫度，測試精度為±0.1℃；各房間根據(jù)規(guī)范^[11]按面積大小分別設(shè)置1~3個PT100鉑電阻溫度傳感器，測試房間室內(nèi)溫度，測試精度為±0.1℃。系統(tǒng)供水管處設(shè)電磁流量計(jì)，測試精度0.5級。電表測試精度1級。測試周期均為5mins，所有儀器事先標(biāo)定，保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，所有的溫度及系統(tǒng)流量和耗電量測試數(shù)據(jù)由電腦自動采集和存儲，數(shù)據(jù)采集原理見圖2。供熱量和COP的相對誤差分別為±0.8%和±1.8%。

圖2   供暖系統(tǒng)原理圖

       2   現(xiàn)場測試結(jié)果分析

       2.1   室溫需求

       圖3顯示了受測試房間12月15日至次年3月15日室內(nèi)溫度波動情況。106和107房間屬于A區(qū)系統(tǒng)，108和109房間屬于B區(qū)系統(tǒng)。

圖3   測試房間室內(nèi)溫度波動圖

       階段1和階段3，該教學(xué)樓正常教學(xué)，系統(tǒng)出水溫度35℃，A區(qū)系統(tǒng)房間溫度波動范圍是16.4~25.2℃，低溫時(shí)段出現(xiàn)在周末，與溫控器溫度預(yù)設(shè)值相吻合，而高溫時(shí)段主要出現(xiàn)在供暖末期，從整體上看室溫以7天為一個周期呈周期性分布；B區(qū)系統(tǒng)房間溫度波動范圍是22.5~27.8℃，室溫波動性小。

       階段2時(shí)，學(xué)校放假，只需滿足防凍需求，系統(tǒng)出水溫度20℃，A區(qū)系統(tǒng)室溫為12.6~21.9℃，B區(qū)系統(tǒng)室溫為13.6~23.8℃，兩個系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間室溫均維持在15℃左右。

       整體上該供暖系統(tǒng)的供暖效果滿足我國寒冷地區(qū)室內(nèi)溫度18~24℃的設(shè)計(jì)要求^[12]，在溫控器的調(diào)節(jié)下，A區(qū)系統(tǒng)的室溫要低于B區(qū)系統(tǒng)，且更滿足室溫設(shè)計(jì)要求。

       2.2   供熱量

       圖4為測試期間A、B區(qū)系統(tǒng)逐日供熱量波動圖。整體上，日供熱量與室外溫度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，室外溫度升高，供熱量減少，體現(xiàn)了空氣源熱泵良好的節(jié)能性。階段1和階段3的日供熱量大于階段2，這與機(jī)組出水溫度由35℃變?yōu)?0℃相吻合。在整個運(yùn)行階段，A區(qū)的供熱量小于B區(qū)，特別是周末，供熱量下降明顯，說明溫控器發(fā)揮了調(diào)控供熱量的作用，能進(jìn)一步發(fā)揮空氣源熱泵的節(jié)能性。

圖4   機(jī)組供熱量波動圖

       2.3   耗電量

       在空氣源熱泵+地板輻射供暖系統(tǒng)上引入室溫控制措施，主要是希望達(dá)到“按需供熱”的目的，提高系統(tǒng)的節(jié)能性。從耗電量可以直觀地看出引入溫控措施后的節(jié)能效果，為消除供暖面積和熱負(fù)荷略微差異的影響，引入單位面積耗電量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，耗電量波動圖見圖5。
從圖5發(fā)現(xiàn)，整體上，熱泵機(jī)組耗電量與室外溫度負(fù)相關(guān)，室外溫度越低，耗電量越大。階段1和階段3與階段2相比，熱泵機(jī)組出水從35℃降至20℃，耗電量下降明顯，階段2的日耗電量約為階段1和3的1/3。階段1時(shí)，A區(qū)系統(tǒng)的耗電量顯著低于B區(qū)系統(tǒng)；階段2時(shí)，工作日A區(qū)系統(tǒng)與B區(qū)系統(tǒng)的耗電量相差并不明顯，但周末A區(qū)系統(tǒng)的耗電量明顯低于B區(qū)系統(tǒng)。

圖5   機(jī)組耗電量波動圖

       結(jié)合表1，加入溫控措施后，很好解決了之前存在的供熱過量的問題，大大降低了耗電量，階段1和階段3，機(jī)組正常供暖，節(jié)能率為36.8%；階段2，為防凍運(yùn)行工況，節(jié)能率略有下降，為28.6%。整個測試階段，節(jié)能率為35.7%。

表1   單位供暖面積耗電量統(tǒng)計(jì)表

       2.4   機(jī)組能效比

       圖6為測試期間A、B區(qū)系統(tǒng)日均COP波動圖。階段1與階段3，A區(qū)系統(tǒng)日均COP為3.21~8.29，B區(qū)系統(tǒng)日均COP為2.70~5.98，A區(qū)系統(tǒng)的COP波動程度大于B區(qū)系統(tǒng)，其主要原因是周末，供熱需求下降（房間溫度預(yù)設(shè)12℃），熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間減少，熱泵機(jī)組耗電量下降，但室內(nèi)側(cè)的循環(huán)水泵仍在運(yùn)行，房間與地?zé)岜P管的換熱仍在持續(xù)，室內(nèi)側(cè)熱循環(huán)消耗的熱量有部分來自于之前工作日剩余熱量，此時(shí)的COP會上升；而B區(qū)系統(tǒng)供熱需求維持不變，COP變化幅度相應(yīng)較小。但整個階段1與階段3，平均COP A區(qū)系統(tǒng)與B區(qū)系統(tǒng)分別為3.72和3.75，無明顯差距，說明加入室溫控制和水力平衡調(diào)控手段后在出水溫度35℃下對熱泵機(jī)組的性能無顯著影響。

圖6   日均COP波動圖

       階段1與階段3，機(jī)組出水溫度均為35℃，但階段1的平均COP低于階段3，A區(qū)系統(tǒng)分別為3.56和4.25，B區(qū)系統(tǒng)分別為3.56和4.22。原因?yàn)殡A段1室外溫度（溫度范圍-5.64~2.87℃，均溫-0.70℃）低于階段3（溫度范圍-1.73~13.40℃，均溫7.22℃），在出水溫度35℃的情況下，室外溫度的提高，有利于蒸發(fā)器側(cè)的換熱。

       階段2時(shí)A區(qū)和B區(qū)系統(tǒng)的平均COP值均高于階段1和階段3時(shí)，分別為6.38和4.74，其中A區(qū)系統(tǒng)提升更為明顯，特別周末平均COP超過10。原因?yàn)殡A段2時(shí)，熱泵機(jī)組出水20℃，有利于冷凝器側(cè)的換熱進(jìn)行；A區(qū)系統(tǒng)帶有室溫控制，周末大部分溫控器關(guān)閉，建筑側(cè)耗熱量的降低造成機(jī)組長時(shí)間停機(jī)，但水泵仍繼續(xù)運(yùn)行，而由于室溫較低（圖3階段2），室內(nèi)側(cè)的換熱仍持續(xù)進(jìn)行，出現(xiàn)了日平均COP高的情況。例如，1月28日（周六）供熱量是1月27日（周五）的0.59倍，但機(jī)組負(fù)荷僅為0.32倍，故出現(xiàn)了周末日平均COP偏高的情況，周末的部分熱量是工作日所制得。對于B區(qū)系統(tǒng)，并無工作日與周末的區(qū)別，負(fù)荷率變動幅度不大，故圖6中B區(qū)系統(tǒng)日均COP變動幅度相對較小。

       3   結(jié)論

     （1）低溫?zé)岜脵C(jī)組在北京地區(qū)的運(yùn)行性能良好，供暖效果優(yōu)。帶有室溫控制A區(qū)系統(tǒng)供暖效果要優(yōu)于無室溫控制的B區(qū)系統(tǒng)，其室溫分別為16.4~25.2℃和22.5~27.8℃，B區(qū)系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境偏熱。室溫控制的空氣源熱泵能根據(jù)用戶需求向室內(nèi)提供熱量，達(dá)到“按需供熱”的目的。

     （2）在出水溫度35℃下，A區(qū)系統(tǒng)和B區(qū)系統(tǒng)的日平均COP分別為3.21~8.2和2.70~5.98；出水溫度20℃下，A區(qū)系統(tǒng)和B區(qū)系統(tǒng)的日平均COP分別為6.38和4.74。在保證供暖效果的前提下，降低出水溫度是一種有效的提升機(jī)組性能的手段。A區(qū)系統(tǒng)帶有室溫控制，周末負(fù)荷率低，日均COP提升明顯，但在整個出水溫度35℃運(yùn)行條件下，A區(qū)系統(tǒng)和B區(qū)系統(tǒng)的平均COP分別為3.72和3.75，說明長時(shí)間段內(nèi)，室溫控制其實(shí)對機(jī)組COP并無影響，機(jī)組COP主要取決于機(jī)組本身性能、室外溫度和出水溫度。

     （3）機(jī)組COP與室外環(huán)境密切相關(guān)，環(huán)境溫度低，機(jī)組COP下降明顯，所以研究加入熱存儲技術(shù)對空氣源熱泵供暖性能的影響是十分必要的。

     （4）空氣源熱泵的應(yīng)用策略很重要，如果利用不好，會大大降低空氣源熱泵節(jié)能減排的優(yōu)勢。帶有室溫控制的空氣源熱泵大大降低了耗電量，在無人時(shí)段通過降低室內(nèi)供熱量來減少了空氣源熱泵的運(yùn)行時(shí)間。A區(qū)系統(tǒng)在建筑面積和熱指標(biāo)略大于B區(qū)系統(tǒng)的前提下，仍比B區(qū)系統(tǒng)節(jié)能35.7%。

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備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年2月刊總第2期。
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