案例分享：南京某醫(yī)院的空氣源熱泵系統(tǒng)冬季采暖測試分析

  摘要：對南京某醫(yī)院空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進行了性能測試。測試周期共45天，期間平均干球溫度2.64℃;共遇3天極端惡劣天氣，平均干球溫度-4.9℃;4天結(jié)霜天氣,平均結(jié)霜系數(shù)Df為0.97。測試期間日均熱泵機組COP為3.12，日均每平方采暖費用為0.25元/平方米。測試表明，長江中下游地區(qū)采用空氣源熱泵系統(tǒng)采暖，在滿足舒適性環(huán)境的條件下具有較好的節(jié)能性和經(jīng)濟性，是較好的解決江南地區(qū)冬季采暖問題的技術(shù)方案。

  [關(guān)鍵詞] 冬季采暖;空氣源熱泵;測試;性能系數(shù)

  0 引言

  空氣源熱泵(Air Source Heat Pump，簡稱“ASHP”)因其舒適性好、能效比高、安裝使用方便等特點近年來在冬季采暖方面越來越受到重視。在應用方面[1-3]，空氣源熱泵在長江中下游地區(qū)應用廣泛。由于其節(jié)能、環(huán)保等特性逐步向主要依靠燃煤、燃油采暖的華北地區(qū)、黃河流域等推廣應用。在技術(shù)方面[4]，空氣源熱泵機組在寒冷地區(qū)冬季使用主要存在低溫、結(jié)霜、壓縮比大、熱效率低等問題。馬最良等[5-7]通過采用雙級壓縮變頻，蓄能除霜等，在改善機組性能方面進行研究;石文星等[8,9]通過對全國各地冬季氣候和機組實驗工況耦合分析等，在機組環(huán)境適用性方面進行研究。同時，為引導和規(guī)范產(chǎn)品市場，關(guān)于空氣源熱泵生產(chǎn)、適用的評價技術(shù)和標準體系也在完善。

  本文通過對南京某醫(yī)院空氣源熱泵進行冬季采暖測試分析，重點介紹空氣源熱泵采暖系統(tǒng)在江南地區(qū)采暖應用實測研究情況。參照美國、歐盟和國際熱泵產(chǎn)品測試標準，對一款130kW風冷熱泵機組進行測試，在機組能效比、結(jié)霜環(huán)境下運行情況以及經(jīng)濟性分析三個方面做了重點分析。希望能為空氣源熱泵機組的設計應用以及實際產(chǎn)品標準的設定提供實際參考和依據(jù)。

1 空氣源熱泵采暖項目情況

  1.1 系統(tǒng)

  本工程為南京市某醫(yī)院病房樓改造項目，氣候特點屬于夏熱冬冷地區(qū)，具體冬季室外參數(shù)如表1所示。建筑面積約8,700平方米，采暖面積7,950平方米，共4層。采暖系統(tǒng)采用10臺風冷熱泵模塊機(H型)機組，額定功率為130kW，并采用470臺風機盤管作為室內(nèi)末端。系統(tǒng)設計冬季熱負荷為850kW，提供45/40℃的采暖熱水。

  如圖1所示，由于醫(yī)院樓房改造等因素，熱泵機組及其附屬設備置于A樓樓頂，距離采暖建筑B樓約15m，兩者之間由供回水管連接。空氣源熱泵采暖系統(tǒng)布置如圖1所示，采暖熱水至采暖建筑B樓分為2路，分別為建筑供暖和新風供暖。

  1.2 系統(tǒng)運行控制

  為滿足建筑采暖要求，由10臺熱泵130kW機組，采用間歇式運行以滿足室內(nèi)負荷及不同運行模式的需求，包括普通模式、除霜模式、間歇啟停模式等。供水溫度由人工設定，整個采暖周期內(nèi)，均設置為44℃。

  1)普通模式：系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)的工況要求，逐個運行/停止熱泵，滿足供水溫度設定要求(44℃)。當環(huán)境露點溫度低于蒸發(fā)溫度時(即熱泵機組不結(jié)霜的條件下)，系統(tǒng)進入普通模式。在本測試采暖周期內(nèi)，系統(tǒng)運行控制策略主要以普通模式為主。

  2)除霜模式：系統(tǒng)切換結(jié)霜機組的四通換向閥，機組由制熱工況變?yōu)橹评涔�況。壓縮機排出的高溫氣體直接送入室外側(cè)換熱器加熱翅片管達到融化霜層的目的[10]，滿足供水溫度設定要求。在結(jié)霜環(huán)境下時，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進入除霜模式。

  3)間歇啟停模式：系統(tǒng)間歇式運行/停止結(jié)霜10臺熱泵機組，通過蒸發(fā)器翅片側(cè)霜層與環(huán)境換熱達到化霜目的，滿足供水溫度設定要求。在易結(jié)霜環(huán)境下，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進入間歇啟停模式代替除霜模式，可以提高系統(tǒng)運行效率。

  根據(jù)采暖建筑B樓供暖要求，采用全新風供暖。供暖熱水分為2路：建筑供暖熱水和新風供暖熱水。建筑供暖熱水與室內(nèi)空氣對流換熱，達到室內(nèi)設定要求后風機停止運行;新風供暖熱水與室外新風換熱后送入采暖建筑B樓。

  2 測試方案

  2.1 測量區(qū)域劃分

  將所需測量值按功能區(qū)域劃分為兩部分：

  1)系統(tǒng)端——熱泵系統(tǒng)測試區(qū)：對安置在影音樓屋頂?shù)臒岜脵C組的各點溫度，流量及電功率等進行測量;

  2)用戶端——采暖建筑測試區(qū)：對采暖建筑各處進行溫度測量，對建筑內(nèi)各送/回風口的風速和溫度進行測量。熱泵系統(tǒng)測試區(qū)各測試點布置如圖1所示。

  各測試區(qū)內(nèi)測量值與所用儀器如表2所示。

  用戶端——采暖建筑測試區(qū)各測試點布置如圖2所示，測量整個采暖建筑內(nèi)溫度分布狀況是否均勻，是否滿足各房間的供暖需求。各樓層樓傳感器布置及建筑結(jié)構(gòu)大致相同。一樓測試點布置情況如圖2所示。

  2.3 評價指標

  本文以歐洲空氣源熱泵產(chǎn)品相關(guān)評價標準[11-15]作為本測試評價指標的依據(jù)。

  1)單/多臺熱泵機組性能評價指標熱泵機組總供熱量QASHP：

  2)熱泵系統(tǒng)性能評價指標熱泵系統(tǒng)COPASHP：

  3)經(jīng)濟性評價指標：

  3 結(jié)果與分析

  采暖建筑面積約8,700平方米，系統(tǒng)設計冬季熱負荷為850kW，本文冬季采暖測試周期：2016年1月19日~2016年3月4日，共45天。在測試周期內(nèi)，共有四天結(jié)霜天氣，平均結(jié)霜系數(shù)Df為0.96;日均熱泵機組COP為3.12;日均耗電量為2,260kWH，日均每平方采暖費用Ai為0.25元/平方米。

  3.1 系統(tǒng)性能分析

  測試周期內(nèi)，共2次中斷測量設備進行數(shù)據(jù)存檔整理。測試數(shù)據(jù)按測量時間段依次歸類，共3組：

  1)1月19日~28日;

  2)1月29日~2月15日;

  3)2月16日~3月4日。

  本文詳盡列舉測量周期1，在不同環(huán)境氣象參數(shù)下，對熱泵機組進行性能測試分析。

  3.1.1 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

  如圖3所示，觀察2016年1月19日~28日的熱泵系統(tǒng)測試區(qū)和采暖建筑測試區(qū)的各點溫度變化情況。測量周期內(nèi)，平均室外干球溫度2.64℃。1月23日~25日出現(xiàn)極端惡劣天氣，室外日均干球溫度分別為：-5.10℃、-6.90℃、-2.80℃。熱泵系統(tǒng)運行效率降低但蒸發(fā)器表面并沒有結(jié)霜現(xiàn)象，采暖建筑室內(nèi)供熱穩(wěn)定。

  采暖周期內(nèi)平均總供/回水溫度、單臺熱泵平均供/水溫度、平均建筑供/回水溫度和平均新風供/回水溫度分別是：42.3℃/38.8℃，46.7℃/40.0℃，41.2℃/35.8℃和41.3℃/39.5℃。測量周期內(nèi)，熱泵系統(tǒng)能始終保持總供水溫度37.5℃以上。整個測量周期內(nèi)，建筑供熱量普遍大于新風供熱量(極端惡劣天氣下的情況除外)。

  建筑供熱為主要供熱單元;新風供熱為次要供熱單元。極端惡劣天氣內(nèi)期間，如圖3中a和b區(qū)域所示，所示于23日3:00室外干球溫度3.10℃，露點平均溫度1.51℃。熱泵機組出現(xiàn)短暫的結(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進入間歇啟停模式，根據(jù)熱泵出水溫度，啟停熱泵機組。單臺熱泵出水溫度最低41.7℃，熱泵系統(tǒng)總供/回水均未有明顯改變，室內(nèi)供暖保持正常。

  如圖3中c區(qū)域所示，出現(xiàn)測量周期內(nèi)最冷天氣，日平均溫度為-6.90℃，單臺熱泵供水溫度均值48.6℃，系統(tǒng)總供/回水建筑、新風供水、單臺熱泵供/回水溫度均出現(xiàn)下降，而建筑回水和新風回水溫度基本不變，其日均值分別是42.6℃和41.5℃。

  此時，新風供熱需求大于建筑供熱需求。建筑供熱為次要供熱單元;新風供熱為主要供熱單元。如圖3中d區(qū)域所示，室外干球溫度和室外平均露點溫度分別是：-4.2℃和-18.9℃。蒸發(fā)溫度遠高于露點溫度，熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)無結(jié)霜現(xiàn)象。

  3.1.2 采暖建筑數(shù)據(jù)分析

  如下表3所示，室外平均干球溫度2.64℃，一/二/三/四樓大廳月平均溫度分別為22.7℃、19.2℃、15.7℃和14.6℃。其中，高樓層大廳用戶窗常開，導致三/四樓大廳室內(nèi)溫度偏低。各樓層病房月平均溫度為：24.9℃。病房人員日間習慣窗戶微開，保持室內(nèi)空氣流通，故日間室內(nèi)溫度存在小范圍波動，室內(nèi)溫度基本不低于20℃。

  在極端惡劣天氣(23日~25日)下，采暖建筑各層醫(yī)生辦公室和病房基本不受影響，始終保持室內(nèi)溫度20℃以上。采暖建筑三/四樓大廳溫度有下降，基本維持在10℃以上。

  3.1.3 熱泵系統(tǒng)能效分析

  對各采集數(shù)據(jù)綜合分析，整個冬季采暖測試時間：2016年1月19日~3月4日，共45天。總體性能指標如下表4所示，采暖周期內(nèi)平均結(jié)霜系數(shù)為0.96。其中，共有四天結(jié)霜天氣(分別為：1月28日、1月29日、1月31日和2月1日)在換熱器翅片表面有結(jié)霜，結(jié)霜系數(shù)分別為0.96、0.94、0.97和0.98。

  如圖4所示，日均耗電量P與干球溫度呈反比關(guān)系趨勢，測試采暖周期內(nèi)日均耗電量2,260kWH。

  如圖5所示，呈現(xiàn)系統(tǒng)性能指標與室外干球溫度的變化關(guān)系。其中，日均熱泵機組COPH：3.12;日均熱泵系統(tǒng)COPASHP：2.76;日均采暖系統(tǒng)COPSYS：2.36。

  整理室外干球溫度與熱泵系統(tǒng)各項性能指標關(guān)系[16,17]，得出關(guān)系如圖6所示，在室外干球溫度為2.82℃左右時，系統(tǒng)整體運行效率達到最大值。隨著室外溫度逐漸升高，熱泵機組COPH提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP降低，采暖系統(tǒng)COPSYS降低。

  3.1.4 能效變化原因分析

  如圖6所示，室外干球溫度與系統(tǒng)性能指標總結(jié)為以下3點：

  1)在測試采暖周期內(nèi)，當室外干球溫度低于2.82℃時，系統(tǒng)的整體性能指標(包括熱泵機組COPH，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS)隨著溫度上升而提高;

  2)當室外干球溫度等于2.82℃時，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS達到峰值。

  3)當室外干球溫度超過2.82℃時，熱泵機組COPH隨著溫度升高而提高;而熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨著溫度升高而下降。

  系統(tǒng)主要設備功率如表5所示，單臺熱泵機組功率為39.3kW;單臺水泵功率為15.5kW;室內(nèi)風機共264臺，風機總功率為25kW。由于室外干球溫度升高，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機組運行數(shù)量減少，使得采暖水泵和室內(nèi)風機等占主要運行能耗。系統(tǒng)能效變化原因分析有以下2點：

  1)當室外干球溫度低于2.82℃時，為滿足室內(nèi)供暖需求，熱泵機組運行臺數(shù)保持在3臺或以上，機組運行功率占系統(tǒng)總功率的3/4以上，熱泵機組運行功率在系統(tǒng)性能指標上起主導作用。室外干球溫度提高，熱泵機組COPH運行效率提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS提高。

  2)當室外干球溫度高于2.82℃時，室內(nèi)供暖需求降低，熱泵機組運行臺數(shù)降低至2臺或以下，機組運行功率占系統(tǒng)總功率1/3以下，水泵和室內(nèi)風機的運行功率影響整體熱泵系統(tǒng)的效率。室外干球溫度提高，熱泵機組COPH運行效率提高。同時，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機組運行功率占實際運行功率的比重降低，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨室外干球溫度升高呈降低趨勢。

  3.2 結(jié)霜工況分析

  3.2.1 數(shù)據(jù)分析

  本文選取典型結(jié)霜日(1月29日10:00～1月30日11:00)，對熱泵機組在結(jié)霜環(huán)境下工況做進一步分析。結(jié)霜工況下各項性能指標平均值如表6所示：

  觀察圖7，29日10:00～16:30室外平均干球溫度為3.5℃，平均濕球溫度為3.0℃。熱泵機組蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進入間歇啟停模式，平均總供水溫度為33.1℃。29日16:30～17:30，環(huán)境干球溫度不變，含濕量逐漸降低，露點溫度逐漸下降;29日17:30～30日11:00，系統(tǒng)進入普通運行模式。在結(jié)霜工況下，一/二/三/四樓平均室內(nèi)溫度分別為23.0℃、23.5℃、23.1℃和24.6℃，采暖建筑供暖正常。

  觀察圖7中a和b區(qū)域，16:24時，空氣濕度降低，此時總供水溫度為31.3℃;16:54時，熱泵系統(tǒng)總供水溫度首次達到40.3℃;17:36時，回水溫達到40.2℃，表明熱泵系統(tǒng)開始穩(wěn)定運行，此時環(huán)境溫度3.41℃，露點溫度0.12℃。熱泵系統(tǒng)在結(jié)霜時，可保持總供水溫度保持在33.0℃附近，但達不到設定值要求溫度(44.0℃)。

  3.2.2 能效比分析

  如圖8所示，結(jié)霜工況下(29日10:00-16:30)，系統(tǒng)進入間歇啟停模式，熱泵機組COPH下降，均值為2.89。當系統(tǒng)結(jié)束化霜進入普通模式后(29日18:00-30日11:00)，各COP值上升，系統(tǒng)開始正常運行。

  如圖9所示，在結(jié)霜工況下，系統(tǒng)供電總功率維持恒定，在小幅度范圍內(nèi)(113kW-115kW)正常浮動。

  3.3 經(jīng)濟性分析

  如圖10所示，在測試周期內(nèi)，日均耗電量為2,559kWH，每平方日均耗電為0.29kWH，每天每平方采暖費用為0.25元。系統(tǒng)在高負荷日均消耗3,943kWH;低負荷日均消耗696kWH。

  如圖11所示，每平方日均采暖費用和室外干球溫度成反比趨勢。室外干球溫度越高，每平方日均采暖費用越低。

  4 總結(jié)

  本文對南京某醫(yī)院的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進行冬季采暖測試，得出以下結(jié)論：

  1 ) 單臺熱泵平均COPH為3.12，運行良好。隨著室外干球溫度上升，單臺熱泵機組的工作效率隨之提高。熱泵壓縮機功率為39.3kW，水泵功率為15.5kW。故當實際熱泵運行臺數(shù)減少時，水泵及末端風機盤管的電功率將直接影響系統(tǒng)的能效比。結(jié)合本項目測試數(shù)據(jù)分析，當室外干球溫度達到2.82℃時，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖建筑COPSYS會降低。

  2 ) 夏熱冬冷地區(qū)，結(jié)霜天氣較少，使用空氣源熱泵進行冬季采暖可以達到節(jié)能減排的目的。在本測試周期(共45天)中，出現(xiàn)2天惡劣天氣和4天結(jié)霜現(xiàn)象，最低總出水溫度為33℃，系統(tǒng)仍能保持正常供暖。結(jié)合本項目測試數(shù)據(jù)分析，當露點溫度接近3℃時，熱泵蒸發(fā)器會有結(jié)霜現(xiàn)象。

  3 ) 整個冬季采暖測試過程中，機組高負荷時期，日均消耗3,943kWH;機組低負荷時期，日均消耗696kWH;整個測量周期內(nèi)，日均耗電量平均值為2,559kWH，每平方米日均耗電為0.29kWH，每天每平方米采暖費用為0.25元。在夏熱冬冷地區(qū)，熱泵機組采暖工況條件適宜，能滿足經(jīng)濟性和舒適性要求。

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