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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、秦皇島及南通地區的4個綠色建筑項目ASHP系統進行現場實測，分析了ASHP系統實際運行性能及共性問題。研究結果表明綠色建筑ASHP系統的運行性能較低，機組COP在1.25~2.8之間，系統COP在0.8~2.23之間，存在ASHP機組“誤除霜”、輸配系統“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，其系統規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展的重要保證。現有研究已開展了一些空氣源熱泵系統的實測研究，如王子介等[1]在南京某住宅進行一個供暖期的現場實測，提出了空氣源熱泵用于地板輻射采暖系統時的改進意見;李雄志等[2]基于長沙某辦公樓空氣源熱泵系統進測試，分析了空氣源熱泵的經濟性優勢;王偉等[3~6]通過北京、貴州等地區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]
對北京地區農宅空氣源熱泵供暖系統進行監測，分析了“煤改電”的環境效益;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性能的影響;周嚴等[9]對膠東7個空氣源熱泵系統進行了短期測試，分析了系統熱損失較大、熱源與末端不匹配等問題;胡繁昌等[10]測試了北京地區某農宅空氣源熱泵系統，并提出了實際運行優化措施;楊強等[11]針對“煤改電”項目中的空氣源熱泵供暖系統測試結果，分析了系統循環水泵的運行能耗及節能潛力。
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境效益，同時也揭示了一些關鍵問題。但是，現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為對象，尚缺乏綠色建筑中大型空氣源熱泵系統的實測研究。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、南通地區的4個綠色建筑空氣源熱泵系統，在2017~2018年供暖季進行了長期現場實測，全面分析了各工程中空氣源熱泵系統的實際運行效果，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發展。
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均為一次泵系統，圖1為系統原理圖。系統中設置有多臺空氣源熱泵并聯運行，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。多數空氣源熱泵系統僅設置循環水泵兩臺，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
設置自動監測系統，對空氣源熱泵系統機組及水泵關鍵參數進行實時監測，主要包括：室外參數、系統實際運行參數、系統基本能耗等。以上數據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運行性能系數(COPsh)、熱泵機組運行性能系數(COPh)以及循環水泵耗電輸熱比(EHR)，對綠色建筑空氣源熱泵系統實際運行情況進行評價。評價指標的計算公式如下：
(1)熱泵系統運行性能系數(COPsh)
熱泵系統運行性能系數為時間內熱泵系統的總供熱量與系統耗電量(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時間內循環水泵的耗功量，kJ;cp為水的比熱容，取為4.2;Gi系統循環水質量流量，kg/s;Wh,i為i時刻熱泵機組功率，kW;Ww,i為i時刻循環水泵功率，kW;Tgi和Thi分別是i時刻系統供回水溫度，℃。
(2)熱泵機組運行性能系數(COPh)
熱泵機組運行性能系數為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) 循環水泵耗電輸熱比(EHR)
循環水泵耗電輸熱比為T0時間內系統循環水泵的耗電量與系統的供熱量之比。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，測試工況特點不同。北京和秦皇島位于寒冷地區，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%，秦皇島地區相對濕度穩定較低，維持在平均值38%左右波動。南通位于夏熱冬冷地區，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
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。可見，調查的4個綠色建筑空氣源熱泵系統實際運行效果不佳。
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，供暖系統水溫設定點在實際運行時缺乏調節。
1.3.5 輸配系統
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。可見，實際運行中空氣源熱泵系統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
由系統整體運行性能及運行情況可看出，系統在測試期內COPsh值在0.8~2.2之間，COPh值在1.25~2.8之間，系統運行性能不佳。本文基于實測數據，針對空氣源熱泵系統運行性能低下的現象，詳細分析影響系統運行的共性問題。
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，北京和秦皇島地區室外工況較為干燥，超過50%室外工況位于非結霜區，位于結霜區的工況僅占43%和32%，極少有重霜區工況。南通地區室外氣溫相對較高，但其相對濕度較大，約30%的室外工況位于一般結霜區和重霜區。由此可見，不同氣候區室外工況差異較大，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的環境工況差異性，導致“誤除霜”事故頻發。
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“大流量小溫差”問題
測試項目循環水泵多為定頻水泵，南通某辦公樓項目循環水泵雖為變頻水泵，但是實際運行中保持固定頻率運行，水泵缺乏調節。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，水泵缺乏調節能力與建筑負荷波動和機組臺數變化矛盾，引起了部分負荷下輸配系統“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控制問題
監測項目均采用模塊化的空氣源熱泵機組，在實際運行中，傳統的空調機組臺數控制策略難以實現機組運行臺數實現精準、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壓縮機運行臺數變化圖，北京某辦公樓項目空氣源熱泵系統無群控策略，機組根據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，雖較同起同停控制略有優化，但也不能達到機組臺數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。
2.4 空氣源熱泵機組熱損失問題
在系統運行過程中，由于防凍的需要，停機狀態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，通過監測供回水主干管水溫度與流量、每臺運行狀態機組的進出水溫度與流量，計算系統總制熱量Q1=(n為運行機組數量)、系統供熱量Q2，系統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在綠建中的實際運行性能較低，具有較大的節能優化空間。
(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“大流量小溫差”、機組運行臺數控制不當以及機組熱損失共性問題，嚴重影響了系統的運行性能。
(3)為發揮空氣源熱泵的優勢，提高綠色建筑質量，需針對空氣源供暖系統設計選型方法、空氣源熱泵群控策略、空氣源熱泵水系統部分負荷運行控制方案等方面進行研究。
參考文獻
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