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梁士民：超低溫空氣源熱泵在京津冀地區的應用問題及對策
內容提要
北京工業大學建筑環境與能源應用工程系博士梁士民出席“熱立方杯”第六屆中國空氣源熱泵供暖高峰論壇，發表題為《空氣源熱泵在京津冀地區應用問題及對策》的演講，他介紹到，空氣源熱泵已成為我國京津冀“煤改電”利用、長江流域解決供暖問題的重要節能技術。然而，空氣源熱泵實際運行工況偏離名義工況，在實際應用過程中存在結除霜、臟堵等運行問題和機組選型不當、控制策略不佳等設計問題，他針對典型問題進行分析并提出應對策略。以下為演講實錄。
我所在課題組以HVAC系統高效運行與優化控制、綠色建筑可再生能源利用關鍵技術與能效評價為主要研究方向，以空氣源熱泵高效利用和良性發展為目標，致力于解決結除霜、臟堵等關鍵問題。我們課題組曾負責北京地區首批“煤改電”空氣源熱泵工程的測評工作，主編國內首部空氣源熱泵專著《空氣源熱泵技術與應用》，還編制了行業標準《空氣源熱泵供暖工程技術規程》和一些地方標準。我們團隊主要有兩個研究方式，即現場工程實測和模擬，進行現場實測的工程中，最長的工程已經檢測了八個供暖季，這一塊的數據是相當豐富的。
空氣源熱泵應用及典型問題
我國住建部于2015年將空氣源熱泵列入到可再生能源技術中，目前，超低溫空氣源熱泵已成為我國京津冀“煤改電”利用、長江流域和川西藏區解決供暖問題的重要節能技術。本來我國的空氣源熱泵需求量就比較高，在政府“煤改電”政策的扶持下，空氣源熱泵出現了井噴式的增長。
空氣源熱泵作為一個高效節能的技術，在名義工況下非常高效，并且相關的規范、標準要求也相當明確。但看上面兩張圖，這個圖是北京和石家莊的圖片，可以看到空氣源熱泵在運行過程中的實際工況嚴重偏離了名義工況，這個也會造成機組在設計和運行中出現一定的問題。
針對這個問題，我們做了以下總結：空氣源熱泵在設計工況(名義工況)下是高效的，但實際運行中存在一些問題，主要有結霜導致COP衰減，下降35%～55%;除霜也會引起室內環境溫度的波動，當然如果除霜邏輯不準確，還會造成誤除霜，COP出現18%～28%的衰減。
設計問題包括設計工況偏離實際運行工況，造成機組選型不合理;控制策略不佳，系統與用戶的供需不同步;熱損控制不當，水箱、輸配管道熱損過大等。
空氣源熱泵的典型問題分析
這幾張圖片是針對北京、石家莊、天津以及張北地區的實際運行工況做了一個分析，藍色點是典型年的實際運行工況，白色的區域是結霜區，下面代表非結霜區。可以看到這四個地方的結霜區占比都在40%以上，也就是它的結霜工況是非常多的。如果機組在運行過程中除霜策略控制不準確，就會帶來一系列的問題。
目前理想的除霜控制策略應該是遵循這樣的工作流程：感知霜層存在→監測霜層增長→判定最佳除霜控制點→除霜。目前第一階段感知霜層存在做得非常好，第二階段監測霜層生長這一塊可能不是非常準確，對于最佳除霜控制點目前也基本是靠經驗判斷，缺少理論研究，我們針對這一塊也開展了相應的研究。
我們針對常規的除霜策略、溫度—時間除霜控制方法也做了一個分析，針對不同的工況，也針對不同地區的誤除霜做了一個統計。通過對寒冷地區一些典型的代表性城市所做的統計發現，在寒冷地區主要是以無霜除霜為主;而對于夏熱冬暖地區，主要是有霜不除，因為濕度比較大。
另一個運行問題是臟堵問題，這個問題非常常見，但特別容易被忽略。我們在實際工程中發現臟堵情況還是挺嚴重的，臟堵形成過程復雜，臟堵劣化影響被忽視，多數機組沒有臟堵故障診斷功能，僅提示“定期清潔和維護”。
我們針在供冷季針對機組的臟堵問題進行了測試，發現機組在臟堵狀態下引發機組軟故障和硬故障。另外，相比于沒有臟堵情況的機組，有臟堵帶來的制熱量損失大概是5%～18%，供冷季臟堵故障未及時清除，機組日平均COP逐漸下降，最低僅1.92。
在供暖季臟堵還會帶來另一個影響，就是促進結霜。機組在供暖季沒有清垢，發現本來不結霜的工況下換熱器的表面出現了結霜現象，說明臟垢會促進結霜。測試發現，在臟堵狀態下機組頻繁出現臟霜共存現象，運行性能劣化嚴重，平均COP僅2.08。
另外是設計問題，第一個問題是機組選型問題。常用方法一是根據干球溫度、融霜、相對濕度，但這個方法還是存在一定缺陷的，融霜系數并不是根據實際的除霜情況選取，這樣必然造成修正不準確，最終造成選型的問題。常用方法二是根據干球溫度和化霜的修正系數，問題是沒考慮機組結霜損失，導致選型超配。
設計問題中的第二個問題是控制策略設計不當，熱水機組簡單改型，冷凝器位于水箱內，機組啟停根據水箱溫度控制，水泵啟停根據回水溫度控制，存在水泵頻繁啟停問題。測試期內水泵日平均啟停65次，最高可達184次。典型日的6個小時內機組啟停47次，水溫波動明顯。
設計問題之三是系統漏熱比較明顯，水箱保溫性差、管路未保溫導致系統漏熱嚴重。
空氣源熱泵問題的應對策略
針對上述問題，我們已經開發了相關的應對策略，針對機組開發，應當從改善換熱條件、改進壓縮機技術、抑制機組結霜、提升低溫性能等方面入手。
然后是開發一些高效的控霜策略，受環境溫度、濕度、風速、空氣清潔度等多種因素的影響。我們開發了三種除霜策略，第一種是“光-電轉換”測霜技術，第二種是THT控霜技術，第三種是TTT控霜技術。
首先是“光-電轉換”測霜技術，光電控制器裝在分葉管上，沒有霜的情況下電壓信號是無遮擋的，隨著霜高的不斷增加，電源情況是逐漸增加的，達到一定程度后進行除霜，除霜是依據霜的實際生長高度進行的，所以這個技術可以實時檢測霜的生長。再就是THT控霜技術，依據環境溫度、濕度、時間這三個參數進行開發的。還開發了TTT控霜技術，根據盤管溫度、進風溫度、出風溫度反映換熱器的效率，運行效果也非常好。
針對臟堵問題我們開發了相關臟堵的診斷方法。空氣源熱泵性能劣化受臟堵程度和環境溫度共同影響，臟堵程度增加使運行參數發生1%～121%不同程度劣化，除垢點為臟堵程度超過40%。我們要開發這個策略就是把空氣、環境溫度的影響屏蔽掉，就開發了TTT臟堵故障診斷法。利用TTT方法可合理指導臟堵故障清除，使COP提升了10%;相比于未使用診斷方法，使機組供冷季的平均COP提升了11%。
對于系統優化我們也提倡系統合理配置、末端合理設計、能源合理利用。總之，空氣源熱泵是高效的可再生能源利用技術，具有廣闊的應用空間和價值，其設計問題(機組選型、控制設計、系統漏熱等)不可忽視，典型應用問題(機組結霜、誤除霜、臟堵等)不可避免，要從機組開發、設計優化、技術應用等層面入手，發揮其巨大的節能潛力。
未來，需要開發、設計、運行多方面的協同合作以及政府、企業、高校、科研院所、協會多層面的協同合作，共同推動超低溫空氣源熱泵技術在京津冀地區的高效應用和良性發展。