采用变回水温度控制策略的空气源热泵空调系统研究

靳成成王如竹翟晓强金哲权

（1上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2挪威科技大学能源与过程工程系 特隆赫姆）

采用变回水温度控制策略的空气源热泵空调系统研究

靳成成1王如竹1翟晓强1金哲权2

（1上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2挪威科技大学能源与过程工程系 特隆赫姆）

为了提高空气源热泵空调系统运行性能，研究了一套采用变回水温度控制策略的空气源热泵机组的制冷性能。实验研究表明，变回水温度工况可满足室内冷负荷需求。与传统采用定12℃回水温度的空气源热泵空调系统相比，COP更高，耗电量更小，是一种高效节能的空气源热泵空调系统控制方法。此外，所建立的Dymola模型从理论上验证了实验结果，在此基础上模拟实际空调系统的能耗，模拟结果表明，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

空气源热泵；变回水温度；Dymola模拟；制冷性能实验；性能系数（COP）

随着人民生活水平的提高，建筑能耗在全国总能量中的比例日益加大，2014年我国建筑能耗占全国能源消费总量约为25%。而在欧洲发达国家，建筑能耗已经占总能耗的40%和CO2排放量的36%［1］。中国提出到2020年单位GDP碳排放下降40%～45%的减排目标［2］，根据预测，到2020年，我国建筑能耗消费总量还会有较显著的提升。而在建筑能耗中，空调能耗占50%［3］。因此，降低空调能耗对建筑节能具有重要意义。Jenkins D等［4］对空气源热泵进行经济性分析，得出空气源热泵空调系统相对于传统空调系统更加节能，且在减少办公室CO2排放量方面有显著优势。空气源热泵冷热水机组可以与风机盘管结合形成比较高效的建筑楼宇空调系统，对解决舒适性供暖和高效制冷具有积极意义。

目前一些文献已就提高空气源热泵性能进行了研究，齐亚茹等［5］提出引入强化补气技术，在低温环境下使系统COP提高7.7% ～25.0%。杨亮等［6］提出一种外绕微通道冷凝器，通过仿真分析指出增大冷凝器可以提高系统COP，王志华等［7］、郝鹏飞等［8］提出了新型无霜空气源热泵。对于供回水温度对空调系统的性能影响一些学者也进行了研究。Bertsch S S等［9］、Li Y等［10］提出双级压缩热泵在低温环境下仍能达到较高的COP。王刚［11］提出优化系统运行时应根据实际运行工况、系统阻力损失等因素来确定冷冻水的供回水温度。杨晓敏［12］通过空调系统实际运行数据对小流量大温差与大流量小温差的运行工况的节能性能进行了对比分析，表明小温差（5～7℃）下的系统节能率比大温差（8℃）的节能率高。吴海平［13］通过拟合公式得出制冷量和温差不变时，机组供水温度由5℃升高至10℃时，COP提高约15%。郑东林等［14］对不同运行模式（定流量、定温差、调节流量、调节末段开启台数控制）下的系统能耗进行了分析，结果表明采用不同供回水温差的控制方式可达到能耗最小的效果。吴伟等［15］通过实验验证，得出当夏季供10℃的冷水时，可实现冷水机组节能13%。从以上可以看出，已有研究集中于对10℃以下的供水温度和5℃以上的较大供回水温差的系统性能进行研究。此外，对供回水温度的控制方式比较模糊，未明确如何通过具体的物理参数对其进行控制。而本文对工况为13℃以上的供水温度，3℃以下的小供回水温差，回水温度随室外温度变化的控制策略下的空气源热泵空调系统进行了实验研究与分析。通过对定、变回水温度两种控制策略下的系统性能进行实验和模拟对比分析，得到具有实际应用价值的结论。

1　实验系统介绍

基于上海交通大学中意绿色能源实验楼的一套空气源热泵冷热水空调系统，开展了系列实验研究，空调区域的总建筑面积为292 m2。室外机组为涡旋式风冷热泵冷热水机组，额定制冷量为39.2 kW，额定制热量为39.5 kW，压缩机额定功率为12.2 kW，所采用的制冷剂为R410A。冷冻水供回水设计温度为7℃ /12℃。制冷机组有两台压缩机，通过压缩机启停来控制供回水温度，室内末端的启停来控制室内温度。

图1所示为测试系统示意图，系统共包含11个风机盘管末端，通过调节末端的数量来控制系统的冷负荷。在空气源热泵换热器进风侧放置温度记录仪，每隔2 min采集一次数据作为室外温度，存储24 h的数据，再导入Excel表格进行分析处理。供回水温度采用Pt1000热电阻进行测量，耗电量采用电流互感器进行测量，在数据采集仪上每隔2 min读取数据，其测试精度与测试范围如表1所示。实验中共测试了4个工况，如表2所示。

图1　测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of test system

表1　测试系统中不同传感器的测试精度与测试范围Tab.1 Specification of the sensors used in test system

表2　4种测试工况Tab.2 4 kinds of test condition

2　系统性能评价方法

通过上述实验数据，可得到机组总制冷量Q:

式中:c为水的比热容，取4200 kJ/（kg·℃）；ρ为水的密度，取103kg/m3；v为空气源热泵机组的水流量，m3/h；Tin为回水温度，℃；Tout为供水温度，℃。

制冷机组平均COP为:

机组负荷率定义为一段时间内机组实际耗电量与满负荷运行时的机组耗电量之比，即:

3　空调运行性能实验研究

3.1定回水温度控制策略

如图2所示，本次实验选择了气候条件相似的两天，比较回水温度为12℃时两种工况下机组的性能。

图2　室外温度随时间变化曲线Fig.2 Variation of outdoor air temperature w ith time

图3（a）和（b）分别表示末端开启个数不同时的供回水温度变化，定回水温度策略时供回水温差约为5℃。工况1负荷率较大，压缩机切换了30次，工况2负荷率较小，运行一个压缩机即可在短时间内达到室内设定温度，造成压缩机切换次数较多，切换了64次，对应的是供回水温度变化的次数，所以工况1供水温度变化较平稳，工况2供水温度在6～12℃间剧烈变化。

图3　供回水温度随时间变化曲线Fig.3 Variation of inlet and outlet tem perature w ith time

定回水温度策略时两种工况，流量为3.0 m3/h，工况1的平均制冷量为18.08 kW，负荷率为60%，COP为2.98；工况2的平均制冷量为15.46 kW，负荷率为40%，COP为3.80。由图4可知，压缩机运行状态不同，对应的COP不同。从图中可以看出，实验过程中，负荷相同时，相对于一个压缩机连续运行，工况1的COP为3.19，工况2的COP为3.49；在机组处于不停地切换运行状态时，能效降低，工况1的COP降低了6.6%，工况2的COP降低了4.6%，并且机组频繁启停会造成润滑油发热，压缩机摩擦阻力变大，所以采用适当的控制策略避免机组频繁启停对降低机组能量损失有重要意义。

图4　两种工况机组功率随时间变化曲线Fig.4 Variation of unit power consum ption w ith time under two conditions

3.2变回水温度控制策略

根据热泵的理论循环，供水温度的提升可以优化运行工况，COP将有较大提升，所以可以设想在满足室内负荷的情况下适当提高供水温度，水温提高除湿能力降低，建议在实际应用中配置独立除湿机组，例如固体吸附材料除湿［16］，形成温湿度独立控制的空调系统。随着供水温度提高，室内末端与空气的换热量降低，在冷负荷较大时，若供水温度设置过高，有可能不满足室内冷负荷需求，因此需要根据室外温度调节供回水温度。

图5所示为变回水温度实验下的室外温度随时间的变化曲线，认为是在相似的气候条件下，对系统性能进行对比。

如图6所示，室外温度较高时，供回水温度同时下降，且回水温度的下降速度高于供水温度的下降速度，导致供回水温差增大。系统全天运行实验表明，工况1的供回水温差为2.69℃，是定回水温度的54.7%，工况2的供回水温差为2.38℃，是定回水温度的53.8%。根据多次实验拟合得如下公式:

图5　室外温度随时间变化曲线Fig.5 Variation of outdoor air temperature w ith time

图6　供回水温度随时间变化曲线Fig.6 Variation of inlet and outlet temperature w ith time

式中:Tin为回水温度，℃；Toutdoor为室外温度，℃。实验期间，室内负荷基本固定，所以，此拟合关系适用于本实验系统。

变回水温度策略时供回水温差较小，流量为3.8 m3/h。工况1的制冷量为15.95 kW，负荷率为40%，COP为3.68；工况2的制冷量为15.29 kW，负荷率为28%，COP为5.43。由图7可知，功耗的大小主要体现在压缩机运行时间和停机时间的比例，停机时间长，平均功耗较小。工况1压缩机停机6 h，工况2压缩机停机11 h，所以工况2负荷率较小。

图7　两种工况机组功率随时间变化曲线Fig.7 Variation of unit power consumption w ith time under two conditions

3.3定回水温度策略与变回水温度策略比较

定回水温度与变回水温度控制策略均能使室内温度稳定在设定点，衡量这两种控制策略的节能性就表现为机组COP。

图8　定回水温度策略与变回水温度策略系统性能比较Fig.8 System performance comparison of fixed inlet water temperature strategy and variable inlet water tem perature strategy

如图8所示，采用定回水温度控制策略时，工况1的COP为2.98，工况2的COP为3.80；采用变回水温度控制策略时，对应工况的COP分别为3.68和5.43，与前者相比，工况1的COP提高了23%，工况2的COP提高了43%，所以变回水温度控制策略在工况2下耗电量更小，COP更高。

4　系统性能仿真

4.1建立模型

Dymola是一种较好的模拟热泵的软件，采用Modelica语言编写程序，可调用多种模型库，图9中模型建立在TIL库的基础上，为以R410a为制冷剂的空气源热泵空调系统循环。空气侧室外风机是在最大风量的限制下，根据冷凝器进口处，制冷剂和室外空气最小温差，采用PI控制。制冷剂循环系统包含压缩机，板式蒸发器，翅片盘管冷凝器，膨胀阀等。压缩机根据回水温度进行PI控制；膨胀阀根据热力膨胀阀的原理，使用3℃的过热度进行阀门开度控制。根据实验工况下所测得数据，包括冷负荷、室外空气温、湿度为边界条件，模拟出某一夏季工况下的热泵运行特性。主要模拟结果包括:机组COP，供回水温度以及机组功耗随时间的变化情况。

图9　空气源热泵空调系统制冷循环模型图Fig.9 M odel diagram of air source heat pum p cooling system

4.2模型验证与预测

以定回水温度策略的工况2和变回水温度策略的工况2中室外温湿度、制冷量作为边界条件验证模型的准确性。表3所示为模拟结果与实测结果比较。

由图10（a）可知，室外温度升高时，模拟的COP降低，与理论相符。但在室外温度较低时，实际测试中使用的双压缩机启停，机组的启停较为频繁，造成机组损耗较大。全天COP模拟值与实测值相差7%以内，工程上满足精度要求。

表3　模拟与实测全天平均制冷量、耗电量、COP比较Tab.3 Com parison of average cooling consum ption，power consum ption and COP all day

以定回水温度策略的工况2所测室外温湿度、制冷量为边界条件，导入回水温度与室外空气温度拟合关系式公式（4）测得变回水温度控制策略模拟结果，消除了实验中室外温度变化和流量变化的影响，确保与定回水温度策略比较时结果的可信性。由表4和图11可知，室外温度较高时，回水温度降低，供水温度降速更快，对应的供回水温差变大，与实验所测趋势一致。

表4　回水温度模拟值与实测值比较Tab.4 Comparison of simulated and experimental inlet water temperature

输入制冷量为15.46 kW，模拟得变回水温度控制策略的耗电量为3.52 kW，COP为4.39。在相同的边界条件下，设定回水温度为12℃，即为表3中定回水温度工况2所示，定回水温度控制策略的COP 为3.99，变回水温度控制策略较定回水温度控制策略COP提高了10%。

5　结论

本文对采用了变回水温度控制策略的空气源热泵空调系统进行了研究，可得出如下结论:

图10　两种工况的COP模拟值与实测值比较Fig.10 Com parison of simulated and experimental COP under two conditions

图11　变回水温度策略下模拟供回水温度Fig.11 Simulated inlet and outlet water tem perature w ith variable inlet water tem perature strategy

1）实验表明，采用变回水温度控制策略较定回水温度控制策略COP更高，在部分末端运行时效果更好，COP的提高更加明显；

2）系统模拟表明，典型日变回水温度工况优于定回水温度工况，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

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Wang Ruzhu，male，Ph.D.，professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn.Research fields:air source heat pump，building energy saving，absorption refrigeration.

Analysis of an Air Source Heat Pum p Space Cooling System under Variable Inlet W ater Tem perature Condition

Jin Chengcheng1Wang Ruzhu1Zhai Xiaoqiang1Jin Zhequan2

（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China；2.Institute of Energy and Process，Norwegian University of Science and Technology，Trondheim）

In order to enhance the operating performance of air source heat pump，the performance of air source heat pump（ASHP）system with the variable inletwater temperature strategywas experimentally studied.As field testshows，the condition of variable outletwater temperature could satisfy the indoor cooling demmand.Compared with traditional ASHP cooling system adopting fixed 12℃ inlet water temperature，this kind of system is proved to bewith higher COP and lower power consumption，and therefore is an obvious energy saving system.In addition，the Dymolamodelwas established to verify the experimental results，and the simulation of energy consumption ofactual air conditioning system was conducted based on themodel.The results indicated that COPwould improve 10 percent from 3.99 to 4.39. Keywords air source heat pump；variable inletwater temperature；Dymola simulation；refrigeration performance test；COP

About the

TQ051.5；TU831.3；TP391.9

A

0253-4339（2016）05-0075-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.075

2016年2月25日

简介

王如竹，男，博士，教授，上海交通大学制冷与低温工程研究所，（021）34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向:空气源热泵、建筑节能、吸附制冷。