空气源热泵频繁除霜下供热采暖运行特性研究

王艳 高文学 杨林 郭宏伟 王启 由世俊

摘要 以天津地区为例，通过模拟用户24 h供热水和供暖情况，研究空气源热泵在冬季频繁除霜工况下供热水和采暖的运行特性，分析供热水和采暖性能间的相互影响。非除霜时段，热泵制热量受供热水影响缓慢下降；供暖的同时大容量供热水，热泵制热量剧烈上下波动；供暖、供热水与除霜运行相重合时，除霜对热泵制热量影响占主导；系统实际供暖负荷受对外供热水情况影响显著。

关 键 词 空气源热泵；除霜工况；供热水；采暖；运行特性

中图分类号 TU822 文献标志码 A

0 前言

空气源热泵因其节能高效、安全环保、热水量大等特点，被广泛用于家庭供热采暖[1]；但当冬季室外气温较低、相对湿度较高时，空气源热泵应用受结霜制约，制热量显著下降[2]。 频繁除霜下，热泵制热能力及运行性能是决定其应用的关键所在[3-4]。 以天津地区为例，研究空气源热泵系统在冬季频繁除霜的不利制热条件下，热泵供热和采暖的运行特性，并重点分析了对外供应热水时供热和采暖性能间的相互影响。

1 实验系统

1.1 实验装置

供热采暖实验系统，由空气源热泵供热单元、蓄热水箱、数据采集仪和气象参数测试仪组成，其中，空气源热泵额定制热量5.20 kW，额定制热水能力110 L/h，额定功率1.27 kW，制冷剂采用R22/1.15 kg，COP为4.08；蓄热水箱容量300 L，水箱最大承受压力0.8 MPa。 设计实验流程，构建测试系统，使空气源热泵供热单元与水箱中部进出水口相连，直接加热水箱；生活热水系统在水箱上部直接取热，采暖系统通过与蓄热水箱上部盘管相连，间接从水箱中取热；采暖用户端，设置板换换热器，模拟用户采暖需求。系统流程及测点分布见图1。

1.2 运行模式及测试条件

针对天津地区，以供热面积100 m2居民住宅为例进行实验研究，据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003），设计日热水用量为300 L、供暖热负荷为4 kW。 以24 h为一测试周期，选取天津冬季典型供暖日，进行空气源热泵除霜工况下的供热采暖性能测试。 参照《带辅助能源的家用太阳能热水系统热性能试验方法》（GB/T 25967—2010）、 欧盟《供暖加热器、两用加热器、供暖加热器-温控器-太阳能集热装置集成系统以及两用加热器-温控器-太阳能集热装置集成系统的能效标志》（EU No.811/2013）和天津地区居民用水习惯，制定全天测试热水用热量比例时间表，见表1。 通过定时放水，实现对用户全天供热水用热量的模拟。

研究表明，传统空气源热泵在室外空气温度高于-3 ℃时，均可安全可靠运行[5]，而天津地区冬季月份（11月—次年1月）日均气温为-4 ～ 5 ℃[6]，结合京津地区空气源热泵分区结霜图谱[7]，选取2017年12月28日和29日为频繁除霜的典型测试日；由气象数据采集仪记录2017年12月28日8∶00至29日8∶00（记测试日1，如图2所示）和29日8：00至30日8：00（记测试日2，如图3所示），连续48 h室外温湿度数据，每间隔15 min记录1次，变化见图2和图3。 由图可知，测试日1室外温度为-2.2～1.9 ℃，室外湿度为79.6% ～ 80.4%；测试日2室外温度为-2.4～2.2 ℃，室外湿度为74.1%～80.3%；兩者均位于分区结霜图谱中的一般结霜区，此区域结霜频繁，而又不易发生有霜不除和无霜误除事故，可真实反映结霜条件下系统供热采暖运行特性。

实验前，开启热泵，设定制热温度55 ℃，将水箱加热至45 ℃，供暖环路通过调节进入板换的冷却水流量和温度实现供暖负荷4 kW；实验8：00开始，系统采暖连续运行48 h，用热水按表1规定时刻分别以4 L/min（5%用热比例时）和6 L/min（10%和15%用热比例时）流速放水，当放出热水达规定热量时，停止放水。用数据采集仪每15 s记录1次温度参数，即空气源热泵进出口温度t1和t2，采暖供回水温度t3和t4，热水出水温度t5，自来水供水温度t6；流量参数，即热泵循环流量q1，供暖循环流量q2，供热水流量q3；系统总耗电量ES。

1.3 数据处理与计算

1）热泵供热量计算

[Qhp=i=1nc×ρ×q1×τi×（t2-t1）60]， （1）

式中：[Qhp]为实验周期内热泵供热量，kJ；c为水的比热容，本研究取4.18 kJ/（kg∙℃）；ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；τi为数据采集时间间隔，s。

2）供暖耗热计算

[Qcs=i=1nc×ρ×q2×τi×（t3-t4）60]， （2）

式中：[Qcs]为实验周期内供暖耗热量，kJ。

3）供热水耗热计算

[Qch=i=1nc×ρ×q3×τi×（t5-t6）60]， （3）

式中：[Qch]为实验周期内供热水耗热量，kJ。

4）系统运行性能系数计算

[COPs=QhpEs]， （4）

式中：[COPs]为系统运行性能系数，无量纲；[Es]为系统总耗电量，kJ。

2 测试结果与分析

测试日1和测试日2内的热泵进出水温度及温差变化分别见图4和图5，采暖供回水及热水出水温度变化分别见图6和图7，系统消耗热量情况分别见图8和图9。

2.1 除霜运行

对比图4和图5，测试日内设置空气源热泵制热水温度55 ℃，即热泵最高制热水温度，并在整个测试周期内，保持此温度设定；热泵瞬时制热量受除霜和系统供热水影响，呈现剧烈变化。 由图4可知，测试日1内，热泵共运行自动除霜26次，均匀分布在整个测试日内，相邻两次除霜间隔时间约55 min；而由图5可知，测试日2测试周期内，热泵共运行自动除霜20次，19∶00前气温基本位于0 ℃以上，运行自动除霜6次，非均匀分布，19：00后气温降至0 ℃以下，且空气湿度逐渐增大，平均每55 min除霜1次。 对比图4和图5，发现每次除霜运行开始时热泵瞬时供热量急剧下降，并使热泵从制热转变为耗热运行，即通过逆循环完成自动除霜，随着除霜的完成，供热量降至拐点，随后热泵瞬时制热量会急剧上升，并回升至除霜开始前瞬时制热量上下；无放热水和除霜操作时段，热泵制热量维持相对稳定状态，直至下次自动除霜运行启动，往复循环。

2.2 热泵制热

除霜运行过程中，进出水温度对应出现先降低后升高的剧烈变化，除霜完成后，均回升至接近波动前数值；对比两测试日热泵进出水温差和供热情况可知，系统除8∶00外的大容量放水时段，即放热量占比为10%和15%的放水时段，随每次放水结束，热泵进出水温度出现明显波动，均呈现先降低后升高的连续性变化，同时引起热泵进出水温差出现剧烈上下波动，先升高后急剧降低，再回升至接近波动前数值；波动初期，因补水口和热泵进水口较接近，且前期放水过程中补入大量温度较低的自来水，使得热泵进水温度降低速率大于出水温度降低速率，温差增大，增至阶段极大值后，进水温度降低速率小于出水温度降低速率，温差减小，可能是水箱内部流体不规则流动造成传热不均引起的这种现象；随后温差降至阶段极小值，随热泵持续制热和流体传热，进出水温度均出现回升，但进水温度回升速率小于出水温度回升速率，温差增大，并回升至接近波动前数值。

两测试日系统在大容量的8：00放水时段和占比5%用热量的小容量9∶00放水时段，放水引起的波动均与除霜运行相重合，热泵进出水温度曲线和温差曲线与仅除霜运行下相应曲线变化趋势一致；因测试前，水箱被均匀加热至45 ℃，开始实验时，初始阶段放水而引起的热泵进出口水温变化较小，故热泵进出水温度曲线和温差曲线受放水影响较小，无放热水和除霜操作时段，热泵制热量可维持相对稳定。

两测试日其余占比5%放热量的小容量放水时段，即15∶00、16∶00和17∶00，放水结束后，热泵进出水温度曲线和温差曲线均无明显波动，一方面因该3个时段用户用热量占比较低，另一方面，对比图2和图3中15∶00-17∶00室外温湿度变化情况，该时间段为测试日气温最高且对应湿度较低时段，因空气源热泵制热性能随室外温度升高而升高，且湿度降低，热泵除霜间隔时间延长，此时段热泵制热水速率升高，故蓄热水箱水温波动较小，从而使热泵进出水温度无明显波动。

2.3 系统供热水

对比图6和图7，两测试日系统各放水时段所放热水，均呈现先快速升高后趋于稳定的状态。由图1可知，放水温度测温点置于连接放水口和水箱间的管路上，故放水初始时刻，所测水温为放水口和水箱间管路中存水温度，放水时间间隔越长，受环境温度影响越大，放水温度趋于稳定时所对应温度才为此时段有效供热水温度；对比热泵制热水能力110 L/h（约1.8 L/min）和放热水速率4 L/min或6 L/min，制热速率不足以弥补放水引起的热量消耗；19∶00、20∶00和21∶00系统所放出热水温度在35～40 ℃之间，其余时刻放出热水温度在40～45 ℃之间，作为家用供热水终端，基本可满足用户端冬季出水温度高于40 ℃的需求[8]。

2.4 系统供暖

供暖设计负荷4 kW，即每15 s测量间隔设计供暖量为60 kJ，由图8和图9可知，两测试日全天供暖波动出现在19∶00系统用热水后，随着19∶00、20∶00和21∶00系统对外大量供应热水，瞬时供暖量先降低后升高，随后逐渐趋于平稳，回升至设计负荷上下；测试日1最低供暖量出现在21∶35左右，对应采暖供水温度32 ℃、供暖量约16.5 kJ；测试日2最低供暖量出现在21∶30左右，对应采暖供水温度34 ℃、供暖负荷约17.5 kJ；对比实测与设计值，2测试日均在19∶00至第2天凌晨1∶00左右，系统实测供暖量明显小于设计值，且此时间多为住户室内活动时段，对室内供暖舒适性要求较高，远低于设计值的供暖负荷，无法保障用户供暖体验。

2.5 系統运行性能系数

据公式（1），计算测试日1热泵全天供热量Qhp1为243.30×103 kJ，测试日2热泵全天供热量Qhp2为245.93×103 kJ；由电量表记录测试日1系统全天总耗电量Es1为30.58 kWh，即110.09×103 kJ，记录测试日2系统全天总耗电量Es2为27.80 kWh，即100.08×103 kJ；由公式（4），求得测试日1和2各自全天系统运行性能系数COPs分别为2.21和2.46。热泵频繁除霜工况下，两测试日系统运行性能系数COPs均远低于《热泵热水机（器）能效限定值及能效等级》（GB 29541—2013）中规定的能效限定值3.00。

3 结论

针对空气源热泵冬季供热采暖运行，模拟用户全天24 h用热水和供暖情况，结合天津地区典型结霜供暖日运行数据，分析频繁除霜工况下，系统供热水和供暖的运行特性：

1）除霜运行基本不受供热水和采暖运行影响，主要取决于室外温湿度情况，而反之，频繁除霜下，非除霜时段热泵制热量受其影响而出现缓慢下降；

2） 仅供暖运行，热泵制热量趋于平稳；供暖的同时大容量供热水，引起热泵制热量剧烈波动；供暖、供热水与除霜运行相重合时，除霜对热泵制热量影响占主导；

3） 系统供热水时，实际供暖负荷受供热水情况影响显著；

4） 测试日1和2全天系统运行性能系数COPs均远低于《热泵热水机（器）能效限定值及能效等级》（GB 29541—2013）中规定的能效限定值，可通过配置高制热能力热泵或与壁挂炉等多种能源联用，改善冬季制热性能、提高用户用热体验。

参考文献：

[1] 江亿. 华北地区大中型城市供暖方式分析[J]. 暖通空调，2000，30（4）：30-32.

[2] 柴沁虎，马国远. 空气源热泵低温适应性研究的现状及进展[J]. 能源工程，2005（5）：25-31.

[3] 林道光，李小华，唐景立. 空气源热泵除霜研究[J]. 建筑节能，2013，41（4）：30-33.

[4] 巫建文. 空气源热泵的进、出水温度对其制热能力的影响的探讨[J]. 福建建材，2013（7）：84-85.

[5] 龙惟定，武涌. 建筑节能技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009：106.

[6] 中国地面气候标准值月值（1981—2010）[EB/OL]. [2018. 04. 02]. http：//data. cma. cn/data/weatherBk. html.

[7] ZHU J H，SUN Y Y，WANG W，et al. Developing a new frosting map to guide defrosting control for air-source heat pump units[J]. Applied Thermal Engineering，2015，90：782-791.

[8] 王增长. 建筑给水排水工程[M]. 4版. 北京：中国建筑工业出版社，1998：161-162.

[责任编辑 田 丰]