超低温空气源泵供暖实测研究

张喜明 李向远 曹月勇 王永辑 王俊莛 尹维亮

（吉林建筑大学市政与环境工程学院 吉林长春 130118）

0 引言

为了解决环境污染的的引起的各种问题，国家“十三五”规划中提出：“实施以电代煤、以气代煤，使用清洁能源提供供热、供冷服务”，减少燃煤消耗，耗防治大气污染［1］。随着国家政策的逐渐加大，空气源热泵得到大力发展［2］。超低温以准二级压缩及喷气增焓热泵系统保证机组-25 ℃能正常制热，得以在寒冷地区得到大量应用［3-4］。

为了提高空气源热泵的制热性能，大量学者进行了研究，但以机组供水温度对热泵的制热性能作为研究的切入点较少。本文对超低温空气源热泵供暖项目进行实测研究，得出低温条件下的机组最佳额定供水温度。

1 气候条件和工程简介

本供暖项目地点位于长春市，属于东北大平原地带，气候类为温带大陆性半湿润季风气候。受纬度位置影响，冬季气候比较寒冷，最低室外环温为-30 ℃。根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176—2016），长春市属于严寒C 区，采暖季时长为165 d，室外计算温度为-20.8 ℃。

此采暖工程采用8 台超低温空气源热泵机组并联，机组型号为北极星300S-PS，相关配套4 台循环水泵及相应辅助设备，循环水泵的额定流量为60 m3/h，采暖末端采用风机盘管，室内采暖设计温度为20 ℃，供暖系统如图1 所示。

图1 超低温空气源热泵供暖系统图

2 适应范围

空气源热泵机组采用逆卡诺循环的制热工作原理制热，最低适用环温为-15 ℃，正常环温适用区间为-10 ℃～40 ℃。超低温空气源热泵增设了一条联通压缩机的喷射增焓支路，具有超高的供水温度和超宽的环温适用范围（如图2 所示），其中机组制热的运行环温范围为-30 ℃～21 ℃，机组制冷的运行环温范围为21 ℃～43 ℃。

图2 超低温空气源热泵机组运行框图

由图2 可知，超低温空气源热泵机组在-30 ℃～43 ℃环温范围内能安全稳定运行，最高供水温度可达到65 ℃。在-30 ℃～-15 ℃环温区段为机组降水温运行区间，原因是随着室外环境温度越低，机组可从室外环境中提取的热量越少，导致机组供水温度下降；-15 ℃～30 ℃为机组常规运行区间，该区间机组运行安全稳定，制热能效比高；30 ℃～43 ℃为机组卸载运行区间，原因是随着室外环境温度越高，系统在高温高压下运行时间就越长，能耗越高，达不到节能目的且压缩机容易损坏。当环温为-25 ℃时，超低温空气源热泵机组的制热能效比常规空气源热泵机组提高65%左右，制热能效比高于1.8，机组节能明显。当环温低于-30 ℃时，超低温空气源热泵机组运行不稳定、不安全且不节能。

3 供水温度对机组制热性能的影响

机组制热的运行环温范围为-30 ℃～-20 ℃，取步长为10℃；供水温度分别选30 ℃、41 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃。由于当室外湿度高时，空气源热泵机组会出现结霜现象，机组除霜时会出现供水温度偏离设定值的情况，本超低温空气源热泵机组的除霜情况是根据实际运行情况进行智能除霜，为减少低温时机组的能耗和机组除霜运行时的不稳定影响，所以记录机组稳定运行时的数据，时间间隔取1 min。记录数据如图3～图6。

图3 制热能力随供水温度变化图

由图3 和图4 可知，当环温为定值时，制热能力和输入功率均与供水温度呈正相关，并且随着室外环度越低，机组有效供水温度区间越小。当环温为-30 ℃～-20 ℃时，50 ℃～60 ℃的供水温度区间没有有效的制热能力且机组无法达到设定供水温度。当环温高于等于-30 ℃时，供水温度为30 ℃、41 ℃、45 ℃的机组均有良好的制热能力和有效的输入功率。当供水温度为定值时，由于制热能力与输入功率随室外环境温度变化趋势基本一致，以-25 ℃环温为例，供水温度为41 ℃与45 ℃的机组比供水温度为30 ℃的机组的制热能力分别增加了约2.1%和2.6 %；供水温度为41 ℃与30 ℃的机组比供水温度为45 ℃的机组的输入功率分别减少了约4.9%和15.5%。当环温低于-30 ℃时，机组无法达到设定供水温度且制热能力急剧下降。

图4 输入功率随环境温度变化图

由图5 可知，当供水温度为定值时，机组COP 与室外环境温度呈正相关。当供水温度为41 ℃时，环境温度升高机组COP 也上升，原因随着环境温度升高机组能从外界获取的能量也越高，能效比上升。当室外温度成定值时，机组COP 与供水温度呈负相关。当环温为-30 ℃时，机组最低COP 值为1.71，对应45 ℃的供水温度；当环温为-20 ℃时，机组最低COP 值为2.17，对应60 ℃的供水温度。在最佳额定供水温度41 ℃条件下，将环温从-30 ℃提升至-20 ℃，机组COP 从1.8增至2.25，增幅为25.6%。由图6 可知，当室外温度为定值时，供水温度与室内温度呈正相关。当环温高于-30 ℃时，供水温度区间为30 ℃～45 ℃；当环温高于-25 ℃，供水温度区间为30 ℃～50 ℃；当环温高于-20 ℃时，可取供水温度区间为30 ℃～60 ℃。此种情况下室内温度均可满足室内设计采暖温度需求。

图5 COP 随环境温度变化图

图6 室内温度随环温变化图

4 结论与展望

综合室内采暖温度要求、耗电量、制热能效比三方面需求得出以下结论；

（1）在一定设计温度下，环温-30 ℃～-20 ℃区间时，机组最佳额定供水温度为41 ℃，机组COP 在1.8 以上；当机组供水温度为41 ℃时，环温由-30 ℃提升至-20 ℃，对应COP 由1.8 提升至2.25，增幅约25%，提升效果明显。

（2）在一定设计温度下，当环温高于-20 ℃时，机组最佳额定供水温度为30 ℃，机组COP 在2.5 以上；当机组供水温度为30 ℃时，环温由-20 ℃提升至-10 ℃，对应COP 由2.5 提升至3.26，增幅约30.4%，提升效果明显。

本文的研究成果理论上可以使的超低温热泵在北方地区应用更加高效，同时也为以后的仿真模拟和验证提供了真实性的数据基础和可靠性的对比参照依据。