低温空气源热泵在严寒地区应用实验研究

金洪文 宋炳奇 刘亚平 刘超越 侯庆莹 蒋祥婷 龚恒勤

1 长春工程学院能源动力工程学院

2 吉林建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心

热泵作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视，而空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用方便，安装费用较低，因此空气源热泵成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。空气源热泵在严寒以及寒冷地区应用多年，其应用范围仍受到很多因素的约束。在气候条件上，随着室外温度的降低，用户的需热量不断增加。当室外气温很低时，空气源热泵能效比降低，除霜频繁，制热量不能满足用户采暖要求。总体来说，空气源热泵弥补了集中供暖系统管道敷设困难或采用区域供热锅炉房成本高昂的不足。本文将对空气源热泵在长春地区某高校的应用试验效果做具体分析研究，以期对后续空气源热泵的设计和应用提供经验以及技术支持。

1 实验条件

1.1 工程概况

实验项目为某高校实验楼，地点位于吉林省长春市。该建筑主体框架为钢筋混凝土结构，属于非节能型建筑。该建筑共6 层，层高4.2 m，建筑高度25.2 m，建筑总面积为19047 m2。实验测试房间位于建筑一层北向三个房间，测试房间使用面积共550 m2。

1.2 项目条件

长春市冬季采暖室外计算温度为-21.1 ℃[1]，实验测试时间从11 月1 日到次年的3 月28 日。实验房间原是由集中供热系统采暖，应实验需要把房间的原有供热散热器系统分割开来，与空气源热泵系统一起形成一个独立的小型采暖供热系统。实验使用的空气源热泵设在实验楼一楼室外，热泵型号为MAC340DR5HW，冬季工况下制热量为100 kW，最低工作环境温度为-30 ℃，2 台压缩机，单台功率30 kW。热泵以及水泵的用电消耗由电表进行记录。

实验系统于室内外分别设置3 个温度测点，供回水各一个温度测点，通过多参数巡检仪每隔半小时记录一次数据，多参数巡检仪型号为JK-16C。

2 实验数据分析

在2019 年至2020 年采暖季，本实验测试时长共148 天。根据开始试验与结束试验的电表示数可知整个采暖季本供热系统消耗总电量（循环水泵耗电量加主机耗电量）为28484.8 度，实验房间使用面积共550 m2，实际建筑面积为785.7 m2。实验过程中因为更换水泵导致实验分两个阶段来进行，第一阶段66 天，第二阶段82 天。本文主要通过水泵工变频的影响以及各不同时期耗能制热情况进行展开分析。实验系统原理图如图1 所示。

图1 实验系统原理图

2.1 水泵耗电分析

本实验热泵采暖系统工作时使用一台水泵，普通工频水泵功率为1.1 kW。由于水泵为全天24 小时的连续工作模式，其电量消耗在整个能耗中占有不小的比例，因此水泵的节能措施也是实现整个供暖系统节能的重要环节。此供暖系统在供暖前期使用的是普通工频水泵，当意识到水泵能耗后更换了变频水泵。

在水泵实际运行测试中，所谓工频运行指的是在热泵运行时热泵与用户间的循环水泵保持满负荷运行状态，当用户室内温度达到满足工作生活标准时，热泵机组停止运行，此时循环水泵依旧继续运行，只有供热系统断电才能停止工作。如此就造成了循环水泵耗电量过大，对热用户来说产生了“大流量小换热”的情况，在供热系统中水泵的功耗占比过高。

实验之初想通过断电启停机组的方式降低系统功耗，但机组频繁的启停严重影响其运行状态，达不到节能目的。在实际运行中，第二阶段更换水泵后通过水泵频率与转速成正比来推算低频运行时实际功率。

根据公式：

当循环水泵变频运行应用上述计算公式结果可得到整个采暖系统耗电对比，如表1 所示。

表1 循环水泵不同频率下采暖系统耗电对比

由此看到降频后功率为0.238 kW 时，比原来节省近78%的电耗，更换水泵后，采暖季第二阶段节省电量2144.9 kWh，节能效果明显。如果本实验系统应用于大型项目工程，节能效果将更加突出。

2.2 供热初末期分析

在供热实验初期2019 年11 月11 日至2019 年11 月17 期间，室外最高温度达8.4 ℃，最低温度达-11.4 ℃，期间室外平均温度-2.7 ℃，实验测试房间内平均温度可达20.3 ℃，系统供回水平均温度分别为30.5 ℃/20.3 ℃。在供热实验末期2020 年3 月10 日-3月20 日期间，室外最低温度-9.4 ℃，室外最高温度13.2 ℃，平均温度0.6 ℃，实验测试房间内平均温度19.6 ℃，实验系统供回水平均温度则分别为27.5 ℃/25.1 ℃。

通过供热初期2019.11.11-11.14 运行数据分析图如图2 所示，当室外平均温度在3 ℃左右时，热泵机组频繁启停，机组大部分时间制热量在5 kJ/s 以下，室内温度保持在平均19.1 ℃。

图2 2019.11.11-11.14 运行数据分析图

因此室外温度对机组的制热量、制热效果有很大影响。11 日和13 日分别有一次机组制热量骤增达到82 kJ/s 和71 kJ/s，并使房间温度随之升高至21.5 ℃/20.9 ℃，是由于人为操作调节空气源热泵供水温度，使供水温度升高制热量增大，改善了房间温度和室内环境。从图中还可以观测到13 日机组除霜频繁，制热效果不明显。长春市处于我国温带季风气候区，相对于西北地区大陆性气候湿度较大，在空气温度一定时，相对湿度越大结霜越严重。结霜及霜层的阻塞效应使空气流道表面粗糙度增大，通过空气侧换热器的压降不断增大，风量不断减少，影响空气侧换热，使机组运行效率下降。参考环境因素了解到13 日当天是降雪天气，全天室外湿度处于68%～83%之间，因此机组结霜严重，使其频繁除霜，降低了制热量，影响了制热效果[2]。

同时如图3 所示，2019.11.14-11.17 运行数据分析图中14 日和16 日分别有两段时间制热量明显降低至10 kJ/s 和25 kJ/s，机组进水温度23 ℃，此时室外温度分别从-11.2 ℃升高至-3.8 ℃以及从-8.2 ℃到-3.2 ℃。当制热量不明显时，室内温度并没有很快下降。所以空气源热泵制热效果不仅与室外温度有关，还与室外湿度和墙体蓄热有关，如何快速除霜或者降低结霜面积以及如何降低外部因素对于机组性能和制热效果的影响是解决问题的关键。

图3 2019.11.14-11.17 运行数据分析图

2.3 供热严寒期分析

供热严寒期2019 年12 月26 日-2020 年1 月5日期间，室外最低温度-21.5 ℃，最高温度0.4 ℃。实验测试房间平均温度18.2 ℃，系统供回水平均温度分别为31.7 ℃/33.9 ℃。本时间段低于-20 ℃有15 h。在严寒期的最后时段供回水温度升高主要是为了测试机器在低温环境下能达到的最高出水温度，实际证明在原有设计负荷下，机器温度升高缓慢，将系统所带负荷减少一部分，出水温度升高比较迅速，这为今后选配机器容量提供了很好的借鉴意义[3]。

观察极寒天气下机组运行情况如图4 所示，并不是所有极寒天气时段机组制热量都降低，室外温度在-20 ℃左右的大部分时间机组正常工作，相反室外温度从-10 ℃降低至-20 ℃的过程中，机组制热量衰减幅度很大。经过对机组部件进行检测时发现，当温度下降时，机组各部件还未适应调整机组内部运行状态，温度降低使制冷循环中的蒸发温度和蒸发压力也降低，于是压缩机的吸气压力也会下降，吸入制冷剂密度变小，压缩机的实际单位质量排量减小，其产热量自然会降低[4]。此理论经过本实验得到证实。

图4 2019.12.26-2020.1.5 运行数据分析图

3 系统能效比分析

热泵供回水温差Δt 由供水温度和回水温度计算得出，供回水温差Δt 大于0.2 ℃为制热状态；供回水温差Δt 在-0.2 ℃～0.2 ℃为停机状态；供回水温差Δt小于-0.2 ℃为除霜状态。

热泵制热量可根据下式计算得出结果

式中：Q 为热泵制热量；cp为水的比热容，4.2×103J/(kg·℃)；m 为循环水流量。

整个采暖季热泵总制热量为63093.18 kJ/s，总制热时长1839.77 h，热泵制热时长占总时长的比例为51.7%，循环水流量为1.05×104kg/h。经过数据采集计算采暖季热泵总耗电量为25367.85 kW·h，水泵总耗电量为3116.95 kW·h。

空气源热泵系统综合能效比是指系统全年运行过程总制热量与同期间内消耗的电量总和之比[5]。则空气源热泵主机能效比（COP）可定义为：

式中：Q 为实验期热泵的输出总制热量；W泵为实验期热泵的总耗电量。

经计算空气源热泵主机能效比为2.49，计算热泵采暖系统系统能效比（COP）为2.21。

4 经济性分析

整个采暖季实验测试时间自2019 年11 月1 日-2020 年3 月30 日共148 天，试验测试系统总耗电量为28484.8 kWh，日均消耗电量192.5 kWh。测试房间实际建筑面积为785.7 m2。若按长春市采暖总时长168天折算采暖季总耗电量为32340 kWh，采暖季每平米消耗电量41.16 kWh，按照民用电价每度0.525 元计算[2]，采暖季热泵供热费用为21.6 元/m2。

长春市采暖时间为每年10 月20 日至次年4 月6日，共169 天。采暖费用为27 元/m2。按长春市热力收费折算办法，将建筑超高部分多消耗的热量折算成标准值层高超过3 m 的，每超0.3 m，热费加收5%。本实验楼层高4.2 m，采暖费用按32.4 元/m2计算。

采用空气源热泵供暖运行费用远低于集中供热，利用空气源热泵作为热源供热节能效果非常明显。具体数据对比如表2。

表2 热泵供暖与集中供暖经济对比

5 结论

本文由低温空气源热泵在严寒地区的实验测试数据得到，整个试验阶段32 路多参数巡检仪数据记录分析得出热泵机组与采暖系统COP 值分别为2.49/2.21。热泵供暖系统采用变频水泵节能效果明显，如果热泵采暖可以推广应用在大型项目工程，节能效果会更加突出。低温空气源热泵的制热效果不仅与室外温度有关，还与室外湿度、墙体蓄热等因素有关。室外温度过低，湿度较大都可以导致热泵结霜，尤其是降雪之后第二天室外湿度最高可达82%，热泵结霜严重，影响制热效果。相比于低温环境，室外温度从高温到低温的降温过程更能影响热泵制热效果，制热量严重衰减。本实验测试房间位于建筑北向房间，无太阳能日照得热影响，由于采暖季冷风的影响，体感温度更是低于测试温度。在此严苛的条件下，试验测试结果非常理想，对于严寒地区热泵供暖的设计研究有一定借鉴意义。