抑霜型空气源热泵机组应用实测研究

2022-10-20梁士民孙育英王世权

制冷学报 2022年5期

梁士民王伟孙育英林瑶王世权

(1 青岛理工大学环境与市政工程学院青岛 266520；2 北京工业大学城市建设学部北京 100124)

空气源热泵(air-source heat pump，ASHP)作为近年来全世界倍受关注的可再生能源技术，可替代燃煤等传统供热形式，有效降低能源消耗，减少碳排放[1-2]。ASHP特点是以环境空气为热源，在空间上，处处存在；在时间上，时时可得；在数量上，随需而取。自2016年以来，在我国“清洁取暖”工作的大力推动下，ASHP在我国北方寒冷地区得到广泛应用，成为“煤改电”的主力军[3]。

当ASHP在冬季运行时，若室外换热器表面温度同时低于空气的露点及冰点温度，室外盘管就会结霜[4-6]，结霜会使机组制热性能降低30%～60%，严重时会造成机组停机保护，甚至物理性损坏[7-10]。而我国幅员辽阔，地域气候差异较大，在不同地域ASHP面临不同程度的结霜问题，尤其在重霜气候特点下，结霜严重制约了ASHP机组的实际运行性能。因此，有效抑制ASHP结霜是保障ASHP在我国全地域高效适用和良性发展的关键。

目前，国内外学者通过换热器表面改性[11-13]、降低进风湿度[14-15]、增加室外侧换热器面积[16-17]、增加风量[18-19]、外加驱动力[20-22]等方法，在一定程度上实现了抑制结霜，但存在耐久性弱、技术复杂度高、工程适用性差等问题。研究表明，合理的优化ASHP关键部件本构配置关系，能达到较为显著的抑霜效果[23]。Liang Shimin等[24]从ASHP整体配置层面综合考虑室外换热器、压缩机、风机等关键部件本构配置关系，提出可表征结霜程度的无量纲特征参数——机组本构配置综合参数CICO(characteristic index for the configuration and operation)，并以CICO为抑霜设计指标，建立了“制热和抑霜多目标优化”的ASHP机组研发新方法，研发了抑霜型ASHP机组(frost suppression ASHP, FSASHP)[22]。

本文针对FSASHP，依托四川省康定市的某住宅示范工程，进行FSASHP和常规ASHP机组现场实测，对比分析典型结霜工况和长期运行下的结除霜性能、制热性能及技术经济性，全面揭示FSASHP工程应用优势，推动ASHP技术的高效应用，助力碳达标、碳中和。

1 抑霜型ASHP机组

1.1 设计研发依据

机组本构配置综合参数CICO表达式：

(1)

式中：Fc为室外传热器传热面积，m2；G为室外风机的风量，m3/s；n为压缩机转速，r/s；V0为压缩机行程容积，m3/r；vs为基准迎面风速，m/s。

结合地域气候特点，根据ASHP本构配置抑霜规律[24](如图1所示)，确定抑霜设计目标CICO，同时设定制热目标，按照“制热和抑霜多目标优化”的ASHP研发新方法[25]，进行FSASHP的研发。

图1 ASHP本构配置抑霜规律[24]Fig.1 Frosting suppression rule of ASHP constitutive configuration[24]

1.2 抑霜型ASHP机组研发

参考国内市场常规ASHP热风机在额定工况(-12 ℃/-13.5 ℃)下的制热能力，将FSASHP热风机机组的额定制热目标设定为3 kW，且COP不低于JB/T 13573—2018[26]中规定的2.2；同时，将机组在标准结霜工况(干球温度/湿球温度：2 ℃/1 ℃)下的结霜程度定位为轻霜，设定抑霜目标CICO为39×106。

设计的FSASHP热风机关键部件配置信息如表1所示。此外，在焓差实验室内验证了FSASHP热风机既能在额定工况下提供所需的额定制热能力，又能达到抑霜设计目标[25]。

表1 FSASHP热风机机组关键部件配置信息Tab.1 Configuration information of key components from FSASHP heat blower unit

2 示范工程及测试系统

为了全面揭示FSASHP工程应用优势，选取四川省康定市某住宅作为示范工程，并搭建了FSASHP热风机和常规ASHP热风机对比应用示范平台以及较为完善的全自动监控系统。

2.1 示范工程

示范工程所在地四川省康定市位于川西藏区，属于寒冷地区，冬季室外空调设计温度、相对湿度分别为-8.3 ℃和65%，设计供暖天数为145 d。

康定市2018—2019供暖季室外温湿度在结霜图谱上的分布如图2所示。由图2可知，该地区供暖季运行工况中重霜工况占整个测试工况的8%，一般结霜工况占比达到43%，轻霜区占比达到15%，结霜区的工况总占比高达66%，结霜较为严重。

图2 康定市2018—2019年供暖季室外温湿度Fig.2 Outdoor temperature and humidity of Kangding in heating season from 2018 to 2019

示范工程建筑为砖混结构，共7层，墙体未做保温，窗均为面积相同的单层玻璃窗，在该住宅建筑选取顶层一住户的2个房间进行现场对比测试。图3所示为现场测试的平面图，两个测试房间的面积分别为15 m2和12 m2，其中在南向房间中安装了常规ASHP热风机(对比机组)，在北向房间安装了FSASHP热风机，两台机组的室外主机均放置在楼顶并保持相同朝向。虽然该建筑受周边新建建筑遮挡有效日照时间较短，但为了尽可能的减小太阳辐射带来的影响，测试过程中所有房间的遮光窗帘均处于关闭状态。

图3 现场测试平面图Fig.3 Field test floor plan

对比机组额定制热能力为3 kW，COP为2.24，CICO为4×106；FSASHP额定制热能力为3 kW，COP为2.8，CICO为39×106。可知两台机组额定制热能力相同，本构配置却差异较大。结合图1可知，ASHP机组CICO越大，意味着配置越高，机组的抑霜水平越高，结霜程度越轻。因此，根据对比机组和FSASHP的本构配置综合参数差异，可初步预判对比机组抑霜水平较低，在实际运行中将面临严重的结霜，而FSASHP抑霜水平较高，结霜较轻。

2.2 测试系统

测试系统原理如图4所示，该系统对测试机组进行了较全面监测，测试数据由上位机管理软件自动记录并存储，记录时间间隔为1 min。主要测试参数和设备如下：

1)室外空气侧。温湿度传感器2个(测量精度：温度±0.15 ℃，湿度±3.5 %；测试量程：温度-20～70 ℃，湿度0～100%)，安装于机组室外换热器进风侧，分别监测室外环境温度、相对湿度变化情况。

图4 测试系统原理Fig.4 Principle of test system

2)室内空气侧。Pt1000温度传感器6个(测量精度：±0.15 ℃，测试量程：-40～140 ℃)，安装于室内机进、出风侧，用于监测室内机进风温度和出风温度。

3)制冷剂侧。Pt1000温度传感器6个(测量精度：±0.15 ℃，测试量程：-40～140 ℃)，安装于压缩机吸排气管路、室外换热器盘管上，用于监测压缩机吸排气温度、盘管温度变化情况。压力传感器2个(测量精度：±4%，测试量程：0～4 000 kPa，0～2 500 kPa)，安装于压缩机吸、排气管路，用于监测压缩机吸、排气压力的变化情况。

4)其它。数码摄像机2台(像素：14 Megapixels)，记录室外换热器表面的霜层动态生长情况。电子秤2台(测量精度：±0.1 g，测试量程：0～60 kg)，测量化霜水的质量。功率传感器2台(测量精度：±0.5%)，监测机组压缩机输入功率和风扇输入功率。

由于直接测量误差不可避免地传递至间接测量值中，从而产生间接测量误差，因此对间接测量结果进行误差分析是非常必要的[8]。选用相对不确定度Ur进行分析，表达式如下：

N=f(X,Y,Z…)

(2)

(3)

(4)

3 测试方案及评价指标

为了充分揭示FSASHP优势，于2018年11月15日—2019年3月21日，针对FSASHP和对比机组进行典型结霜工况和长期运行性能测试，通过结除霜性能指标、制热性能指标以及技术经济性指标，进行对比分析。

3.1 测试方案

为了充分揭示FSASHP在结霜工况下的抑霜优势，选取4个典型的结霜工况，与对比机组进行了结除霜性能对比测试。4个测试工况的测试结果如图5所示，其中Case1位于一般结霜区Ⅱ区，Case2位于一般结霜区Ⅱ区和Ⅰ区分界线处，Case3位于一般结霜区Ⅰ区，而Case4已经接近重霜区。

图5 典型结霜测试工况Fig.5 Typical frosting test conditions

为了充分揭示FSASHP工程应用的节能优势，对FSASHP和对比机组进行了长期的现场运行性能对比测试。测试期间日均温度和相对湿度的变化如图6所示。由于受当地电力波动、人为干扰等因素的影响，整个测试期间抑霜型机组和常规机组的有效测试时间分别为72 d和68 d。整个测试期间室外日均温度和相对湿度分别在-3.3～12.6 ℃和28%～87%之间波动，平均室外温度达到3.8 ℃，平均相对湿度达到62%。

图6 长期测试期间日平均室外温湿度Fig.6 Daily average outdoor temperature and humidity during long-term testing

此外，在所有测试过程中，室内温度均设定在18 ℃。室内机风量均为实验室标定的数值。为了便于对比，测试机组均采用传统的温度-时间(TT,temperature-time)除霜控制逻辑[27]。该控制逻辑开始判定和除霜结束退出条件的描述分别如下：

当测试机组室外换热器盘管温度Tc≤3 ℃时，机组的控制器开始记录机组的运行时间thc，当thc达到或超过除霜时间的设定值(通常可取45 min)，且Tc≤-3 ℃时，机组四通换向阀换向，进入除霜模式，同时关闭室外风机。在除霜过程中，当Tc达到或超过退出除霜温度的设定值(一般可设为15～20 ℃)时，四通换向阀再次换向，机组退出除霜模式，机组开启制热模式。

3.2 评价指标

为了有效评价测试机组在典型结霜工况下的抑霜性能和长期运行下的制热性能，选取平均结霜速率v和制热性能系数COP作为主要评价指标。其中，v是反映机组结霜快慢的重要参数，由于结霜量很难测量，本文通过测量化霜水量表征结霜量，以换热器单位面积、单位结霜时间的平均化霜水量间接表示结霜速度，表达式如下：

(5)

式中：v为平均结霜速率，g/(min·m2)；Mdfw为化霜水质量，g；S为室外换热器的传热面积，m2；tf为机组除霜结束时刻开始至下一次除霜开始时刻的时间，min。

COP是指ASHP机组消耗单位电能产生的供热量，表达式如下：

(6)

q=mwcpΔTw

(7)

式中：W为测试机组功率，kW；q为机组瞬时制热能力，kW；tn为机组除霜结束时刻，s；mw为室内机风量，kg/s；ΔTw为室内机进出风温差，℃。

分别选取费用年值(AC)和追加成本投资回收期(ths)两个指标进行技术经济性评价。其中，AC主要包括初投资、年运行费用和年维护费用：

AC=Co+Cm+(A/P,i,j)(C-B)+Bi

(8)

(9)

式中：Co为年运行费用，元/年；Cm为年维护费用，本文按照初投资的6%计算[28]，元/a；(A/P,i,j)为投资回收系数[29]；C为ASHP机组的初投资，元；B为ASHP设备的净残值，元；i为不变折现率，本文取4.594%[29]；j为设备使用年限，a。

ths为用年生产成本的节约或年收益的增加来回收追加投资额所需要的时间：

(10)

式中：ΔC为追加投资，元；ΔCo为年经营费用节约额，元。

4 测试结果与分析

4.1 典型结霜工况测试结果对比与分析

典型结霜工况下FSASHP和对比机组的测试结果如图7所示。

图7 典型结霜工况测试结果对比分析Fig.7 Comparison of test results under typical frosting conditions

机组在典型结霜工况除霜前的室外换热器结霜图像如图7(a)所示。由图7(a)可知，对比机组换热器表面已完全被霜层覆盖，而FSASHP换热器表面仅有轻微的结霜。该结果直观的揭示出FSASHP的抑霜效果较为显著。

测试机组的结霜速率如图7(b)所示。由图7(b)可知，对比机组的结霜速率较高，从Case1至Case4结霜速率依次从3.3×10-4mm/s升至5.7×10-4mm/s，而FSASHP在Case1和Case2下的结霜速率均为0，Case3和Case4工况下的结霜速率也仅约为0.4×10-4mm/s。该结果清楚表明FSASHP的抑霜性能优于对比机组。

测试机组的运行能效如图7(c)所示。由图7(c)可知，FSASHP的COP在3.06～3.16之间，相对于对比机组的COP提高约21%～37.3%，能效提升效果显著。此外，根据测试结果，根据式(2)～式(4)可计算出COP的相对不确定度值均在6.0%以下，相对较小，说明测试结果具有较好的可信度。

通过上述测试对比分析，FSASHP在典型结霜工况下的抑霜能力明显高于对比机组，说明FSASHP比对比机组有显著的抑霜优势。此外，由于FSASHP结霜性能的改善，机组在典型结霜工况下的运行性能较对比机组也得到大幅提升。

4.2 长期测试结果对比与分析

FSASHP和对比机组的长期测试对比结果如图8所示，包括室内温度Tn、单位面积制热量q0、单位面积功耗W0以及COP等关键参数的测试结果。

图8 抑霜型机组和对比机组长期的制热性能测试结果Fig.8 Long-term heating performance test results of the FSASHP and conventional ASHP

由图8可知，测试期间FSASHP的平均室内温度达到19 ℃，q0和W0分别为236 W/m2和69 W/m2，平均COP达到3.6；测试期间对比机组的平均室内温度为18.6 ℃，q0和W0分别为232 W/m2和81 W/m2，平均COP达到2.96；两台机组测量的单位面积平均制热量和COP的相对不确定度在4.6%以下，均在合理范围内。

分析上述结果可知，FSASHP和对比机组均达到了设定的供暖温度，两台机组的单位面积平均制热量基本一致，而FSASHP的单位面积平均功耗较对比机组降低15%，从而使FSASHP的平均COP较对比机组升高约22%。

4.3 技术经济性对比与分析

依托示范应用工程，采用费用年值和追加投资回收期两个经济性指标进行技术经济性对比与分析。

1)费用年值对比

针对对比机组和FSASHP，以经济性为对比目标，费用年值小的则为较优的设计方案。

根据测试结果以及当地公布的电价0.55元/(kW·h)，可以计算出对比机组和FSASHP的年运行费用分别为2 297元/a和1 857元/a。对比机组初投资和净残值为2 300元和230元，FSASHP的初投资和净残值分别为3 000元和300元。维护费用可按照初投资的6%进行计算，得到对比机组和FSASHP的维护费用为138元和180元。基于上述计算，根据式(8)可以得到对比机组和FSASHP的费用年值分别为2 660元和2 318元，详细结果如表2所示。

表2 对比机组和抑霜型机组费用年值对比Tab.2 Comparison of annual cost for the conventional ASHP and FSASHP 单位：元

由表2可知，FSASHP热风机的费用年值比对比机组的费用年值低约333元，约13%，说明新方法设计的FSASHP的经济性更好。

2)追加投资回收期

为了满足ASHP的抑霜需求，FSASHP成本增加的关键部件主要为室外换热器、室外风机以及机组的钣金。通过厂家询价，常规ASHP热水机和FSASHP热水机关键部件成本对比如表3所示。由表3可知，FSASHP热风机的初投资比对比机组增加约500元，而其每年的运行费用可节约440元，根据式(10)可以计算出FSASHP追加成本投资的回收期为1.1 a。