回差设定对空气源热泵运行性能的影响分析

徐 策 徐昭炜 王智超 孙晓雨

（建科环能科技有限公司，北京 100013）

0 引言

中国北方冬季燃煤供暖，特别是农村地区的散煤燃烧造成了严重的环境污染[1-2]。为改善大气环境，中国推动了北方地区的清洁取暖工作，而其难点与重点都在农村[3]。空气源热泵具有高效节能、安装和操作便捷、运行可靠等特点。经过北京市2013—2015年的试点验证以及2016—2018年的大规模推广实施，空气源热泵被认为是中国北方农村地区中主要和理想的清洁能源方式[4-7]。现有空气源热泵的研究主要从热泵机组方式选择、热泵机组容量和建筑负荷配比、供暖系统配置等方面进行，更多地是适用于新系统的设计、安装和运行。对既有系统的运行优化提升，特别是对因使用情况发生变化而带来的容量负荷配置比发生改变的系统鲜有针对性的研究。该文通过实际监测对比分析的方法和改变机组控制回差设定的方法，探讨性能提升的可能，以期为空气源热泵供暖系统的优化运行提供参考。并选取北京“煤改电”工程中一典型农村住宅配备的空气源热泵系统，于2019—2020 年供暖季进行运行监测，并考察其效果，为运行节能提供参考。

1 实例研究

1.1 建筑情况

该文选取北京郊区一配备空气源热泵系统的典型农村住宅，进行运行监测与回差设定试验研究。建筑信息见表1。

表1 建筑信息

1.2 供暖系统情况

由于农村住宅为户主自建房，因此难以准确定量评估建筑的热负荷[8]。在北方各省推广清洁取暖时，为了保证供暖效果，一般确定设计热负荷指标为80W/m2~100W/m2。

此外，该建筑在初期设备选型时选用了某额定制热量为13.5kW 的变频式空气源热泵机组，存在机组选型偏大的情况。该空气源热泵系统详细信息见表2，系统原理图见图3。供水温度设定值Ts,set由用户根据其所需温度进行控制。上行回差（ΔT+s,set）和下行回差（ΔT-s,set）的初始值均为2℃，在试验过程中ΔT+s,set固定在2℃，ΔT-s,set可根据试验设计进行调整。

图1 空气源热泵供暖系统运行控制示意图

图2 空气源热泵供暖系统供水温度回差控制示意图

图3 运行实测期间室温情况

表2 空气源热泵系统详细信息

1.3 监测系统

监测系统测点位置如图1 所示。监测参数包括室外空气温度Tout与相对湿度RHout、室内空气温度Tin、机组供水温度Ts与回水温度Tr、水流量G与系统耗电量P。基于测试结果，以建筑单位面积供热量q与室内空气温度Tin评价建筑供热保障水平，以系统耗电量P与能效比COPsys等评价机组性能，相关计算如公式（1）~公式（2）所示。

2 监测情况

基于上述空气源热泵实际项目与监测系统，于2019年11 月15 日~2020 年1 月15 日进行了变回差试验，回差上行值固定为2℃，下行值调整不同取值。供暖初期室外温度较高，供暖需求较低，为避免频繁启停，考虑较大的下行值6℃。进而随室外温度降低，将下行值逐步调整为4℃、2℃，具体时间安排见表3。

表3 各工况阶段回差设定、室外温度与相对湿度情况

3 结果与讨论

3.1 气象条件

2019 年11 月15 日~2020 年1 月15 日的室外温度与相对湿度情况见表3。可见，ΔT-s,set=-6℃、-4℃、-2℃对应时段的平均室外温度分别为2.7℃、-0.8℃、-1.5℃，呈逐渐降低趋势。

3.2 建筑供热需求保障情况

为了评估空气源热泵系统对建筑供暖的保障水平，分析了试验期间不同回差设置下的室内温度和单位面积供热量的情况。在试验过程中，用户可以根据自己的需求调节供水温度设置。当室外日平均温度在-4.0℃~9.4℃时，室内日平均温度在15.0℃~19.1℃。室内温度满足GB/T 50824—2013 中农村住宅14.0℃的设计指标。

由于建筑热负荷随室外温度的增加而减少，因此空气源热泵供暖系统的供热量呈相应的下降趋势，如图4 所示。

图4 运行实测期间供热量情况

空气源热泵日耗电量情况如图5 所示。由于负载率的降低，因此单日耗电量随室外温度的增加而降低。此外，参考图7 所示的Tout=0℃左右的结果，在相同的室外气候条件下，日耗电量随下行回差的增加而降低。

图5 运行实测期间系统耗电量情况

系统COP 情况如图6 所示。不同回差设置周期下的系统COP 数据见表4。在变回差试验期间，COPsys随着Tout的增加而增加，在1.47 到2.79 之间变化。室外平均气温为0.0℃，平均COPsys为1.81。此外，在相同的室外气候条件下，COPsys随着ΔT-s,set的增加而增加。如图6 所示，更大的ΔT-s,set下的COPsys的增长率更高。

图6 运行实测期间系统性能系数情况

表4 典型日运行参数统计

综上所述，在不同的回差设置下，空气源热泵系统的性能不同并且系统的性能随回差的增加而增加。为了理解这一现象，选择了具有相似室外气候条件的3 个典型日进行详细说明。

3.3 典型日的性能分析和详细说明

针对3 种ΔT-s,set设定，为详细分析空气源热泵机组COPsys发生变化的原因，选取室外气象条件接近的3 个典型日，从启停、水温变化、运行总时间与其间机组状态等角度进行对比。

根据3 个典型日的情况可知，住户根据实际情况自行调节供水温度设定值Ts,set，3 个典型日均呈现日间供水温度低而夜间供水温度高的特点。随着ΔT-s,set的变化，机组呈现不同的启停特性与运行状态。统计3 个典型日的相关运行参数（见表4），具体分析如下。

首先，启停次数由5.9h-1降至2.9h-1、1.2h-1，减至原有的65.9%、27.3%，频繁启停现象得到改善，有助于避免启停过程中的损耗。

其次，主机运行时段平均供水温度分别为43.2℃、43.1℃、42.3℃，为用户设定水温与不同回差设定共同影响的结果；平均供回水温差分别为2.4℃、2.9℃、3.6℃，随ΔT-s,set的增大而增大。ΔT-s,set=6℃工况下供水温度的降低有助于机组性能的提升，而较大的供回水温差则在较低供水温度下满足了建筑供热需求。

最后，主机总运行时间由15.6h 减至11.9h、8.4h，而运行时段机组平均功率由3.19kW 增至3.49kW、3.95kW，系统总耗电量由51.95kW·h 降至43.14kW·h、34.66kW·h，即随ΔT-s,set的增大，主机运行总时间变短，工作负荷率更高，有利于系统能效比的提升。

结合上述分析，在相同的气候条件下，随着ΔT-s,set的增加，COPsys从1.58 增加到1.76 和2.00，ΔT-s,set从2℃增加到4℃和6℃，分别增加了11.4%和26.6%。此外，值得关注的是，当室外日平均气温在-1.8℃~-1.6℃时，在3 个典型日均没有观察到结霜或除霜过程，因此该文没有对结霜和除霜现象进行研究。

该文根据上述研究内容，提出了基于供需匹配的空气源热泵供热系统变回差水温控制方法，并形成专利。该方法能够随室外温度的升高动态增大水温控制回差，可改善低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响[9]。

4 结论

空气源热泵系统是中国北方农村地区理想的清洁能源取暖方式之一。针对其在实际运行中长期工作在部分负荷工况、能效比偏离理想值的问题，该文提出随室外温度变化动态分段调整水温回差控制下行差ΔT-s,set的方案，并基于北京“煤改电”工程中一配备空气源热泵系统的典型农村住宅进行运行监测，通过实测数据考察该方法的可行性与效果。结果表明：1）在2019 年11 月15 日到2020 年1 月15 日期间，随室外温度的降低，分别采用（+2℃，-6℃）、（+2℃，-4℃）、（+2℃，-2℃）的供水温度控制回差设定，建筑供热需求均可得到满足，在-4.0~9.4℃的室外温度下实现室内温度为15.0℃~19.1℃。2）在相同的室外气候条件下，当ΔT-s,set增大时，可有效减少启停循环次数，降低启停过程中的能量损耗。运行期间平均供水温度降低，而较大的供回水温差满足了建筑供暖需求。总运行时间减少，高负荷率下运行时间比例增加。ΔT-s,set的增加可以提高COPsys并且随着室外空气温度的升高，优化效果也变得更好。

该文提出的变回差控制算法可以在保证加热效果的前提下，提高COPsys，并降低功耗。该文为AWHP 系统提供了一种低成本、便捷的节能优化方案，为建筑节能减排带来了显著的效益。同时基于上述研究内容形成了相关发明专利，可有效改善低负荷状态下空气源热泵机组的频繁启停问题，提升系统性能，降低系统耗电量，减少启停过程中的噪声影响。