热风型空气源热泵与常规壁挂空调的实验对比分析

2023-12-01赵树男张世航李斌

环境技术 2023年10期

赵树男，张世航，李斌

（1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124； 2.珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

引言

传统燃煤取暖导致了严重的大气污染问题，我国政府开始全面整治燃煤小锅炉。空气源热泵（air-source heat pump, ASHP）具有无污染、运行可靠性高和高效节能等优点，因此，空气源热泵采暖系统成为取代煤加热装置的主要方式[1]。

学者针对ASHP系统应用于寒冷地区的供暖性能进行了大量研究。Yan等[2]通过实验研究了一种闪蒸罐补气喷焓型ASHP系统，结果表明该系统在寒冷地区的供暖性能良好。晋浩等[3]提出了一种更加稳定、可靠和高效运行的太阳能辅助型ASHP系统，该热泵系统在制热量和能效方面都得到了有效提高。靳成成等[4]研究了一种小温差风机盘管与ASHP相结合的采暖系统，指出该采暖系统具有高效舒适供热的优点。Jenkins等[5]对ASHP系统进行了经济性分析，指出ASHP系统节约了更多的能源，在经济性和环境保护等方面表现出更为明显的优势。邓杰等[6]对比分析了单、双级变频压缩低温空气源热泵的制热性能及供暖效果，指出双级压缩低温空气源热泵的制热性能更高。

针对热水型空气源热泵的制热性能和热舒适性的相关研究已经比较成熟，而关于热风型空气源热泵（airto-air heat pump, ATAHP）采暖的研究相对较少。ATAHP具有价格低、系统可靠性更高、节能和热舒适性等特点，正被越来越多的人们所认识和接受，尤其是在我国北方“煤改电”政策实施的地区。与此同时，为了兼顾采暖和制冷，部分北方用户选择常规壁挂空调（wall-mounted air conditioner, WAC）作为室内采暖装置。然而，目前尚缺少对于ATAHP与WAC的制热性能和热舒适性的综合性能对比研究。因此，本文通过搭建供暖系统研究平台，对ATAHP和WAC的综合性能进行实验研究，对比分析了两种供暖方式的制热性能及其热舒适性。

1 实验方案和测试设备

1.1 实验台搭建

在外环温度可调的大型工况实验室内建造模拟民房，实验室通过低温螺杆冷水机组和空气处理机组所能提供的外环温度和湿度范围分别为（-25～60）℃和（30～100）%。模拟民房与中国严寒地区、北方煤改电民用建筑相符合，其围护结构符合DB11/891-2012《北京市居住建筑节能设计标准》，满足《北京市居住建筑节能设计标准》和《民用建筑热工设计规范》等建筑节能规范、图集。实验室模拟民房建筑平面图如图1所示，房间面积为20.03 m2，其中，带窗户的两面墙壁（左侧和上侧墙壁）为外墙，其余两面墙壁为内墙。在实验室内的长、宽和高方向上分别均匀布置8、6和5组悬吊热电偶，用于测量实验室内的温度，每个热电偶的间距均为0.5 m。

图1 实验室平面图

1.2 测试设备及实验方案

ATAHP选取1.5匹热风机，该机型采用双级压缩系统，具有上下两个出风口和左右两个回风口；WAC选取1.5匹壁挂机，该机型采用单级压缩系统。ATAHP和WAC室内机实物图如图2所示。ATAHP布置在房间进门右侧墙壁中间贴近地面处，如图1中黑色矩形所示；WAC布置在房间进门右侧墙壁中间位置，并且距离地面高度为2.1 m，如图1中白色矩形所示。机组的运行参数可通过实验室测试软件实时处理和显示。

为了研究外环温度对ATAHP与WAC性能和热舒适性的影响，选择5组不同的外环工况进行测试，具体实验方案如表1所示。实验室通过调节室外侧的低温螺杆冷水机组和空气处理机组提供目标外环温度和湿度。由于室内侧没有用于调节初始室内温度的工况机，因此，在调节工况时，首先将外环温度稳定到目标外环温度和湿度，同时墙体外表面温度接近目标外环温度；然后打开测试房间的所有门和窗户，将外环中的低温空气引入室内，结合房间内待测取暖系统，使房间、墙体内表面的初始温度自然达到5 ℃；最后关闭门窗进行试验测试。实验时，ATAHP与WAC的设定温度和风档均分别为20 ℃和超强风档。每组实验持续6 h，在实验过程中每隔一分钟记录一组实验数据，具体测量参数及其符号如表2所示。本实验所用的测量装置及其测量范围和精度如表3所示。

表1 实验方案

表2 主要测量参数

表3 测量装置范围和精度

2 结果与分析

本文通过实验研究，对比分析了ATAHP和WAC在不同工况下的制热量、制热性能系数（coefficient of performance, COP）和热舒适性。在运行工况稳定后，机组室内侧的进、出风焓值发生变化，对室内产生制热作用。因此，系统的制热量可由室内侧进、出风的焓值的差来确定。本文通过实验测量送风参数、回风参数以及循环风量，并利用空气焓值法来计算ATAHP和WAC的制热量。ATAHP和WAC的制热量计算分别如公式（1）和（2）所示：

式中：

Q—制热量，kW；

V—体积流量，m3/s；

ρ—空气密度，kg/m3；

Cp—空气的比热容，kJ/(kg℃)。

ATAHP和WAC的性能系数计算公式为

式中：

COP—性能系数；

Q—制热量，kW；

W—总功率，kW。

2.1 制热量

ATAHP与WAC的制热量对比结果如图3所示。实验结果表明，随着外环温度的降低，ATAHP和WAC的制热量均逐渐增加。这是因为外环温度越低，房间内的热负荷就越大，需要机组产生更大的制热量来满足室内热负荷需求。在实验工况从7 ℃下降到-15 ℃的过程中，制热量的增加用于满足低温工况下室内热负荷需求的增加，因此，ATAHP与WAC的制热量增幅基本相同：ATAHP的制热量从1 550.86 W增至2 198.11 W，增幅为647.26 W；WAC的制热量从1 345.77 W增至1 996.30 W，增幅为650.53 W。

图3 不同工况下的ATAHP与WAC的制热量对比

同时，由图3可知，ATAHP在各个工况下的制热量都要远高于WAC，平均高11.49 %，两者的制热量差值最大可达15.24 %，约215 W左右。该现象的主要原因如下：一方面，当机组出风温度高、密度小，出风将会上浮并聚集在房间上部，WAC的安装高度远高于ATAHP，导致同样工况下WAC用于系统反馈调节的监控温度高于ATAHP的监控温度，影响WAC的制热量输出；另一方面，随着外环温度降低，空调系统的蒸发压力将会降低，进而导致吸气密度减小、冷媒循环量减少，而双级压缩技术降低了每一级的压差，减少了压缩腔内部泄漏，由低压级压缩腔排出的制冷剂在内置中间腔与补气混合后经高压级压缩腔压缩后排出，提高了冷媒循环量，从而实现了ATAHP在低温外环温度下制热量的提升。综上，由于ATAHP的双级压缩系统和针对制热工况设计的结构，使得ATAHP的制热量在较低的外环温度工况下具有较大优势。

2.2 制热性能系数

ATAHP与WAC的COP对比结果如图4所示。随着外环温度的降低，ATAHP和WAC的COP值均逐渐降低，规律与制热量相反。这是因为当外环温度降低时，ATAHP和WAC的压缩机做功增加，吸气比容增大，制冷剂质量流量降低，最终导致系统性能系数降低。

图4 不同工况下的ATAHP与WAC的COP对比

从图中还可以发现：在各个工况下，ATAHP的COP均高于WAC，平均高6.23 %；随着外环温度的降低，WAC表现出明显的COP值衰减，ATAHP和WAC的COP差值越来越大，最大可达0.24。对于采用单级压缩系统的WAC，随着外环温度降低，系统的蒸发压力也将降低，导致吸气密度减小、冷媒循环量减少，系统的制热量将会快速衰减；同时，蒸发压力的降低使得冷凝温度与蒸发温度的温差增大，系统的压比随之上升，导致压缩机的容积效率降低，COP也会大幅下降。ATAHP采用双级压缩机，其系统示意图如图5所示，双级压缩机通过在单压缩机上双气缸串联实现两级压缩，制冷剂由低压级压缩腔排出，在内置中间腔与补气混合，再经高压级压缩腔压缩后排出[7]。压缩机双级压缩运行，减小了每一级的压差，降低了压缩腔内部泄漏，提高了压缩机的容积效率，从而实现ATAHP在低温外环温度下制热量和能效的提升[8,9]。根据蒸汽压缩式制冷循环原理，双级压缩系统压焓图如图2所示，系统的COP可以表示为[10]。

图5 双级压缩示意图

式中：

Q—制热量，kW；

W—总功率，kW；

mh、ml—高、低压级的质量流量，kg/s；

h1、h2、h3、h4和h6—各状态点的焓值，kJ/kg。

外环温度主要影响热泵系统的蒸发温度，由压焓图（图6）分析可知，在冷凝温度tc保持不变，当蒸发温度te降低时，单位制冷量略微降低，单位压缩功增大，吸气比容增大，制冷剂质量流量降低，最终导致系统性能系数降低。

图6 双级压缩压焓图

2.3 热舒适性

2.3.1 平均温度与温度偏差

室内平均温度随外环温度的变化规律如图7所示，相应的温度偏差如图8所示。温度偏差为热稳定状态时房间内温度平均值与空调设定温度的差值，可表示为：

图7 不同工况下的ATAHP与WAC的室内平均温度对比

图8 不同工况下的ATAHP与WAC的室内平均温度偏差对比

图9 不同工况下的ATAHP与WAC的温度均匀度对比

图10 不同工况下的ATAHP与WAC的垂直温差对比

式中：

Tdev—温度偏差，℃；

Tavg—室内平均温度，℃；

Tset—空调设定温度，℃。

随着外环温度的降低，室内平均温度逐渐降低，温度偏差也逐渐变为负值，且绝对值也随之增大。在外环温度较高的情况下，机组回风温度达到20 ℃左右时，ATAHP和WAC都会出现降频或者停机的现象，房间平均温度维持在20 ℃附近。此时，温度偏差有正有负，这是因为空调系统在制热模式时有补偿温度-ΔT1和+ΔT2，系统通过压缩机频率变化，保持用于系统反馈调节的监控温度始终处于Tset-ΔT1和Tset+ΔT2之间。在外环温度较低时，系统制热能力衰减，房间平均温度降低。此时，ATAHP和WAC的温度偏差均为负值，系统基本处于不降频的全功率运行。当外环温度低于0 ℃时，WAC已经无法满足20 ℃的设定温度需求。

ATAHP在各外环工况下形成的室内平均温度均高于WAC，而且两者的差值随着外环温度的降低而增大。该现象表明ATAHP在实现房间全局制热舒适性上更具优势。这主要是因为ATAHP用于系统反馈调节的房间温度监控点位置高于WAC，ATAHP的监控点温度低于室内平均温度，ATAHP的计算制热量大于需求制热量，WAC与之相反；ATAHP具有双级压缩系统，在各工况条件下的能够实际输出的制热量要高于WAC，而WAC在外环温度较低时有更加明显的制热量衰减。

2.3.2 温度均匀度

相对于制冷工况而言，温度均匀度与垂直温差一直是制热工况的重点研究问题。温度均匀度是热稳定状态时不同测点温度的差异状况，其计算公式如下：

式中：

Te—温度均匀度，℃；

Ti—检测点i的温度，℃；

m—温度检测点总数。

ATAHP和WAC房间温度均匀度如下图所示，ATAHP的温度均匀度在2 ℃左右，WAC的温度均匀度在3 ℃左右。无论是ATAHP的上出风方式还是WAC的下出风方式，最终热空气均会在密度差的驱动下上浮至房间上部，且无论如何吹风，均不能完全改善这种温度分布，导致ATAHP和WAC的制热温度均匀度整体略差。ATAHP的温度均匀度略优于WAC，这是因为相较于WAC上出风的出风方式，ATAHP下出风的出风方式能让热风先通过房间下部空间再上浮至房间上部，可有效改善温度均匀度。

WAC在外环为7和0 ℃时，ATAHP在外环为7、0和-5 ℃时，温度均匀度较好，且基本保持不变。这是因为在这些外环温度下，系统的能力能够满足负荷需求，系统基本会达到停机温度点，当停机后系统不制热只吹风，能够有效改善温度均匀度。在低外环温度下，随着外环温度的降低，房间热负荷逐渐增大，ATAHP和WAC需要长期不间断运行才能满足制热需求。此时房间上部充满热空气的地方温度变化较小，但是随着外环温度降低，其他区域与外环的换热温差增大，换热强度增加，其他区域的空气温度也逐渐降低。因此，房间整体温度均匀度随着外环温度的降低而变差，WAC从2.9 ℃变为3.4 ℃，ATAHP从1.6 ℃变为2.2 ℃，增幅均约0.5 ℃。

2.3.3 垂直温差

研究表明，当房间内垂直温差小于2.0 ℃时，室内的热舒适性好。垂直温差是指热稳定状态时人员坐姿状态下的头部高度（1.1 m）和脚部高度（0.1 m）位置的温度差值。ATAHP和WAC的垂直温差如下图所示。ATAHP的垂直温差基本不高于2.0 ℃，而WAC的垂直温差均高于3.6 ℃。ATAHP下出风的送风方式能够为人体脚部提供更高的温度，从而降低了人体头部高度和脚部高度的温差，有利于为人体提供更好的室内热环境，提高供暖房间的热舒适性。

对比ATAHP与WAC房间的人体头部高度和脚部高度平均温度，如图11所示。由于房间设定温度是20 ℃，且WAC用于系统反馈调节的房间温度监控点位于房间上部，因此，WAC的头部高度平均温度基本维持在（20±1）℃。而由于热空气的上浮作用，脚部高度的空气温度较低；且随着外环温度的降低，脚部高度空气与外环换热温差增大，脚部空气温度降低。所以，脚部高度温度随着外环温度降低而大幅下降，降幅达到4.5 ℃。综上，WAC系统的垂直温差呈现为在高外环温度时保持不变、在低外环温度时随外环降低而升高的整体趋势。ATAHP用于系统反馈调节的房间温度监控点位于房间下部，因此，脚部高度平均温度基本维持在（20±1）℃。随着外环温度降低，ATAHP系统中房间上部的空气与外环的温差逐渐增大，房间上部的空气温度下降。这样反而有利于ATAHP的垂直温差，使得ATAHP的垂直温差从2.1 ℃降至1.3 ℃。

由于ATAHP采用双级压缩制冷，在各外环工况下具有较高的制热输出量，且ATAHP具有下出风的出风方式，使得ATAHP系统的脚部高度平均温度较为稳定，略随外环温度降低而降低。而WAC系统的脚部温度随着外环温度而大幅降低，最低可达14.0 ℃。而相对于头部温度而言，较高的脚部温度更能给人暖和、舒适的感觉[10]。因此，ATAHP较高的脚部温度能有效提升采暖舒适性。