案例分享：南京某醫(yī)院的空氣源熱泵系統(tǒng)冬季采暖測(cè)試分析

  摘要：對(duì)南京某醫(yī)院空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試周期共45天，期間平均干球溫度2.64℃;共遇3天極端惡劣天氣，平均干球溫度-4.9℃;4天結(jié)霜天氣,平均結(jié)霜系數(shù)Df為0.97。測(cè)試期間日均熱泵機(jī)組COP為3.12，日均每平方采暖費(fèi)用為0.25元/平方米。測(cè)試表明，長(zhǎng)江中下游地區(qū)采用空氣源熱泵系統(tǒng)采暖，在滿足舒適性環(huán)境的條件下具有較好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，是較好的解決江南地區(qū)冬季采暖問(wèn)題的技術(shù)方案。

  [關(guān)鍵詞] 冬季采暖;空氣源熱泵;測(cè)試;性能系數(shù)

  0 引言

  空氣源熱泵(Air Source Heat Pump，簡(jiǎn)稱“ASHP”)因其舒適性好、能效比高、安裝使用方便等特點(diǎn)近年來(lái)在冬季采暖方面越來(lái)越受到重視。在應(yīng)用方面[1-3]，空氣源熱泵在長(zhǎng)江中下游地區(qū)應(yīng)用廣泛。由于其節(jié)能、環(huán)保等特性逐步向主要依靠燃煤、燃油采暖的華北地區(qū)、黃河流域等推廣應(yīng)用。在技術(shù)方面[4]，空氣源熱泵機(jī)組在寒冷地區(qū)冬季使用主要存在低溫、結(jié)霜、壓縮比大、熱效率低等問(wèn)題。馬最良等[5-7]通過(guò)采用雙級(jí)壓縮變頻，蓄能除霜等，在改善機(jī)組性能方面進(jìn)行研究;石文星等[8,9]通過(guò)對(duì)全國(guó)各地冬季氣候和機(jī)組實(shí)驗(yàn)工況耦合分析等，在機(jī)組環(huán)境適用性方面進(jìn)行研究。同時(shí)，為引導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)品市場(chǎng)，關(guān)于空氣源熱泵生產(chǎn)、適用的評(píng)價(jià)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系也在完善。

  本文通過(guò)對(duì)南京某醫(yī)院空氣源熱泵進(jìn)行冬季采暖測(cè)試分析，重點(diǎn)介紹空氣源熱泵采暖系統(tǒng)在江南地區(qū)采暖應(yīng)用實(shí)測(cè)研究情況。參照美國(guó)、歐盟和國(guó)際熱泵產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一款130kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，在機(jī)組能效比、結(jié)霜環(huán)境下運(yùn)行情況以及經(jīng)濟(jì)性分析三個(gè)方面做了重點(diǎn)分析。希望能為空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及實(shí)際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定提供實(shí)際參考和依據(jù)。

1 空氣源熱泵采暖項(xiàng)目情況

  1.1 系統(tǒng)

  本工程為南京市某醫(yī)院病房樓改造項(xiàng)目，氣候特點(diǎn)屬于夏熱冬冷地區(qū)，具體冬季室外參數(shù)如表1所示。建筑面積約8,700平方米，采暖面積7,950平方米，共4層。采暖系統(tǒng)采用10臺(tái)風(fēng)冷熱泵模塊機(jī)(H型)機(jī)組，額定功率為130kW，并采用470臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管作為室內(nèi)末端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)冬季熱負(fù)荷為850kW，提供45/40℃的采暖熱水。

  如圖1所示，由于醫(yī)院樓房改造等因素，熱泵機(jī)組及其附屬設(shè)備置于A樓樓頂，距離采暖建筑B樓約15m，兩者之間由供回水管連接。空氣源熱泵采暖系統(tǒng)布置如圖1所示，采暖熱水至采暖建筑B樓分為2路，分別為建筑供暖和新風(fēng)供暖。

  1.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制

  為滿足建筑采暖要求，由10臺(tái)熱泵130kW機(jī)組，采用間歇式運(yùn)行以滿足室內(nèi)負(fù)荷及不同運(yùn)行模式的需求，包括普通模式、除霜模式、間歇啟停模式等。供水溫度由人工設(shè)定，整個(gè)采暖周期內(nèi)，均設(shè)置為44℃。

  1)普通模式：系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)的工況要求，逐個(gè)運(yùn)行/停止熱泵，滿足供水溫度設(shè)定要求(44℃)。當(dāng)環(huán)境露點(diǎn)溫度低于蒸發(fā)溫度時(shí)(即熱泵機(jī)組不結(jié)霜的條件下)，系統(tǒng)進(jìn)入普通模式。在本測(cè)試采暖周期內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行控制策略主要以普通模式為主。

  2)除霜模式：系統(tǒng)切換結(jié)霜機(jī)組的四通換向閥，機(jī)組由制熱工況變?yōu)橹评涔�況。壓縮機(jī)排出的高溫氣體直接送入室外側(cè)換熱器加熱翅片管達(dá)到融化霜層的目的[10]，滿足供水溫度設(shè)定要求。在結(jié)霜環(huán)境下時(shí)，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式。

  3)間歇啟停模式：系統(tǒng)間歇式運(yùn)行/停止結(jié)霜10臺(tái)熱泵機(jī)組，通過(guò)蒸發(fā)器翅片側(cè)霜層與環(huán)境換熱達(dá)到化霜目的，滿足供水溫度設(shè)定要求。在易結(jié)霜環(huán)境下，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式代替除霜模式，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

  根據(jù)采暖建筑B樓供暖要求，采用全新風(fēng)供暖。供暖熱水分為2路：建筑供暖熱水和新風(fēng)供暖熱水。建筑供暖熱水與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱，達(dá)到室內(nèi)設(shè)定要求后風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行;新風(fēng)供暖熱水與室外新風(fēng)換熱后送入采暖建筑B樓。

  2 測(cè)試方案

  2.1 測(cè)量區(qū)域劃分

  將所需測(cè)量值按功能區(qū)域劃分為兩部分：

  1)系統(tǒng)端——熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)：對(duì)安置在影音樓屋頂?shù)臒岜脵C(jī)組的各點(diǎn)溫度，流量及電功率等進(jìn)行測(cè)量;

  2)用戶端——采暖建筑測(cè)試區(qū)：對(duì)采暖建筑各處進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)建筑內(nèi)各送/回風(fēng)口的風(fēng)速和溫度進(jìn)行測(cè)量。熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)各測(cè)試點(diǎn)布置如圖1所示。

  各測(cè)試區(qū)內(nèi)測(cè)量值與所用儀器如表2所示。

  用戶端——采暖建筑測(cè)試區(qū)各測(cè)試點(diǎn)布置如圖2所示，測(cè)量整個(gè)采暖建筑內(nèi)溫度分布狀況是否均勻，是否滿足各房間的供暖需求。各樓層樓傳感器布置及建筑結(jié)構(gòu)大致相同。一樓測(cè)試點(diǎn)布置情況如圖2所示。

  2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

  本文以歐洲空氣源熱泵產(chǎn)品相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11-15]作為本測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)的依據(jù)。

  1)單/多臺(tái)熱泵機(jī)組性能評(píng)價(jià)指標(biāo)熱泵機(jī)組總供熱量QASHP：

  2)熱泵系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)熱泵系統(tǒng)COPASHP：

  3)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)：

  3 結(jié)果與分析

  采暖建筑面積約8,700平方米，系統(tǒng)設(shè)計(jì)冬季熱負(fù)荷為850kW，本文冬季采暖測(cè)試周期：2016年1月19日~2016年3月4日，共45天。在測(cè)試周期內(nèi)，共有四天結(jié)霜天氣，平均結(jié)霜系數(shù)Df為0.96;日均熱泵機(jī)組COP為3.12;日均耗電量為2,260kWH，日均每平方采暖費(fèi)用Ai為0.25元/平方米。

  3.1 系統(tǒng)性能分析

  測(cè)試周期內(nèi)，共2次中斷測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔整理。測(cè)試數(shù)據(jù)按測(cè)量時(shí)間段依次歸類，共3組：

  1)1月19日~28日;

  2)1月29日~2月15日;

  3)2月16日~3月4日。

  本文詳盡列舉測(cè)量周期1，在不同環(huán)境氣象參數(shù)下，對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試分析。

  3.1.1 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

  如圖3所示，觀察2016年1月19日~28日的熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)和采暖建筑測(cè)試區(qū)的各點(diǎn)溫度變化情況。測(cè)量周期內(nèi)，平均室外干球溫度2.64℃。1月23日~25日出現(xiàn)極端惡劣天氣，室外日均干球溫度分別為：-5.10℃、-6.90℃、-2.80℃。熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率降低但蒸發(fā)器表面并沒(méi)有結(jié)霜現(xiàn)象，采暖建筑室內(nèi)供熱穩(wěn)定。

  采暖周期內(nèi)平均總供/回水溫度、單臺(tái)熱泵平均供/水溫度、平均建筑供/回水溫度和平均新風(fēng)供/回水溫度分別是：42.3℃/38.8℃，46.7℃/40.0℃，41.2℃/35.8℃和41.3℃/39.5℃。測(cè)量周期內(nèi)，熱泵系統(tǒng)能始終保持總供水溫度37.5℃以上。整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，建筑供熱量普遍大于新風(fēng)供熱量(極端惡劣天氣下的情況除外)。

  建筑供熱為主要供熱單元;新風(fēng)供熱為次要供熱單元。極端惡劣天氣內(nèi)期間，如圖3中a和b區(qū)域所示，所示于23日3:00室外干球溫度3.10℃，露點(diǎn)平均溫度1.51℃。熱泵機(jī)組出現(xiàn)短暫的結(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，根據(jù)熱泵出水溫度，啟停熱泵機(jī)組。單臺(tái)熱泵出水溫度最低41.7℃，熱泵系統(tǒng)總供/回水均未有明顯改變，室內(nèi)供暖保持正常。

  如圖3中c區(qū)域所示，出現(xiàn)測(cè)量周期內(nèi)最冷天氣，日平均溫度為-6.90℃，單臺(tái)熱泵供水溫度均值48.6℃，系統(tǒng)總供/回水建筑、新風(fēng)供水、單臺(tái)熱泵供/回水溫度均出現(xiàn)下降，而建筑回水和新風(fēng)回水溫度基本不變，其日均值分別是42.6℃和41.5℃。

  此時(shí)，新風(fēng)供熱需求大于建筑供熱需求。建筑供熱為次要供熱單元;新風(fēng)供熱為主要供熱單元。如圖3中d區(qū)域所示，室外干球溫度和室外平均露點(diǎn)溫度分別是：-4.2℃和-18.9℃。蒸發(fā)溫度遠(yuǎn)高于露點(diǎn)溫度，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)無(wú)結(jié)霜現(xiàn)象。

  3.1.2 采暖建筑數(shù)據(jù)分析

  如下表3所示，室外平均干球溫度2.64℃，一/二/三/四樓大廳月平均溫度分別為22.7℃、19.2℃、15.7℃和14.6℃。其中，高樓層大廳用戶窗常開(kāi)，導(dǎo)致三/四樓大廳室內(nèi)溫度偏低。各樓層病房月平均溫度為：24.9℃。病房人員日間習(xí)慣窗戶微開(kāi)，保持室內(nèi)空氣流通，故日間室內(nèi)溫度存在小范圍波動(dòng)，室內(nèi)溫度基本不低于20℃。

  在極端惡劣天氣(23日~25日)下，采暖建筑各層醫(yī)生辦公室和病房基本不受影響，始終保持室內(nèi)溫度20℃以上。采暖建筑三/四樓大廳溫度有下降，基本維持在10℃以上。

  3.1.3 熱泵系統(tǒng)能效分析

  對(duì)各采集數(shù)據(jù)綜合分析，整個(gè)冬季采暖測(cè)試時(shí)間：2016年1月19日~3月4日，共45天。總體性能指標(biāo)如下表4所示，采暖周期內(nèi)平均結(jié)霜系數(shù)為0.96。其中，共有四天結(jié)霜天氣(分別為：1月28日、1月29日、1月31日和2月1日)在換熱器翅片表面有結(jié)霜，結(jié)霜系數(shù)分別為0.96、0.94、0.97和0.98。

  如圖4所示，日均耗電量P與干球溫度呈反比關(guān)系趨勢(shì)，測(cè)試采暖周期內(nèi)日均耗電量2,260kWH。

  如圖5所示，呈現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)與室外干球溫度的變化關(guān)系。其中，日均熱泵機(jī)組COPH：3.12;日均熱泵系統(tǒng)COPASHP：2.76;日均采暖系統(tǒng)COPSYS：2.36。

  整理室外干球溫度與熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)關(guān)系[16,17]，得出關(guān)系如圖6所示，在室外干球溫度為2.82℃左右時(shí)，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率達(dá)到最大值。隨著室外溫度逐漸升高，熱泵機(jī)組COPH提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP降低，采暖系統(tǒng)COPSYS降低。

  3.1.4 能效變化原因分析

  如圖6所示，室外干球溫度與系統(tǒng)性能指標(biāo)總結(jié)為以下3點(diǎn)：

  1)在測(cè)試采暖周期內(nèi)，當(dāng)室外干球溫度低于2.82℃時(shí)，系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)(包括熱泵機(jī)組COPH，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS)隨著溫度上升而提高;

  2)當(dāng)室外干球溫度等于2.82℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS達(dá)到峰值。

  3)當(dāng)室外干球溫度超過(guò)2.82℃時(shí)，熱泵機(jī)組COPH隨著溫度升高而提高;而熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨著溫度升高而下降。

  系統(tǒng)主要設(shè)備功率如表5所示，單臺(tái)熱泵機(jī)組功率為39.3kW;單臺(tái)水泵功率為15.5kW;室內(nèi)風(fēng)機(jī)共264臺(tái)，風(fēng)機(jī)總功率為25kW。由于室外干球溫度升高，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)量減少，使得采暖水泵和室內(nèi)風(fēng)機(jī)等占主要運(yùn)行能耗。系統(tǒng)能效變化原因分析有以下2點(diǎn)：

  1)當(dāng)室外干球溫度低于2.82℃時(shí)，為滿足室內(nèi)供暖需求，熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)保持在3臺(tái)或以上，機(jī)組運(yùn)行功率占系統(tǒng)總功率的3/4以上，熱泵機(jī)組運(yùn)行功率在系統(tǒng)性能指標(biāo)上起主導(dǎo)作用。室外干球溫度提高，熱泵機(jī)組COPH運(yùn)行效率提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS提高。

  2)當(dāng)室外干球溫度高于2.82℃時(shí)，室內(nèi)供暖需求降低，熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)降低至2臺(tái)或以下，機(jī)組運(yùn)行功率占系統(tǒng)總功率1/3以下，水泵和室內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率影響整體熱泵系統(tǒng)的效率。室外干球溫度提高，熱泵機(jī)組COPH運(yùn)行效率提高。同時(shí)，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機(jī)組運(yùn)行功率占實(shí)際運(yùn)行功率的比重降低，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨室外干球溫度升高呈降低趨勢(shì)。

  3.2 結(jié)霜工況分析

  3.2.1 數(shù)據(jù)分析

  本文選取典型結(jié)霜日(1月29日10:00～1月30日11:00)，對(duì)熱泵機(jī)組在結(jié)霜環(huán)境下工況做進(jìn)一步分析。結(jié)霜工況下各項(xiàng)性能指標(biāo)平均值如表6所示：

  觀察圖7，29日10:00～16:30室外平均干球溫度為3.5℃，平均濕球溫度為3.0℃。熱泵機(jī)組蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，平均總供水溫度為33.1℃。29日16:30～17:30，環(huán)境干球溫度不變，含濕量逐漸降低，露點(diǎn)溫度逐漸下降;29日17:30～30日11:00，系統(tǒng)進(jìn)入普通運(yùn)行模式。在結(jié)霜工況下，一/二/三/四樓平均室內(nèi)溫度分別為23.0℃、23.5℃、23.1℃和24.6℃，采暖建筑供暖正常。

  觀察圖7中a和b區(qū)域，16:24時(shí)，空氣濕度降低，此時(shí)總供水溫度為31.3℃;16:54時(shí)，熱泵系統(tǒng)總供水溫度首次達(dá)到40.3℃;17:36時(shí)，回水溫達(dá)到40.2℃，表明熱泵系統(tǒng)開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)環(huán)境溫度3.41℃，露點(diǎn)溫度0.12℃。熱泵系統(tǒng)在結(jié)霜時(shí)，可保持總供水溫度保持在33.0℃附近，但達(dá)不到設(shè)定值要求溫度(44.0℃)。

  3.2.2 能效比分析

  如圖8所示，結(jié)霜工況下(29日10:00-16:30)，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，熱泵機(jī)組COPH下降，均值為2.89。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束化霜進(jìn)入普通模式后(29日18:00-30日11:00)，各COP值上升，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)行。

  如圖9所示，在結(jié)霜工況下，系統(tǒng)供電總功率維持恒定，在小幅度范圍內(nèi)(113kW-115kW)正常浮動(dòng)。

  3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

  如圖10所示，在測(cè)試周期內(nèi)，日均耗電量為2,559kWH，每平方日均耗電為0.29kWH，每天每平方采暖費(fèi)用為0.25元。系統(tǒng)在高負(fù)荷日均消耗3,943kWH;低負(fù)荷日均消耗696kWH。

  如圖11所示，每平方日均采暖費(fèi)用和室外干球溫度成反比趨勢(shì)。室外干球溫度越高，每平方日均采暖費(fèi)用越低。

  4 總結(jié)

  本文對(duì)南京某醫(yī)院的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行冬季采暖測(cè)試，得出以下結(jié)論：

  1 ) 單臺(tái)熱泵平均COPH為3.12，運(yùn)行良好。隨著室外干球溫度上升，單臺(tái)熱泵機(jī)組的工作效率隨之提高。熱泵壓縮機(jī)功率為39.3kW，水泵功率為15.5kW。故當(dāng)實(shí)際熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少時(shí)，水泵及末端風(fēng)機(jī)盤管的電功率將直接影響系統(tǒng)的能效比。結(jié)合本項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)室外干球溫度達(dá)到2.82℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖建筑COPSYS會(huì)降低。

  2 ) 夏熱冬冷地區(qū)，結(jié)霜天氣較少，使用空氣源熱泵進(jìn)行冬季采暖可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。在本測(cè)試周期(共45天)中，出現(xiàn)2天惡劣天氣和4天結(jié)霜現(xiàn)象，最低總出水溫度為33℃，系統(tǒng)仍能保持正常供暖。結(jié)合本項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)露點(diǎn)溫度接近3℃時(shí)，熱泵蒸發(fā)器會(huì)有結(jié)霜現(xiàn)象。

  3 ) 整個(gè)冬季采暖測(cè)試過(guò)程中，機(jī)組高負(fù)荷時(shí)期，日均消耗3,943kWH;機(jī)組低負(fù)荷時(shí)期，日均消耗696kWH;整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，日均耗電量平均值為2,559kWH，每平方米日均耗電為0.29kWH，每天每平方米采暖費(fèi)用為0.25元。在夏熱冬冷地區(qū)，熱泵機(jī)組采暖工況條件適宜，能滿足經(jīng)濟(jì)性和舒適性要求。

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  [13] EN.制冷設(shè)備和熱泵.安全性和環(huán)境要求.容積式制冷壓縮機(jī)[S].2008.

  [14] EN.制冷系統(tǒng)和熱泵.釋壓裝置及其相關(guān)管道.計(jì)算方法.德文版本EN13136-2013[S].2013.

  [15]EN.制冷系統(tǒng)和熱泵.安全性和環(huán)境要求.第2部分:設(shè)計(jì),建造,試驗(yàn),標(biāo)志和文件.德文版本EN378-2-2008+A2-2012[S].2012.

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