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北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析(二)
作者:1.同济大学机械与能源工程学院 周海舰 高乃平* 2.中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 李 忠 李爱松 聂晶晶 3.国际铜业协会 赵恒谊 高屹峰
·2018-03-25 09:48:12
 
    

摘 要 对15个空气源热泵供暖系统的监测参数进行具体分析,室外环境温度和相对湿度,典型房间的温度,机组的出水温度、回水温度、水流量等,均对系统COP有一定影响。不同供暖末端的出水温度差别较大,地面辐射供暖更有利于系统的高效运行。另外,本文还对压缩机的运行、循环水泵的耗能情况等做了进一步研究。

关键词 空气源热泵;监测参数;供暖末端;COP


0 引言

通过建立空气源热泵供暖实时监测系统,对北京农村地区空气源热泵的实际运行情况有了概括性的了解。空气源热泵可以安全稳定地运行、节能效果明显,又具有良好的经济效益和环保效益,是北方农村地区清洁供暖的重要替代方案。当然,监测结果也表明,不同测点的季节制热性能系数SCOP差别很大,SCOP最小的只有1.86,最高的可以达到3.45。供暖系统的性能与工程安装固然有关系,但空气源热泵机组的选型、与供暖末端的匹配、室外温湿度的变化、出水温度的高低、流量大小以及耗电量情况等,对供暖系统的影响不可忽视。

近年来,对于空气源热泵供暖的研究多是在试验条件下经短期测试完成,并且都是针对单一机组的研究[1-4]。对于农村居民用户的实际运行情况,以及不同机组的对比分析等研究较少。本文将对各监测参数对COP的影响进行具体分析,即通过对15个测点的对比,分析影响COP的主要因素,以及COP较低的原因。

1 监测参数分析

1.1 总体结果

空气源热泵供暖系统的主要监测参数包括室外环境的温度和相对湿度,典型供暖房间的温度,空气源热泵机组的出水温度、回水温度及水流量等。按SCOP的大小顺序进行排列,统计结果如表1所示,所有数据均为监测周期内的平均值。

1.2 室外温湿度

各监测点的室外温度和相对湿度如图1所示,监测周期为2016年11月中旬~2017年2月下旬,其中两个测点(7号、12号)的监测开始时间较晚,因此室外平均温度也较高(分别为3.1℃和3.4℃)。其余各测点的室外温度差别较小,最大值1.6℃,最小值0.1℃,平均值为0.7℃。各测点的室外相对湿度在35%~53%之间,平均值为45%。


结合北京市气象数据可知,2016~2017年的供暖季属于典型“暖冬”,没有出现-20℃以下的严寒天气,有利于空气源热泵机组的正常运行。

1.3 出水、回水温度

图2结合表1可知,空气源热泵机组的平均出水温度最高值为52.7℃(测点8),最低值为30.4℃(测点10),其中大部分位于35℃~45℃之间。而出水与回水的温差较小,均在5℃以内。一般情况下,出水温度越低则系统的COP越高。由于机组性能等的差异,出现了出水温度低COP也低(测点10),以及出水温度较高COP也不低(测点8)的情况。


另外,采用地面辐射供暖的测点,出水温度普遍较低。测点1、2和10的出水温度分别为32.2℃、37.1℃和30.4℃,一般来说水温低则机组的COP高,利于机组的高效运行。采用散热器末端的10个测点中,出水温度最高52.7℃,最低35.1℃,平均值为43.0℃。

除了出水温度和回水温度,供热量的大小还跟水流量相关。各测点的水流量大小如图3所示,其中水流量最大值为2.5m3/h,最小值为1.8m3/h。运行期间,出水温度和回水温度一般都设为定值,所以水流量的波动也很小。

1.4 室内温度

对于大部分监测点,分别选取4个典型房间进行室内温度实时监测。各测点平均室温如表2所示,所有监测房间中的室内温度最大值为24.3℃,最小值为13.8℃。同一测点内,各房间温差最大的为7.1℃(测点5),最小的为1.3℃(测点8)。同一测点不同房间温差较大的原因,一是有些非常住房间,人为切断供暖;二是供热量不足,散热器片数不够等。

在所监测的56个房间中,监测周期内平均室温低于16℃的仅占14%。房间内温度在18℃~22℃区间内的测点数量最多,这也是人体感受最舒适的温度范围。

一般情况下出水温度越高,室内温度也应该越高,但出水温度与室内温度的关系还受其他因素的影响。以测点8和9为例,两个测点均为散热器末端,四个房间的温度平均值均为18.7℃,但出水温度相差5.1℃。因此,房间的维护结构对于建筑保温尤为重要,也间接影响着空气源热泵机组的性能。

2 关键部件分析

2.1 压缩机形式及性能分析

在空气源热泵供暖系统中,所用到的压缩机类型有涡旋式压缩机和转子式压缩机两种。变频压缩机以及补气增焓技术,也已在供暖系统中广泛应用。压缩机作为空气源热泵机组的核心部件,在供暖系统中起着至关重要的作用。压缩机的性能并不代表系统的整体性能,一个最佳的系统组合才会达到最优的性能。

选择某一测点,对其监测周期内的机组运行时间和机组启停次数进行统计分析,如图5所示。机组每天的平均有效运行时间为13.7小时,最长有效运行时间为18.7小时,最短有效运行时间为8.1小时。机组的有效运行时间会对系统的供暖效果产生一定影响。

压缩机每天的启停次数也很频繁,日最大启停次数为91次,日最小启停次数为46次,平均每天启动58次。机组的频繁启停,是对压缩机的性能的一个很大考验。

2.2 水泵性能分析

空气源热泵供暖系统也可是说是一个“水循环”系统,热泵机组产生的热水流进供暖末端,然后冷水又回到机组进行再加热,在这个过程中水泵起着不可或缺的作用。水泵的能耗问题,也一直是行业讨论的热点,因为其直接影响着热泵供暖系统的性能。

对其中10个测点的水泵耗能情况进行监测分析,结果如图6所示,纵坐标表示的是水泵的耗电量与供暖系统总的耗电量之比。由监测数据得到,水泵平均能耗比为6.3%,最大能耗比为11.0%,最小能耗比为3.0%。因此,水泵的能耗在系统的总能耗中所占的比例很小。但是,不同测点的水泵耗能情况差异较大,这也间接影响了热泵系统的COP值。如何解决水泵与系统的匹配问题并降低水泵在系统中的能耗,是热泵整机厂商和水泵供应商的一个重点研究方向。另外,关于变频水泵的应用,也是一个发展方向。


2.3 其他因素分析

(1)建筑供暖面积

15个测点中,建筑供热面积大小不一,最大的189m2,最小的80m2。建筑供暖面积大多在80m2~140m2,这也呈现出北京农村地区居民住宅的实际建筑面积大小。农宅供暖面积的大小主要与空气源热泵机组的选型有关,选型过程中应注意避免“大马拉小车”等现象的发生。

(2)供暖末端形式

空气源热泵供暖的形式主要分为三种:地暖、散热器采暖以及热风供暖。北京农村地区空气源热泵供暖形式均为地暖和散热器采暖,以及地暖+散热器联合供暖方式。由表1可知,大部分采暖用户所用末端为散热器,这也与北京“煤改电”实际情况相吻合。而常见的散热器又有钢制散热器和铸铁散热器,其中使用钢制散热器的采暖用户最多。

由图7可知,采用地暖末端的有3个,平均COP为2.83;地暖+钢制散热器末端的有2个,平均COP为2.30;散热器末端的有10个,平均COP为2.20。在忽略其他影响因素的前提下可知,地暖机组的性能要明显优于散热器采暖。

当然,某些采用散热器采暖的测点COP仍可达到2.5以上,具有较好的节能效果。因此,在北方地区冬季供暖的改建项目中,空气源热泵+散热器采暖的组合方式仍具有明显的优势。在新建项目中,则建议采用空气源热泵+地暖的组合方式。

3 结论

通过对监测参数和主要部件的具体分析,主要得出以下结论:

(1)空气源热泵供暖系统的COP与室外环境温度、相对湿度,机组的出水温度,室内温度等均有关系。各测点的出水温度大部分位于35℃~45℃之间,地面辐射供暖的平均出水温度要比散热器低10℃左右。

(2)以某一测点为例,压缩机每天的最大启停次数为91次,最小启停次数为46次,平均每天启动58次。压缩机的频繁启停,会影响其本身的性能,又对供暖效果产生一定影响。

(3)在北方地区冬季供暖的改建项目中,空气源热泵+散热器采暖的组合方式,COP可达到2.5以上,节能效果明显。在新建项目中,则建议采用空气源热泵+地面辐射供暖的组合方式。在新建和改建项目中,都应做好农宅建筑围护结构的保温措施,有利于空气源热泵在低出水温度下的高效运行。


参考文献

[1] 杜彦,田琦,杨晋明,等.空气源热泵直接地面辐射供暖系统优化运行方式[J].华侨大学学报(自然版),2015,36(2):199-204

[2] 辛宏.空气源热泵地面辐射供暖技术在民用住宅上的应用[J].应用能源技术,2015(8):32-36

[3] 曹宇婷,杨强.空气源热泵在农村地区应用下的制热性能测试[J].节能,2016,35(10):34-6

[4] 张帅,胡文举,李德英,等.北京地区空气源热泵供暖系统的分析与改进[J].建筑热能通风空调,2016(8):61-63


 
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