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北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析
作者:1.同济大学机械与能源工程学院 周海舰 高乃平* 2.国际铜业协会 赵恒谊 高屹峰 3.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
·2018-07-16 16:45:58
 
    

摘 要 本文选取某一空气源热泵供暖系统,对其典型运行日的运行参数进行具体分析。分别选取“极湿”天气和“低温”天气运行日,“极湿”天气下热泵系统的日平均COP仍可达到2.56,“低温”天气下热泵系统的日平均COP达到3.24。由此可知,在极端工况下本测点的空气源热泵机组仍可以高效稳定地运行,也进一步表明热泵的明显优势。

另外,本文还对实时监测数据做了进一步的阐述分析。

关键词 空气源热泵;典型日;极端工况;低温工况;运行特性


0 引言

空气源热泵供暖系统的性能与室外环境温度、相对湿度,以及机组的出水温度,室内温度等均有关系。在机组正常运行条件下,哪一种参数对供暖系统的影响更大,需要进一步的研究。

近年来,对于空气源热泵在不同地区的应用研究也逐渐增多。张川以上海市某一办公楼为研究对象,安装了一套空气源热泵冷热水的采暖空调系统,对安装不同类型的室内末端时的系统运行参数进行比较分析[1]。

曾璟通过对长沙某住户使用的蓄能型空气源热泵地面辐射供暖系统进行测试,对该系统的可靠性、热舒适性、经济性等进行分析与评估[2]。李昆对济南市一处空气源热泵地面辐射供暖系统进行实验研究,对空气源热泵在山东地区供暖运行的性能、特点、效果、经济性、节能环保性等进行分析[3]。徐维以安徽省滁州市的供暖建筑为例,对空气源热泵地面辐射供暖系统进行综合评价,并对极端天气、不同运行方式等进行分析比较[4]。

本文以某一监测点为例,对空气源热泵机组在“极湿”和“低温”条件下的典型日运行特性进行详细分析。

空气源热泵供暖系统由空气源热泵机组、循环水泵以及地热盘管供暖末端等组成,压缩机采用的是带有补气增焓技术的变频涡旋式压缩机,还装有电辅助加热装置。

1 “极湿”天气运行分析

以某测点为例,对热泵供暖监测周期内的典型运行日进行具体分析。2016年12月20日,本测点的室外环境日平均湿度为85%,为监测周期内的最大湿度值。对运行日的室外温度和相对湿度进行逐时统计,结果如图1所示。运行日内的室外相对湿度波动范围较小,为82%~87%;室外温度为-3.1℃~0.3℃,平均温度为-1.7℃。

在本运行日内,4个典型供暖房间的室内温度均达到用户的需求,且温度相对较高。4个房间内的日平均温度分别为23.2℃、22.4℃、21.5℃、20.1℃,逐时温度如图2所示。单个房间内的室温相对平稳,24小时温度均在2℃以内。不同房间内的温度差异,是由实际供热量不同造成的。

如图3所示,热泵机组的出水温度和回水温度均处于相对较低的温度,出水温度平均值为31.7℃,回水温度为28.2℃。其中,逐时出水温度有1℃左右的波动,回水温度波动更小。出水温度出现波动,与室外机在运行期间的除霜工况有关,但热泵机组总体运行平稳。

对典型日的逐时COP进行统计,如图4所示。即使在室外相对湿度如此大的情况下,热泵系统的日平均COP仍可达到2.56。其中COP最低值出现在上午9时~10时,为1.85。此时间段内的平均室外相对湿度为86%,温度为-2.2℃。而COP最高值出现在晚上11时~12时,为3.23,此时间段内的平均室外相对湿度为86%,温度为-0.9℃。COP最大值并没有出现在白天温度相对较高和湿度相对较低的时间段,说明COP还受除室外温湿度以外的其他因素影响。

对于典型日24小时的数据,将各监测参数集中显示,如图5所示。其中,横坐标为时间轴,间隔为1小时,所有参数均为监测时间内的实时数值。温度曲线包括室外温度、室内温度、出水温度和回水温度,另外还包括室外相对湿度、机组消耗功率以及水流量。本测点是采用了补气增焓技术的变频涡旋压缩机,系统没有安装缓冲水箱。

由图5可知,室内温度的波动很小;室外温度和相对湿度在白天有少许波动,白天温度有所升高,湿度有一定的下降;水流量可近似看成稳定流动,约2.0m3/h。波动较为明显的参数有出水温度、回水温度和系统耗功功率。其中,出水、回水温度呈现出周期性的变化,但每个周期的时间间隔有大有小,这可能与机组的除霜情况有关。伴随着出水、回水温度的变化,系统耗功功率也出现相应的升降趋势。通过对比出水、回水温度的变化与功率的变化可知,机组运行过程中存在频繁的启停现象。

将时间轴坐标进行放大处理,选取8时~11时的监测数据,如图6所示。

出水温度和系统功率的波动情况则更为明显,由于是变频压缩机,系统功率也一直处于变化的状态。当出水温度达到某一稳定值时,系统功率会出现一个明显下降的趋势,出水温度也随之逐渐降低。当出水温度降到最低点时,系统功率出现明显上升,随之又会急剧下降。随后,系统功率逐渐升高,出水温度也随之逐渐升高。

由于系统在运行过程中还存在除霜的问题,除霜时会对系统功率以及出水温度都会造成一定影响。除霜工况下的系统特性研究,也是今后需要重视的一个方向,对于系统的高效稳定运行尤为重要。

2 “低温”天气运行分析

仍以上述测点为例,选取热泵供暖典型运行日进行单独分析。2017年1月20日,本测点的室外环境日平均温度为-7℃,为监测周期内的日平均最低温度。对运行日的室外温度和相对湿度进行逐时统计,结果如图7所示。运行日内的室外温度和相对湿度都有较大波动,相对湿度为25%~61%,平均值为39%;室外温度为-14.0℃~5.4℃,温差将近20℃。如此大的温湿度波动,对于热泵机组的运行来说是一个很大的考验。

在较大的温湿度波动范围内,4个供暖房间的室内温度均达到用户基本的供暖需求,且温度都相对较高。4个房间内的日平均温度分别为23.3℃、22.2℃、22.3℃、21.0℃,逐时温度如图8所示。有两个房间内的室温出现较为明显的上下波动,但单个房间24小时内温差也只有2.3℃,总体来说还是相当平稳的。其余两个房间的温度相对平稳,说明室内温度还跟其他因素有关,如人员进出及开关门等带来的室内外换热。

如图9所示,热泵机组的出水温度和回水温度仍然处于相对较低的水平。其中,在11时~15时,出水温度和回水温度有一个明显的回落。通过对耗电量及供热量等数据的统计分析,此时间段内应该是出现了人为(或停电导致)停机的情况。

因此,在此时间段内的逐时出水温度有一个最大为6.8℃的波动,相应的回水温度也出现波动。另外,出水温度出现小范围波动的原因,与室外机在运行期间的除霜工况有关,但热泵机组总体运行平稳。

对典型日的逐时COP进行统计,如图10所示。即使在室外温度较低(最低为-14℃)的情况下,热泵系统的日平均COP仍可达到3.24。其中COP最低值出现在早晨4时~5时,为2.73。此时间段内的平均室外相对湿度为39%,温度为-10.9℃。而COP最高值出现在下午17时~18时,为3.60,此时间段内的平均室外相对湿度为26%,温度为-4.3℃。由于在白天出现过停机的情况,12时、13时的平均COP仅供参考。

通过对比分析“极湿”和“低温”条件下热泵机组的运行情况,“极湿”典型日的平均COP为2.56,“低温”典型日的平均COP为3.24,由此可知室外相对湿度对于热泵系统的性能影响更大。

3 结论

通过对单个测点典型运行日的分析,主要得出以下结论:

(1)在日平均湿度为85%的“极湿”天气下,热泵系统的日平均COP仍可达到2.56,逐时最低COP为1.85,逐时最高COP为3.23,4个房间内的日平均温度分别为23.2℃、22.4℃、21.5℃、20.1℃,均满足供暖需求。

(2)在日平均温度为-7℃的“低温”天气下,热泵系统的日平均COP达到3.24,逐时最低COP为2.73,逐时最高COP为3.60,4个房间内的日平均温度分别为23.3℃、22.2℃、22.3℃、21.0℃,均满足供暖需求。

(3)通过对比分析“极湿”和“低温”天气条件下热泵机组的运行情况,“低温”条件下的机组运行特性要明显优于“极湿”工况,这与“极湿”工况下室外机的结霜、除霜情况密切相关,由此可知室外相对湿度对于热泵系统的性能影响更大。


参考文献

[1] 张川.采用小温差换热末端的空气源热泵空调系统性能研究[D].上海交通大学

[2] 曾璟.夏热冬冷地区蓄能型空气源热泵地板供暖系统的实验研究[D].湖南大学

[3] 李昆.寒冷地区空气源热泵地板辐射供暖适宜性分析[D].山东建筑大学

[4] 徐维.空气源热泵地暖系统冬季应用研究[D].合肥工业大学


 
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