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空气源热泵在绿色建筑中运行性能的实测研究
摘要：为揭示空气源热泵(ASHP)在绿色建筑中的实际运行性能，本文于2017~2018年供暖季对北京、秦皇岛及南通地区的4个绿色建筑项目ASHP系统进行现场实测，分析了ASHP系统实际运行性能及共性问题。研究结果表明绿色建筑ASHP系统的运行性能较低，机组COP在1.25~2.8之间，系统COP在0.8~2.23之间，存在ASHP机组“误除霜”、输配系统“大流量小温差”、机组启停频繁“群控不当”、机组侧热损失过大等显著共性问题。该研究揭示了绿色建筑空气源热泵应用存在的问题，对ASHP高效应用具有一定的参考价值。
关键词：空气源热泵;绿色建筑;现场测试;实际运行性能;共性问题
0 引言
自2015年我国住建部将空气源热泵(Air Source Heat Pump)列入可再生能源技术以来，空气源热泵在我国得到广泛的应用。截至2018年，全国近20个省市均出台空气源热泵推广政策，空气源热泵不仅成为“煤改电”项目中的重要技术，而且自2016年以来在绿色建筑中也得到广泛推广，其系统规模和供暖面积越来越大。
空气源热泵实际运行性能的测试和评价是空气源热泵高效良性发展的重要保证。现有研究已开展了一些空气源热泵系统的实测研究，如王子介等[1]在南京某住宅进行一个供暖期的现场实测，提出了空气源热泵用于地板辐射采暖系统时的改进意见;李雄志等[2]基于长沙某办公楼空气源热泵系统进测试，分析了空气源热泵的经济性优势;王伟等[3~6]通过北京、贵州等地区空气源热泵机组实测，揭示了误除霜事故、雾霾工况影响以及机组室外换热器脏堵问题;周海舰等[7]
对北京地区农宅空气源热泵供暖系统进行监测，分析了“煤改电”的环境效益;李爱松等[8]通过“煤改电”测试分析了各种因素对空气源热泵系统性能的影响;周严等[9]对胶东7个空气源热泵系统进行了短期测试，分析了系统热损失较大、热源与末端不匹配等问题;胡繁昌等[10]测试了北京地区某农宅空气源热泵系统，并提出了实际运行优化措施;杨强等[11]针对“煤改电”项目中的空气源热泵供暖系统测试结果，分析了系统循环水泵的运行能耗及节能潜力。
上述研究对空气源热泵的应用性能进行有益探索，验证了空气源热泵的经济环境效益，同时也揭示了一些关键问题。但是，现阶段研究多以实验室或“煤改电”农宅项目等小型空气源热泵系统为对象，尚缺乏绿色建筑中大型空气源热泵系统的实测研究。为探究空气源热泵在绿色建筑中的实际运行性能，本文针对北京、秦皇岛、南通地区的4个绿色建筑空气源热泵系统，在2017~2018年供暖季进行了长期现场实测，全面分析了各工程中空气源热泵系统的实际运行效果，揭示共性关键问题。该研究为空气源热泵在绿色建筑的高效应用提供参考，有利于空气源热泵的可持续发展。
1 空气源热泵绿色建筑实测调研
1.1 空气源热泵实测项目介绍
本文选取北京、河北秦皇岛、江苏南通地区四个空气源热泵绿色建筑项目进行实测调研，测试建筑均为办公型建筑，建筑面积为3070平方米~10000平方米，项目基本情况如表1所示。
测试项目的空气源热泵系统均为一次泵系统，图1为系统原理图。系统中设置有多台空气源热泵并联运行，每台机组内部设多台压缩机，每个压缩机配置独立制冷剂管道以及阀门，可以独立控制启停。多数空气源热泵系统仅设置循环水泵两台，1用1备。实际运行中，为了满足每台空气源热泵机组的工作流量及防冻需求，水泵需一直保持设计最大流量运行。
1.2 测试内容及评价指标
1.2.1 测试内容
设置自动监测系统，对空气源热泵系统机组及水泵关键参数进行实时监测，主要包括：室外参数、系统实际运行参数、系统基本能耗等。以上数据均通过计算机实时读取存储，存储频率1次/min。具体测点及相应测试设备精度如表2所示：
1.2.2 评价指标
本研究采用热泵系统运行性能系数(COPsh)、热泵机组运行性能系数(COPh)以及循环水泵耗电输热比(EHR)，对绿色建筑空气源热泵系统实际运行情况进行评价。评价指标的计算公式如下：
(1)热泵系统运行性能系数(COPsh)
热泵系统运行性能系数为时间内热泵系统的总供热量与系统耗电量(包括空气源热泵机组耗功、水泵耗功)之比。其具体的计算公式如(1)所示：
式中：T0为时间，S;Qs为T0时间内热泵系统的总供热量，kJ;Wh,r0为T0时间内热泵机组的耗功量，kJ;Ww,r0为T0时间内循环水泵的耗功量，kJ;cp为水的比热容，取为4.2;Gi系统循环水质量流量，kg/s;Wh,i为i时刻热泵机组功率，kW;Ww,i为i时刻循环水泵功率，kW;Tgi和Thi分别是i时刻系统供回水温度，℃。
(2)热泵机组运行性能系数(COPh)
热泵机组运行性能系数为T0时间内热泵机组的总制热量与空气源热泵机组耗电量之比。计算公式如公式(2)所示：
式中：Qh为空气源热泵机组在T0时间内的制热量，kJ;Gi机组进出水质量流量，kg/s;;Tgi和Thi分别是i时刻机组供回水温度，℃。
(3) 循环水泵耗电输热比(EHR)
循环水泵耗电输热比为T0时间内系统循环水泵的耗电量与系统的供热量之比。计算公式如公式(3)所示：
1.3 实测结果
1.3.1 测试工况
四个测试项目位于不同的气候区，测试工况特点不同。北京和秦皇岛位于寒冷地区，采暖季室外温度较低，其平均室外温度分别为1.04℃和-1.6℃。北京地区除部分雨雪天气室外相对湿度较大外，供暖季整体室外工况较为干燥，相对湿度平均值仅为30%，秦皇岛地区相对湿度稳定较低，维持在平均值38%左右波动。南通位于夏热冬冷地区，室外温度相对较高，平均值为7.4℃，室外相对湿度较大，测试期间 2/3天数的日平均相对湿度高于70%，相对湿度的均值为68%。具体的测试时间以及日平均室外温湿度基本信息如表3所示。
1.3.2 运行性能参数
图2给出测试项目的COPsh和COPh。由图2可得，北京某办公楼项目的COPh值最低，仅为1.25;秦皇岛1#办公楼、2#办公楼项目COPh值分别为2.18、2.23;南通某办公楼项目由于室外温度较高，COPh值最高，达到2.8。
COPsh值更是显著降低，北京某办公楼的COPsh值仅为0.8，秦皇岛1#办公楼、2#办公楼COPsh值分别为1.41、1.71，南通某办公楼由于COPh值相对较高，COPsh值达到了2.23。可见，调查的4个绿色建筑空气源热泵系统实际运行效果不佳。
1.3.3 供热负荷及耗电量
图3为各项目的实测平均供热负荷及耗电量，北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼、秦皇岛2#办公楼、南通某办公楼项目供热负荷平均值分别为4.3、11.2、31.3、5.3W/平方米，供热负荷最大日测试值分别为10.2、20.2、41.2、9.5W/平方米。
测试项目除秦皇岛2#办公楼全部投入使用，其他项目入住率较低，负荷率较小，导致供热负荷远远小于设计负荷指标。北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼、秦皇岛2#办公楼、南通某办公楼项目单位面积耗电量平均值分别为0.12、0.19、0.44、0.06 kWh/(d平方米)，最大日测试值分别为0.23、0.41、0.71、0.071kWh/(d平方米)。
1.3.4 供回水温度
图4所示为各项目供暖季系统平均供回水温度，北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼、秦皇岛2#办公楼、南通某办公楼项目的供回水温度均值分别为46.5/46.3℃、41/40.4℃、43.4/42.5℃、43.5/43℃，供回水温度差值分别为0.2℃、0.7℃、0.9℃、0.5℃，供回水温差均远远小于设计5℃温差，“大流量小温差”现象明显。在实际运行过程中，除存在秦皇岛2#办公楼项目人为调节温度设定值值外，其他项目的日平均供回水温度值固定不变，供暖系统水温设定点在实际运行时缺乏调节。
1.3.5 输配系统
图5为各项目水泵设计和实际EHR，以及水泵耗电量占比图。由图可得，北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼、2#办公楼、及南通某办公楼项目的输配系统在测试期内的耗电输热比分别为0.47、0.17、0.12、0.11，远远高于水泵设计EHR。测试期内，四个项目水泵耗电量占系统耗电量比例分别为36%、23%、19%、25%。水泵能耗占比过大，是COPsh值低下的重要原因。
1.3.6 机组启停状况
图6为各项目空气源热泵机组启停次数以及机组平均单次运行时长。北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼、2#办公楼、及南通某办公楼项目机组每日启停次数分别为28次、25次、18次、23次，机组平均单次运行时长分别为8.4min、18.5min、45.8min、42min。可见，实际运行中空气源热泵系统存在机组启停频繁问题，北京某办公楼、秦皇岛1#办公楼项目机组单次运行时长过短，严重影响机组性能和供暖效果。
2 共性问题分析
由系统整体运行性能及运行情况可看出，系统在测试期内COPsh值在0.8~2.2之间，COPh值在1.25~2.8之间，系统运行性能不佳。本文基于实测数据，针对空气源热泵系统运行性能低下的现象，详细分析影响系统运行的共性问题。
2.1 空气源热泵“误除霜”问题
各项目室外工况在结霜图谱分布如图7所示，由此可见，北京和秦皇岛地区室外工况较为干燥，超过50%室外工况位于非结霜区，位于结霜区的工况仅占43%和32%，极少有重霜区工况。南通地区室外气温相对较高，但其相对湿度较大，约30%的室外工况位于一般结霜区和重霜区。由此可见，不同气候区室外工况差异较大，机组应按照室外温湿度情况按需除霜，但是目前实际工程多采用温度-时间(TT)除霜控制方法，该除霜控制方法未考虑不同气候区的环境工况差异性，导致“误除霜”事故频发。
图8为秦皇岛1#办公楼及南通某办公楼典型日结除霜分析图，由图可得，秦皇岛1#办公楼空气源热泵机组在典型日机组发生除霜8次除霜，但其室外换热器阻力并未增加，8次除霜均为“无霜除霜”事故，典型日内误除霜概率高达100%。南通某办公楼空气源热泵就典型日发生除霜14次，其中换热器阻力增加超过40%的“有霜不除”事故7次，压缩机排气温度最高达114℃，接近120℃报警阈值，严重影响机组运行稳定性。换热器阻力增加不足15% 的“无霜除霜”3次，误除霜概率高达70%。
2.2 输配系统“大流量小温差”问题
测试项目循环水泵多为定频水泵，南通某办公楼项目循环水泵虽为变频水泵，但是实际运行中保持固定频率运行，水泵缺乏调节。在实际运行中，为了满足每台空气源热泵机组的工作流量及防冻需求，水泵需保持最大流量运行，水泵缺乏调节能力与建筑负荷波动和机组台数变化矛盾，引起了部分负荷下输配系统“大流量小温差”问题，导致水泵耗电量占比过大，输配效率较低。其中，北京某办公楼项目供回水温差仅为0.2℃，水泵耗电量占比高达36%，造成该项目COPsh值仅为0.8。
2.3 空气源热泵运行台数控制问题
监测项目均采用模块化的空气源热泵机组，在实际运行中，传统的空调机组台数控制策略难以实现机组运行台数实现精准、合理控制。
图9为典型日北京、秦皇岛1#办公楼项目空气源热泵系统压缩机运行台数变化图，北京某办公楼项目空气源热泵系统无群控策略，机组根据回水温度机组同启同停。
典型日压缩机启停27次，单次运行时长平均仅为8min，运行时间过短严重影响机组运行性能，在供暖季中COPh值仅为1.25。秦皇岛1#办公楼项目采取模糊控制启停策略，虽较同起同停控制略有优化，但也不能达到机组台数随负荷需求的合理控制，也会导致机组频繁启停、压缩机运行时间过短事故频发。
2.4 空气源热泵机组热损失问题
在系统运行过程中，由于防冻的需要，停机状态机组仍会保持工作流量通过，此时机组充当散热部件，造成空气源热泵系统热损失。本研究针对秦皇岛1#项目进行了热损失测试试验，通过监测供回水主干管水温度与流量、每台运行状态机组的进出水温度与流量，计算系统总制热量Q1=(n为运行机组数量)、系统供热量Q2，系统热损失量为两者差值，即Q=Q1-Q2。
图10为试验测试结果，由图可知，试验期间系统制热量平均值为61.2kW，供热量平均值为53.2kW，热损失量平均值为8kW，热损失量占系统总制热量的13%，最高日可达21.6%，造成了严重能量浪费。
3 结语
本文针对北京、秦皇岛、南通共4个绿色建筑项目进行了一个供暖季的测试，揭示了中大型空气源热泵在绿色建筑中的实际运行效果，并分析了存在的共性问题，可得如下结论：
(1)空气源热泵供暖系统在绿建中的实际运行性能较低，具有较大的节能优化空间。
(2)空气源热泵在绿色建筑实际运行中存在着机组“误除霜”、输配系统“大流量小温差”、机组运行台数控制不当以及机组热损失共性问题，严重影响了系统的运行性能。
(3)为发挥空气源热泵的优势，提高绿色建筑质量，需针对空气源供暖系统设计选型方法、空气源热泵群控策略、空气源热泵水系统部分负荷运行控制方案等方面进行研究。
参考文献
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