梁士民：超低温空气源热泵在京津冀地区的应用问题及对策

  内容提要

  北京工业大学建筑环境与能源应用工程系博士梁士民出席“热立方杯”第六届中国空气源热泵供暖高峰论坛，发表题为《空气源热泵在京津冀地区应用问题及对策》的演讲，他介绍到，空气源热泵已成为我国京津冀“煤改电”利用、长江流域解决供暖问题的重要节能技术。然而，空气源热泵实际运行工况偏离名义工况，在实际应用过程中存在结除霜、脏堵等运行问题和机组选型不当、控制策略不佳等设计问题，他针对典型问题进行分析并提出应对策略。以下为演讲实录。

  我所在课题组以HVAC系统高效运行与优化控制、绿色建筑可再生能源利用关键技术与能效评价为主要研究方向，以空气源热泵高效利用和良性发展为目标，致力于解决结除霜、脏堵等关键问题。我们课题组曾负责北京地区首批“煤改电”空气源热泵工程的测评工作，主编国内首部空气源热泵专著《空气源热泵技术与应用》，还编制了行业标准《空气源热泵供暖工程技术规程》和一些地方标准。我们团队主要有两个研究方式，即现场工程实测和模拟，进行现场实测的工程中，最长的工程已经检测了八个供暖季，这一块的数据是相当丰富的。

  空气源热泵应用及典型问题

  我国住建部于2015年将空气源热泵列入到可再生能源技术中，目前，超低温空气源热泵已成为我国京津冀“煤改电”利用、长江流域和川西藏区解决供暖问题的重要节能技术。本来我国的空气源热泵需求量就比较高，在政府“煤改电”政策的扶持下，空气源热泵出现了井喷式的增长。

  空气源热泵作为一个高效节能的技术，在名义工况下非常高效，并且相关的规范、标准要求也相当明确。但看上面两张图，这个图是北京和石家庄的图片，可以看到空气源热泵在运行过程中的实际工况严重偏离了名义工况，这个也会造成机组在设计和运行中出现一定的问题。

  针对这个问题，我们做了以下总结：空气源热泵在设计工况(名义工况)下是高效的，但实际运行中存在一些问题，主要有结霜导致COP衰减，下降35%～55%;除霜也会引起室内环境温度的波动，当然如果除霜逻辑不准确，还会造成误除霜，COP出现18%～28%的衰减。

  设计问题包括设计工况偏离实际运行工况，造成机组选型不合理;控制策略不佳，系统与用户的供需不同步;热损控制不当，水箱、输配管道热损过大等。

  空气源热泵的典型问题分析

  这几张图片是针对北京、石家庄、天津以及张北地区的实际运行工况做了一个分析，蓝色点是典型年的实际运行工况，白色的区域是结霜区，下面代表非结霜区。可以看到这四个地方的结霜区占比都在40%以上，也就是它的结霜工况是非常多的。如果机组在运行过程中除霜策略控制不准确，就会带来一系列的问题。

  目前理想的除霜控制策略应该是遵循这样的工作流程：感知霜层存在→监测霜层增长→判定最佳除霜控制点→除霜。目前第一阶段感知霜层存在做得非常好，第二阶段监测霜层生长这一块可能不是非常准确，对于最佳除霜控制点目前也基本是靠经验判断，缺少理论研究，我们针对这一块也开展了相应的研究。

  我们针对常规的除霜策略、温度—时间除霜控制方法也做了一个分析，针对不同的工况，也针对不同地区的误除霜做了一个统计。通过对寒冷地区一些典型的代表性城市所做的统计发现，在寒冷地区主要是以无霜除霜为主;而对于夏热冬暖地区，主要是有霜不除，因为湿度比较大。

  另一个运行问题是脏堵问题，这个问题非常常见，但特别容易被忽略。我们在实际工程中发现脏堵情况还是挺严重的，脏堵形成过程复杂，脏堵劣化影响被忽视，多数机组没有脏堵故障诊断功能，仅提示“定期清洁和维护”。

  我们针在供冷季针对机组的脏堵问题进行了测试，发现机组在脏堵状态下引发机组软故障和硬故障。另外，相比于没有脏堵情况的机组，有脏堵带来的制热量损失大概是5%～18%，供冷季脏堵故障未及时清除，机组日平均COP逐渐下降，最低仅1.92。

  在供暖季脏堵还会带来另一个影响，就是促进结霜。机组在供暖季没有清垢，发现本来不结霜的工况下换热器的表面出现了结霜现象，说明脏垢会促进结霜。测试发现，在脏堵状态下机组频繁出现脏霜共存现象，运行性能劣化严重，平均COP仅2.08。

  另外是设计问题，第一个问题是机组选型问题。常用方法一是根据干球温度、融霜、相对湿度，但这个方法还是存在一定缺陷的，融霜系数并不是根据实际的除霜情况选取，这样必然造成修正不准确，最终造成选型的问题。常用方法二是根据干球温度和化霜的修正系数，问题是没考虑机组结霜损失，导致选型超配。

  设计问题中的第二个问题是控制策略设计不当，热水机组简单改型，冷凝器位于水箱内，机组启停根据水箱温度控制，水泵启停根据回水温度控制，存在水泵频繁启停问题。测试期内水泵日平均启停65次，最高可达184次。典型日的6个小时内机组启停47次，水温波动明显。

  设计问题之三是系统漏热比较明显，水箱保温性差、管路未保温导致系统漏热严重。

  空气源热泵问题的应对策略

  针对上述问题，我们已经开发了相关的应对策略，针对机组开发，应当从改善换热条件、改进压缩机技术、抑制机组结霜、提升低温性能等方面入手。

  然后是开发一些高效的控霜策略，受环境温度、湿度、风速、空气清洁度等多种因素的影响。我们开发了三种除霜策略，第一种是“光-电转换”测霜技术，第二种是THT控霜技术，第三种是TTT控霜技术。

  首先是“光-电转换”测霜技术，光电控制器装在分叶管上，没有霜的情况下电压信号是无遮挡的，随着霜高的不断增加，电源情况是逐渐增加的，达到一定程度后进行除霜，除霜是依据霜的实际生长高度进行的，所以这个技术可以实时检测霜的生长。再就是THT控霜技术，依据环境温度、湿度、时间这三个参数进行开发的。还开发了TTT控霜技术，根据盘管温度、进风温度、出风温度反映换热器的效率，运行效果也非常好。

  针对脏堵问题我们开发了相关脏堵的诊断方法。空气源热泵性能劣化受脏堵程度和环境温度共同影响，脏堵程度增加使运行参数发生1%～121%不同程度劣化，除垢点为脏堵程度超过40%。我们要开发这个策略就是把空气、环境温度的影响屏蔽掉，就开发了TTT脏堵故障诊断法。利用TTT方法可合理指导脏堵故障清除，使COP提升了10%;相比于未使用诊断方法，使机组供冷季的平均COP提升了11%。

  对于系统优化我们也提倡系统合理配置、末端合理设计、能源合理利用。总之，空气源热泵是高效的可再生能源利用技术，具有广阔的应用空间和价值，其设计问题(机组选型、控制设计、系统漏热等)不可忽视，典型应用问题(机组结霜、误除霜、脏堵等)不可避免，要从机组开发、设计优化、技术应用等层面入手，发挥其巨大的节能潜力。

  未来，需要开发、设计、运行多方面的协同合作以及政府、企业、高校、科研院所、协会多层面的协同合作，共同推动超低温空气源热泵技术在京津冀地区的高效应用和良性发展。