曾   昱1     劉   猛1      趙密升2       李建國2       陳微微2       張泳洋2

  (1．重慶大學(xué)，重慶；2．廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司，廣州)

摘要：在空氣源熱泵機組性能檢測實(shí)驗室，對 2 205 、3 675 kW空氣源熱泵分別采用直供形 式、增設 100 L緩沖水箱、增設 150 L緩沖水箱的性能進(jìn)行了實(shí)驗，探究了增設不同容量緩沖水 箱及不同運行模式對熱水型空氣源熱泵運行性能的影響 。結果表明：在－6 ℃環(huán)境溫度工況下， 3 675 kW機組增設 100 、150 L緩沖水箱較直供形式，制熱量分別下降 9．6％ 、10．2％ ，COP分別 下降 9．5％ 、9．9％ ；2 205 kW機組增設 100 L緩沖水箱后制熱量下降 6．3％ ，COP下降 7．0％ 。 較連續運行模式，間歇運行模式 2在直供、增設 100 L水箱、增設 150 L水箱 3種情況下，機組制 熱量分別提升 2．5％ 、4．5％ 、5．0％ ，COP分別提升 1．8％ 、3．7％ 、4．5％ 。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；緩沖水箱；容量；低環(huán)境溫度；間歇運行；制熱量；性能系數(COP)

Abstract: In the performance testing laboratory of air source heat pump units, the experiments are carried out on the performance of 2 205 kW and 3 675 kW air-source heat pumps with direct supply and 100 land 150 L buffer tanks respectively to explore the effects of adding different capacity buffer tanks and different operation modes on the operation performance of hot water air-source heat pumps. The results show that when the ambient temperature is 6 C , the heating capacity of the 3 675 kW unit adding 100 L and 150L buffer tank decreases by 9.6% and 10.2% than that of the direct supply , respectively, and the COP decreases by 9.5% and 9. 9%, respectively, After the addition of a 100 L buffer tank, the heating capacity of the 2 205 kW unit decreases by 6.3% and COP decreases by 7.0% compared with the direct supply, Compared with the continuous operation mode, the heating capacity of the intermittent operation mode 2 in direct supply, adding 100 L and 150 L buffer tank increases by 2.5%, 4.5% and 5.0%,respectively, and the COP increases by 1.8%,3.7% and 4.5%, respectively.

Keywords: air-source heat pump;buffer tank; capacity;low ambient temperature; intermittent operation: heating capacity: COP

 

引言

國家為推動(dòng)全面清潔供暖，以改善區域環(huán)境空 氣質(zhì)量為核心，以減少重污染天氣為重點(diǎn)，多措并 舉強化冬季大氣污染防治，全面降低區域污染排放 負荷。

空氣源熱泵是清潔供暖的重要設備，空氣源熱 泵具有節能環(huán)保的特點(diǎn)，但在我國北方的低溫寒冷地區使用仍然存在適用性的限制 。  由于北方農村 地區圍護結構保溫性能相對較差，導致部分用戶(hù)反 映供暖效果欠佳；運行過(guò)程中缺乏合理的運行調節 策略，導致運行能耗及運行費用較高 。   目前北方農 村地區安裝熱水型空氣源熱泵大多配置緩沖水箱， 緩沖水箱具有減少機組啟停、穩定系統的作用 。但緩沖水箱的增設及水箱容量的大小，將會(huì )對熱泵供 暖系統運行性能產(chǎn)生影響，此外不同的運行模式同 樣會(huì )對熱泵系統實(shí)際運行產(chǎn)生影響。

 曾昱，男，1995 年生，在讀碩士研究生

劉猛(通信作者)

400045   重慶市沙坪壩區沙北街 83 號重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 E-mail：liumeng2033＠126．com

馬曉雪對緩沖水箱的容積進(jìn)行了優(yōu)化設計，研 究了水箱容積變化對水溫及系統性能的影響[1]。 劉冉冉針對冬季工況一天中水箱溫度變化及水箱容積變化情況下，耗電量、COP、進(jìn)出口溫度等參 數的變化進(jìn)行了分析研究[2]。李雄志等人選取長(cháng)沙一棟辦公建筑，對空氣源熱泵供暖系統在連續運行和間歇運行下的室內溫度、圍護結構表面溫度、機組供回水溫度進(jìn)行了測量，分析了實(shí)測能耗及運行費用，以 長(cháng) 沙 地 區 為 例，間 歇 運 行可 節 能 63．8％[3]  。Chun等人利用模擬能耗軟件對空氣源 熱泵供暖進(jìn)行了研究，對比分析了間歇供暖與連續 供暖的能耗[4] 。Qi等人提出了一種降低運行成本 的優(yōu)化運行模式的調度方法，并依據調度方法建立了數學(xué)模型，對該數學(xué)模型進(jìn)行了案例分析，結果 表明優(yōu)化調度方法可以極大地降低運行費用[5]。黃亞波等人對安徽地區空氣源熱泵熱水系統進(jìn)行了研究，通過(guò)研究 2 個(gè)冬季的運行效果，分析了熱水型空氣源熱泵和緩沖水箱選型的合理性[6]  。何林等人研究發(fā)現，影響熱泵系統性能變化的主要因素為室外溫濕度、供回水溫度、房間圍護結構等，其中前兩者是主要因素，室外溫度主要影響蒸發(fā)溫度，水溫主要影響冷凝溫度[7]  。南倩研究比較了全 天運行、白天運行和夜間運行模式下空氣源熱泵的 性能[8]。李象龍研究提出間歇運行有非常好的運 行效果，并且有良好的節能效益[9]  。

目前低環(huán)境溫度空氣源熱泵正在國家政策的推動(dòng)下大力推廣，而緩沖水箱對熱泵運行性能有較 大影響，因此有必要針對配置不同容量緩沖水箱的熱泵系統的實(shí)際性能進(jìn)行研究 。本文將針對北方 典型地區農村住宅所使用的的空氣源熱泵在性能檢測實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)測研究，從而了解增設不同容 量的緩沖水箱及不同運行模式對熱水型空氣源熱泵運行性能的影響。

1實(shí)驗系統

在廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司8820kW低溫空氣源熱泵(冷水) 機組性能檢測實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)驗 。通過(guò)對我國北方農村地區空氣源熱 泵使用情況的調研及目前設備市場(chǎng)份額的調查可知，目前使用最多的機型為 3 675 kW 機組，2 205kW次之；緩沖水箱容量最大的為 100 L，占比達到 40％；農宅 2／3用戶(hù)使用的是連續運行模式，約1／3 用戶(hù)采用間歇運行模式，為滿(mǎn)足不同使用需求,間歇運行多分為僅夜間運行和僅白天運行 2 種。

本實(shí)驗所測試機組型號為 NE-C3BZ-B2／C 和 NE-C5BZ-B2／C，額 定 制 熱 量 分 別 為 5．45 、9．30 kW，額定供暖COP分別為 2．33 、2．25，額定水流 量分別為 1．29 、2．15 m3／h；實(shí)驗所選用水箱為家 用分體式水箱圓桶系列，水箱容量分別為 100 、150 L。

2測試方法

本次實(shí)測總計進(jìn)行 25 個(gè)工況測試(見(jiàn)表 2，均 為穩定環(huán)境溫度工況) 。根據 GB／T 25127．2 — 2010 《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組   第 2部分：戶(hù) 用及類(lèi)似用途的熱泵(冷水)機組》[10] 名義工況的要 求，供暖工況環(huán)境溫度要求為－12 ℃，由此設置該 工況 。所有實(shí)驗工況均控制出水溫度為 41 ℃；工況 穩定的標準參照 GB／T 25127．2 — 2010 中要求的室 外側干濕球溫度控制在 ±1 ℃內，出水溫度控制在 ±0．3 ℃內 。為了更好地了解熱水型空氣源熱泵在 我國北方低環(huán)境溫度農村地區的運行性能，結合歷 年氣象數據，選擇了 5個(gè)北方地區典型室外溫度，分 別為 4、0、－2、－6 、－12 ℃，后述 A類(lèi)地區室外溫度 為－12、－6 、－2 ℃，B類(lèi)地區室外溫度為－12、0、4 ℃ 。運行模式方面，本實(shí)驗根據前述調研結果設置 了 3種運行模式，分別為連續運行模式(運行時(shí)長(cháng)24 h) 、夜間運行 8 h(22：00— 06：00)的間歇運行模式 1、 白天運行 16 h(06：00— 22：00)的間歇運行模式 2 。3結果與分析

在冬季供熱情況下，增設緩沖水箱及水箱容量 不同均會(huì )導致系統水容量的改變，從而影響機組進(jìn)水溫度，因此機組的制熱量、COP等運行性能參數都將受到影響 。熱水型空氣源熱泵運行性能除受到緩沖水箱容量的影響外，還受到室外側環(huán)境溫度 和機組運行模式的影響。

3.1 緩沖水箱容量對機組運行性能的影響

本節重點(diǎn)分析低環(huán)境溫度工況下緩沖水箱容 量對連續運行模式下機組運行性能的影響，環(huán)境溫 度選取北方地區典型環(huán)境溫度－6 ℃，室外相對濕 度為 60％ 。

3.1 .1  制熱量

機組制熱量為

Q＝cρ犞(tg－th )                    (1)

式中   Q為熱泵機組制熱量，kW；c為循環(huán)水的比 熱容，kJ／(kg · ℃)；ρ為循環(huán)水的密度，kg／m3  ；犞 為循環(huán)水的流量，m3／s；tg  為制熱側出水溫度，℃； th  為制熱側進(jìn)水溫度，℃。

圖1顯示了－6℃環(huán)境溫度下不同水箱配比 機組制熱量 ?？梢钥闯觯合嗤h(huán)境溫度工況下， 2 205 、3 675 kW 機組都呈現了相同的規律，增設 緩沖水箱、水箱容量增大，機組進(jìn)水溫度提高，制熱 量減小，這與理論相符；對于 3 675 kW機組而言，在－6 ℃環(huán)境溫度工況下，增設 100 L、150 L緩沖 水箱，制熱量分別減小 1．11 、1．18 kW，較直供形式 分別減小 9．6％ 、10．2％；對于 2 205 kW 機組而 言，增設 100 L緩沖水箱，制熱量減小 0．45 kW，較 直供形式減小 6．3％ 。

可見(jiàn)，增設水箱對機組制熱量會(huì )有較大影響， 增設 2種容量的水箱，制熱量均會(huì )減小，并且 150 L較 100 L，制熱量減小的幅度更大 。因此對于熱需求較大的地區，需要對增設水箱后的制熱量重新 進(jìn)行核算，以滿(mǎn)足供暖需求。

圖 2 顯示了－6 ℃環(huán)境溫度下不同水箱配比機組COP?？梢钥闯觯合嗤h(huán)境溫 度工況下， 2205 、3675kW機組都呈現了相同的規律，增設 緩沖水箱，COP減小，這是由于系統水容量增大， 機組進(jìn)水溫度提高，機組制熱量減小，消耗功率基 本不變，這與理論相符；對于 3 675 kW機組而言， 在－6 ℃環(huán)境溫度工況下，增設 100 、150 L緩沖水 箱，COP分別下降 0.26 、0.27，較直供形式分別下 降 9.5％ 、9.9％；對于 2 205 kW機組而言，增設 100 L緩沖水箱，COP下降 0.18，較直供形式下降 7.0％ 。

可見(jiàn)，增設水箱對機組COP會(huì )有較大影響，增設 2 種容量的水箱，COP均會(huì )下降，并且150L較100L COP下降的幅度更大。

綜上可見(jiàn)，增設水箱較直供形式而言，熱泵機組制熱量、COP均會(huì )產(chǎn)生衰減；并且150L較100L衰減情況更嚴重，水箱容量越大，衰減越明顯。 因此，對于衰減較大的使用工況可以考慮采用直供 形式以提高經(jīng)濟性及供暖舒適性，制熱量和COP較優(yōu)。

3．2  環(huán)境溫度對運行性能的影響

本節重點(diǎn)分析機組采用直供形式、連續運行模式下，環(huán)境溫度對運行性能的影響，環(huán)境溫度為 4 、

0 、－2 、－6 、－12 ℃。

3.2.1   制熱量

室外側環(huán)境溫度變化會(huì )影響機組的制熱量，這 是由于室外側環(huán)境溫度變化，機組蒸發(fā)溫度將發(fā)生 變化，最終影響機組制熱量 。  圖3顯示了直供形式 下不同環(huán)境溫度工況機組制熱量 ?？梢钥闯觯翰煌h(huán)境溫度工況下，2 205 、3675 kW 機組都呈現了相同的規律，環(huán)境溫度上升，蒸發(fā)溫度上升，機組制熱量增大，這與理論相符；對于 3 675 kW 機組而 言，在環(huán)境溫度從－12 ℃升至 4 ℃工況下，機組制 熱量增大4.16 kW，對于2205 kW機組而言，機組 制熱量增大 1．67 kW。

因此，無(wú)論2205 kW還是 3 675 kW機組，隨著(zhù)環(huán)境溫度上升，機組制熱量都會(huì )逐步增大，所測試的溫度區間內3675kW 機組制熱量增大較為明顯。

3．2．2   COP

室外側環(huán)境溫度變化會(huì )影響機組的COP，這是由于室外側環(huán)境溫度變化，機組蒸發(fā)溫度將發(fā)生變 化，最終影響機組 COP。圖 4顯示了直供形式下不 同環(huán)境溫度工況機組COP?？梢钥闯觯翰煌h(huán)境溫 度工況下，2 205 、3 675 kW機組都呈現了相同的規 律，環(huán)境溫度上升，蒸發(fā)溫度上升，機組 COP提高， 這與理論相符；對于 3 675 kW機組而言，在環(huán)境溫 度從－12 ℃升至 4 ℃工況下，COP提高 0．79，對于 2 205 kW機組而言，COP提高0.93 。

根據GB/T25127.2 — 2010的性能參數表中規定的名義工況制熱 COP不應低于2.1 ，2205kW及3675kW機組名義工況－12  ℃下均滿(mǎn)足國標的要求 。通過(guò)分析COP與環(huán)境溫度的關(guān)系， 隨著(zhù)環(huán)境溫度上升，機組 COP都會(huì )逐步提高，所測 試的溫度區間內 2 205 kW 機組COP提高較為明顯；隨著(zhù)環(huán)境溫度上升，2205 、3675kW機組COP差距逐漸減小，環(huán)境溫度較低時(shí)的COP差距較大，高于0 ℃后的溫度區間內，COP逐漸趨近。

3．3不同水箱容量配比下運行模式對機組運行性能的影響

3．3．1 制熱量

不同使用需求的用戶(hù)采用不同的運行模式，由于全天運行時(shí)間段及運行時(shí)間長(cháng)短不一致，機組的 性能會(huì )有較大差別 。對于間歇運行的用戶(hù)而言，選擇白天開(kāi)啟和夜間開(kāi)啟，機組的性能會(huì )受到環(huán)境溫度的影響，白天的環(huán)境溫度高于夜間，機組蒸發(fā)溫度較高，不同地區的室外環(huán)境溫度工況會(huì )影響機組的蒸發(fā)溫度，而制熱側進(jìn)水溫度則會(huì )受到供暖系統是否增設緩沖水箱及水箱容量的影響，這是由于系統水容量的改變會(huì )影響循環(huán)管路的水溫，繼而影響機組的進(jìn)水溫度，最后這二者會(huì )通過(guò)影響機組的制熱量及COP，影響到住戶(hù)的整體使用效果和機組運行性能及經(jīng)濟性。因此，本節針對占比較大的3675 kW熱水型空氣源熱泵機組，在增設水箱的情況下，對其不同運行模式的相關(guān)影響進(jìn)行分析。

圖 5顯示了不同運行模式下的制熱量 ?？梢钥闯?，間歇運行模式2下制熱量均最大，連續運行模式次之，間歇運行模式1制熱量最小 ?？梢?jiàn)間歇運行模式2是室內舒適效果較優(yōu)的運行模式。

此外，對于這兩類(lèi)地區而言，采用直供形式的制熱量均最大，增設水箱后都會(huì )產(chǎn)生驟降，而對于增設 100 L或 150 L緩沖水箱，制熱量的差別則是 相對較小的，增設緩沖水箱對 A類(lèi)地區間歇運行模式1的影響最大，制熱量分別下降9．6％ 、 10．2％ 。A類(lèi)地區較 B類(lèi)地區而言，3 種運行模式的制熱量差距相對較大。

3．3．2  COP

圖6顯示了不同運行模式下的COP?？梢钥闯?，對于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)地區，間歇運行模式 2 下COP均最高，連續運行模式次之，間歇運行模式1下COP最低 ?？梢?jiàn)間歇運行模式 是經(jīng)濟性較優(yōu)的運行模式。

增設緩沖水箱對A類(lèi)地區間歇運行模式1的影響最大，COP分別下降 9．5％ 、9．9％ 。A 類(lèi)地區相較B類(lèi)地區而言，增設緩沖水箱后，3種運行模式下COP的差別相對較大；B類(lèi)地區采3675kW配150L緩沖水箱形式，3種運行模式下COP基本一致。

4 結論與展望

1) 在－6 ℃環(huán)境溫度工況下，3675 kW 機組 增設 100 、150L緩沖水箱較直供形式，制熱量分別下降9．6％ 、10。2％ ，COP分別下降9．5％ 、9．9％ ；2 205 kW機組增設100L緩沖水箱后制熱量下降 6．3％ ，COP下降 7．0％ 。

2)  間歇運行模式2是熱泵系統運行性能較優(yōu)的運行模式，對于環(huán)境溫度在－12 、－6 、－2  ℃區 段性能提升較為明顯，直供、增設100L水箱、增設150L水箱3種形式較連續運行的模式，機組制熱量分別增大

 2．5％ 、4．5％ 、5．0％ ，COP分別提高 1．8％ 、3．7％ 、4．5％ 。

3)  環(huán)境溫度提高，熱水型空氣源熱泵制熱量和COP均提高；增設水箱會(huì )對熱泵運行性能產(chǎn)生負面的影響，并且水箱容量越大，運行性能衰減越明顯；間歇運行模式2是熱泵系統運行性能最優(yōu)的運行模式，該運行模式下，不增設緩沖水箱的直供形式運行性能最佳。

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