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北京地區空氣源熱泵低溫工況下運行性能的實測研究
摘要：為進一步揭示空氣源熱泵在實際工況下的運行性能，掌握其低溫運行特性，本文在2015~2016年供暖季針對北京地區某辦公樓空氣源熱泵系統進行了為期80天的現場測試，考察了系統長期運行性能，并重點分析了持續3天低溫黃色寒潮預警期內系統的實際運行性能。測試結果顯示：測試期內機組日平均制熱量為15.2kW，日平均能耗量為0.56kWh/平方米，COP為2.77;低溫工況下，環境溫度在-15.2~-5.1℃內波動，最冷工況下機組平均排氣溫度為118.5℃，最高達到124℃，且排氣溫度超過120℃的運行時間占25%;平均壓縮比為11，最高達到11.8，機組平均制熱量10.7kW，最低制熱量8.8kW，衰減幅度達55%，平均COP為1.96，最低COP僅1.49。研究結果為掌握空氣源熱泵冬季供暖期實際運行性能及低溫運行特性提供了必要的實踐數據。
關鍵詞：空氣源熱泵;北京地區;低溫工況;運行性能;現場測試
0 引言
近年來，空氣源熱泵(Air Source Heat Pump，簡稱ASHP)在我國得到廣泛應用[1]，北京市為北方地區的典型城市，其氣候分區屬于寒冷地區，在冬季制熱工況下，結霜[2,3]和低溫適應性是影響機組運行性能的兩大關鍵問題。當機組在低溫工況下運行時，壓縮比升高，容積效率降低，制冷劑質量流量減少，供熱能力下降，壓縮機排氣溫度過高，這些問題限制了其在北方地區的應用[4-7]。文獻[8，9]
將北京定為低溫熱泵用氣象條件的典型城市，為解決空氣源熱泵低溫適應性問題，國內外學者主要從以下幾個方面進行研究：提高系統工質的循環量[4,10-12];優化壓縮機工作過程，降低排氣溫度[7,13];選用適于大范圍的制冷劑代替常規制冷劑[14-16];采用多級壓縮，包括雙級壓縮[17-19]，雙級耦合熱泵系統[4,20]等。
其中，噴液冷卻法是一種可以有效降低排氣溫度，保證低溫熱泵在-20℃以上能有較高效率的技術方案，肖婧等[21]則針對帶有噴液増焓技術的空氣源熱泵進行為期三個月的測試，考察了機組在-16.5～-6℃低溫環境中的運行特性、供熱性能與末端供熱效果，為了解熱泵機組低溫運行中存在的問題提供了參考;王偉等[22]針對空氣源熱泵全工況運行所面臨的結除霜、低溫運行、臟堵等關鍵問題，結合長期現場實測，提出了高效抑霜、控霜、低溫運行及臟堵診斷技術等相應解決對策，對指導空氣源熱泵全工況節能運行具有重要意義。
以上研究均圍繞空氣源熱泵低溫適應性問題開展，但現有工作較少針對空氣源熱泵在寒冷地區長期運行性能的實測研究，更缺乏在低溫工況下的運行特性研究。為此，本文針對北京地區某小型辦公樓空氣源熱泵系統，在2015~2016年供暖季進行了為期80天的現場實測運行，分析了熱泵系統在長期制熱工況下的整體運行性能，并著重考察了機組在持續低溫黃色寒潮預警期內的運行性能，本文工作對掌握空氣源熱泵實際運行性能具有較好的參考價值。
1 現場測試
1.1 測試系統
測試工程為北京地區某小型辦公建筑，空調面積為175平方米，測試對象為1臺空氣源熱泵機組，采用定頻渦旋式壓縮機，其額定制熱量為19.6kW，制熱功率為6.88kW，制冷劑為R22。制熱的標準工況為環境溫度7℃，熱水出水溫度為45℃。測試系統原理如圖1所示。
測試系統對空氣源熱泵的空氣側、制冷劑側與制取熱水側的運行參數以及能耗情況進行實時監測。測試機組原理圖與實物圖如圖1中所示，在壓縮機吸/排氣管上分別設有溫度和壓力傳感器監測壓縮機的吸/排氣溫度和壓力，在水側利用鉑電阻PT1000測量機組的進/出水溫度，利用電磁流量計測量水流量。其中主要的測量儀器參數如表1所示。
1.2 測試工況
測試期為2015年11月15日至2016年2月2日。為詳細考察空氣源熱泵在測試期內的運行性能，尤其在低溫工況下的性能，全面測試了室外溫濕度，壓縮機吸排氣溫度和壓力、機組制熱量、能耗和COP等參數，并對相關的參數進行整理分析。
圖2為空氣源熱泵測試期內環境的溫、濕度。由圖可知，測試期內環境溫度范圍在-15.2~10.4℃之間，平均值為-1.3℃;相對濕度平均值為47.9%，最大相對濕度為92.3%。測試期內，機組運行時間共1176h，環境溫度低于0℃共有760h;-5℃以下工況共152h。
由圖可知，隨著供暖期的推進，環境溫度呈下降趨勢，在2016年1月23日達到最低溫度;相對濕度變化幅度較大，測試中后期，環境相對濕度較低，北京氣候呈現“干冷”的特點。為直觀獲得測試期內機組不同運行工況下的結霜和結露情況，根據朱佳鶴[23,24]等人提出的多區域結霜圖譜，得出如圖3所示的結霜工況分布圖。
由圖可知，運行期內，機組運行工況在結霜區、結露區和無霜區均有分布，經統計，有49.3%的“干冷”工況處于無霜區，3.2%的工況處于結露區，47.6%的工況處于結霜區，其中，輕霜區占11.7%，一般結霜區占28.4%，重霜區占7.5%。
由以上結果可知，北京地區有近50%的“干冷”工況處于無霜區內，機組極易出現“無霜除霜”的誤除霜事故，而重霜區的工況則容易出現“有霜不除”的誤除霜事故[2,3]，誤除霜事故會不同程度地影響機組正常運行，導致能源浪費。低溫工況位于圖譜無霜區的左下區域，低于-5℃的工況占所有工況的12.9%。可見，結霜和低溫是影響北京地區空氣源熱泵冬季運行的兩大問題。
2 測試結果與分析
2.1 系統整體運行性能
針對機組長期的整體運行性能，以下將從系統的整體運行情況和制熱性能兩方面進行詳細分析。其中，系統的制熱性能主要包括機組的制熱量，能耗和COP以及相應參數隨環境溫度的變化情況。
2.1.1 整體運行情況
圖4為測試期內空氣源熱泵每天的運行時間和單位面積能耗。
由圖可知，測試期內，機組每天的運行時長存在差異，日均工作時長為14.7h。系統的總能耗主要包括空氣源熱泵壓縮機、風機及水泵的能耗，由圖4可知，日平均能耗量為0.56kWh/平方米，最大值0.84kWh/平方米，最小值0.1kWh/平方米，且能耗值隨運行時間的增加而增加。各日能耗差異較為明顯，主要受環境溫、濕度，機組運行時長，誤除霜事故頻率等因素的影響，環境溫度越低，誤除霜事故次數越多，則能耗水平越高。
2.1.2 整體供熱性能
圖5為測試期內機組的日平均制熱量和日平均COP具體情況。
由圖可知，機組的日平均制熱量在10~19.7kW之間波動，平均值為15.2kW;日平均COP為一天內系統的總制熱量與總輸入功之比，測試期內，機組整體COP的平均值為2.77，日平均COP最大值為3.47，最小值為1.76。
結合圖2和圖5可知，環境溫度變化時，機組的制熱量和COP也呈現相似的變化趨勢，在2016年1月23日，平均環境溫度達到最低值-13.4℃，此時，機組日平均制熱量和COP均達到最低值，僅為10kW和1.76，相對額定工況，其衰減率達49%和37.1%，這是因為當環境溫度越低時，室外換熱器蒸發溫度越低，為保證壓縮機吸氣過熱度，熱力膨脹閥開度減小，制冷劑質量流量降低，導致機組制熱能力嚴重衰減。
圖6為不同環境溫度下機組制熱量、瞬時能耗和COP的變化情況圖。
隨環境溫度上升，制熱量、瞬時能耗和COP均呈上升趨勢;由圖中散點的分布情況可知，測試機組的工況主要集中在-5~5℃的區間內，該頻段內的工況占據總工況的84.2%，平均制熱量為15.5kW，瞬時能耗為6.1kW，平均COP為2.83。
2.2 低溫工況下機組的運行性能
在測試期內，受強寒潮影響，北京地區2016年1月22日~2016年1月24日處于持續低溫黃色寒潮預警中，三天內環境溫度在-15.2~-5.1℃范圍內波動，平均溫度為-10.5℃。為分析熱泵系統在此低溫工況下的運行性能，選取三個低溫工況，每個工況連續運行9小時，依次從低溫工況，低溫運行特性和低溫供熱性能三個方面進行描述。表2為測試參數的詳細數值表，圖7為低溫期間空氣源熱泵各個工況的運行結果。
2.2.1 低溫工況描述
結合圖7和表2可知：三個工況平均環境溫度分別為：工況1為-9.7℃，工況2為-13.9℃，工況3為-5.7℃，其中工況2的最低溫度低至-15.2℃，而低溫熱泵空氣側名義工況[8]的環境溫度為-12℃，顯然，工況2環境溫度低于低溫熱泵的名義工況。三個工況平均相對濕度均低于20%。由圖3可知，低溫工況均處于無霜區。
2.2.2 低溫運行特性
機組出、回水溫度。從圖7可知，測試期間，三個工況室外換熱器表面均無明顯霜層，但工況2機組出水溫度與回水溫度整體低于工況1和工況3，三個工況平均出水溫度分別為44.8℃，43.3℃和45.7℃，低溫期間整體的平均出水溫度為44.6℃。對照環境溫、濕度變化圖可知，機組出/回水溫度隨環境溫度的降低而整體降低。壓縮機吸、排氣溫度。
從圖7與表2可知，壓縮機吸氣溫度隨環境溫度的降低而整體降低，排氣溫度則隨環境溫度的降低而升高：工況1排氣溫度均值為114.8℃，工況3為111.1℃;而工況2的排氣溫度平均值高于其余兩個工況，達到118.5℃，最高排氣溫度達到124℃，且機組有25%的時間其排氣溫度超過120℃，由圖7可知，工況2中壓縮機的部分排氣溫度高于120℃。
一般認為壓縮機排氣溫度低于120℃時，壓縮機處于正常狀態，超過120℃，機組處于過熱狀態。壓縮機長時間在過高的排氣溫度下工作，會降低電機絕緣性能和可靠性，縮短電機壽命，而且還會降低潤滑油的潤滑能力，甚至引起潤滑油碳化和酸解。可見，低溫致使壓縮機排氣溫度升高，且已影響到壓縮機的正常運行。
壓縮機吸、排氣壓力及壓縮比。從表2可知，工況1排氣壓力均值為17.6Bar，工況2為16.8Bar，工況3為18.7Bar，整體平均值為17.7Bar;而工況1的平均壓縮比為9.4，工況2為11，工況3為8.12，整體均值達到9.5。可見，最冷工況下的壓縮比高于其余兩個工況，且最高壓縮比達到11.8。結合圖7可知，壓縮機吸、排氣壓力隨氣溫的降低而整體下降，但是壓縮比增大，且隨環境溫度的上升而下降。此外，針對單級壓縮機而言，正常情況下壓縮比為2~8[25]。
由此可見，低溫導致壓縮比超過正常范圍，對壓縮機的正常運行產生了顯著的影響。機組除霜頻次及停機故障。機組除霜時長、次數及停機故障次數如表3所示。
由表可知，機組制熱期間，工況1、工況2與工況3分別除霜4次、6次和10次，平均除霜時長均僅為2mins，除霜能耗分別為2.6kWh、3.9kWh和6.5kWh。結合圖3以及圖7中實測觀察圖片可知，機組運行期間室外換熱器表面幾無明顯霜層，故除霜時間較短，屬于典型的“無霜除霜”的誤除霜事故，該事故頻繁發生，造成能源浪費，機組能效降低。
此外，工況1、工況2和工況3多次發生低溫報警停機事故，運行期間分別停機11次、14次和6次，故障恢復平均時間為5mins。低溫是導致機組頻繁停機的主要原因，嚴重降低了機組運行效率和用戶的熱舒適性。
2.2.3 低溫供熱性能
由表2可知，三個工況平均制熱量分別為：工況1為10.1kW，工況2為9.9kW，工況3為12.5kW，相對于額定制熱量19.6kW，機組制熱量的衰減幅度分別為48.5%、49.5%和36.2%，三個工況整體的平均制熱量10.7kW;經統計，三個工況總能耗量為167.4kWh;三個工況平均COP分別為：工況1為1.91，工況2為1.71，工況3為2.25，整體COP均值為1.96。其中，最冷工況下，當溫度低至-15.2℃時，制熱量僅為8.8kW，衰減幅度高達到55%，COP僅為1.49。因此，低溫導致了機組的制熱量和COP嚴重衰減。
3 結論
本文針對北京市某小型辦公樓進行連續80天的現場運行實測，揭示了空氣源熱泵在實際工況下的運行性能，并著重分析了機組在北京持續低溫黃色寒潮預警期內的性能表現，綜上可得如下結論：
(1)測試期內，機組日平均制熱量為15.2kW，日平均能耗量達到0.56kWh/平方米，平均COP為2.77;同時，機組有49.3%的“干冷”工況處于無霜區，47.6%的工況處于結霜區，極易發生“無霜除霜”和“有霜不除”的誤除霜事故;
(2)低溫黃色寒潮預警期內，環境溫度在-15.2~-5.1℃內波動，平均環境溫度-10.5℃，平均相對濕度低于20%;機組的供/回水溫度、吸排氣壓力以及制熱量和COP均隨環境溫度的降低而整體降低，但是排氣溫度升高，壓縮比增大;
(3)最冷工況下，環境溫度均值-13.9℃，壓縮機平均排氣溫度為118.5℃，最高達到124℃，且機組有25%的時間其排氣溫度超過120℃，最高壓縮比達到11.7;運行期間機組頻繁發生“無霜除霜”的誤除霜事故以及頻繁停機的運行故障，機組的平均制熱量僅為9.9kW，COP為1.71，當溫度低至-15.2℃時，制熱量衰減幅度高達55%，COP僅為1.49。可見，低溫嚴重影響熱泵的正常運行。
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