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梁士民：超低溫空氣源熱泵在京津冀地區(qū)的應(yīng)用問(wèn)題及對(duì)策
內(nèi)容提要
北京工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系博士梁士民出席“熱立方杯”第六屆中國(guó)空氣源熱泵供暖高峰論壇，發(fā)表題為《空氣源熱泵在京津冀地區(qū)應(yīng)用問(wèn)題及對(duì)策》的演講，他介紹到，空氣源熱泵已成為我國(guó)京津冀“煤改電”利用、長(zhǎng)江流域解決供暖問(wèn)題的重要節(jié)能技術(shù)。然而，空氣源熱泵實(shí)際運(yùn)行工況偏離名義工況，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在結(jié)除霜、臟堵等運(yùn)行問(wèn)題和機(jī)組選型不當(dāng)、控制策略不佳等設(shè)計(jì)問(wèn)題，他針對(duì)典型問(wèn)題進(jìn)行分析并提出應(yīng)對(duì)策略。以下為演講實(shí)錄。
我所在課題組以HVAC系統(tǒng)高效運(yùn)行與優(yōu)化控制、綠色建筑可再生能源利用關(guān)鍵技術(shù)與能效評(píng)價(jià)為主要研究方向，以空氣源熱泵高效利用和良性發(fā)展為目標(biāo)，致力于解決結(jié)除霜、臟堵等關(guān)鍵問(wèn)題。我們課題組曾負(fù)責(zé)北京地區(qū)首批“煤改電”空氣源熱泵工程的測(cè)評(píng)工作，主編國(guó)內(nèi)首部空氣源熱泵專著《空氣源熱泵技術(shù)與應(yīng)用》，還編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《空氣源熱泵供暖工程技術(shù)規(guī)程》和一些地方標(biāo)準(zhǔn)。我們團(tuán)隊(duì)主要有兩個(gè)研究方式，即現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)和模擬，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的工程中，最長(zhǎng)的工程已經(jīng)檢測(cè)了八個(gè)供暖季，這一塊的數(shù)據(jù)是相當(dāng)豐富的。
空氣源熱泵應(yīng)用及典型問(wèn)題
我國(guó)住建部于2015年將空氣源熱泵列入到可再生能源技術(shù)中，目前，超低溫空氣源熱泵已成為我國(guó)京津冀“煤改電”利用、長(zhǎng)江流域和川西藏區(qū)解決供暖問(wèn)題的重要節(jié)能技術(shù)。本來(lái)我國(guó)的空氣源熱泵需求量就比較高，在政府“煤改電”政策的扶持下，空氣源熱泵出現(xiàn)了井噴式的增長(zhǎng)。
空氣源熱泵作為一個(gè)高效節(jié)能的技術(shù)，在名義工況下非常高效，并且相關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求也相當(dāng)明確。但看上面兩張圖，這個(gè)圖是北京和石家莊的圖片，可以看到空氣源熱泵在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際工況嚴(yán)重偏離了名義工況，這個(gè)也會(huì)造成機(jī)組在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中出現(xiàn)一定的問(wèn)題。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們做了以下總結(jié)：空氣源熱泵在設(shè)計(jì)工況(名義工況)下是高效的，但實(shí)際運(yùn)行中存在一些問(wèn)題，主要有結(jié)霜導(dǎo)致COP衰減，下降35%～55%;除霜也會(huì)引起室內(nèi)環(huán)境溫度的波動(dòng)，當(dāng)然如果除霜邏輯不準(zhǔn)確，還會(huì)造成誤除霜，COP出現(xiàn)18%～28%的衰減。
設(shè)計(jì)問(wèn)題包括設(shè)計(jì)工況偏離實(shí)際運(yùn)行工況，造成機(jī)組選型不合理;控制策略不佳，系統(tǒng)與用戶的供需不同步;熱損控制不當(dāng)，水箱、輸配管道熱損過(guò)大等。
空氣源熱泵的典型問(wèn)題分析
這幾張圖片是針對(duì)北京、石家莊、天津以及張北地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行工況做了一個(gè)分析，藍(lán)色點(diǎn)是典型年的實(shí)際運(yùn)行工況，白色的區(qū)域是結(jié)霜區(qū)，下面代表非結(jié)霜區(qū)。可以看到這四個(gè)地方的結(jié)霜區(qū)占比都在40%以上，也就是它的結(jié)霜工況是非常多的。如果機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中除霜策略控制不準(zhǔn)確，就會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題。
目前理想的除霜控制策略應(yīng)該是遵循這樣的工作流程：感知霜層存在→監(jiān)測(cè)霜層增長(zhǎng)→判定最佳除霜控制點(diǎn)→除霜。目前第一階段感知霜層存在做得非常好，第二階段監(jiān)測(cè)霜層生長(zhǎng)這一塊可能不是非常準(zhǔn)確，對(duì)于最佳除霜控制點(diǎn)目前也基本是靠經(jīng)驗(yàn)判斷，缺少理論研究，我們針對(duì)這一塊也開展了相應(yīng)的研究。
我們針對(duì)常規(guī)的除霜策略、溫度—時(shí)間除霜控制方法也做了一個(gè)分析，針對(duì)不同的工況，也針對(duì)不同地區(qū)的誤除霜做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)一些典型的代表性城市所做的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在寒冷地區(qū)主要是以無(wú)霜除霜為主;而對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)，主要是有霜不除，因?yàn)闈穸缺容^大。
另一個(gè)運(yùn)行問(wèn)題是臟堵問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題非常常見，但特別容易被忽略。我們?cè)趯?shí)際工程中發(fā)現(xiàn)臟堵情況還是挺嚴(yán)重的，臟堵形成過(guò)程復(fù)雜，臟堵劣化影響被忽視，多數(shù)機(jī)組沒有臟堵故障診斷功能，僅提示“定期清潔和維護(hù)”。
我們針在供冷季針對(duì)機(jī)組的臟堵問(wèn)題進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在臟堵狀態(tài)下引發(fā)機(jī)組軟故障和硬故障。另外，相比于沒有臟堵情況的機(jī)組，有臟堵帶來(lái)的制熱量損失大概是5%～18%，供冷季臟堵故障未及時(shí)清除，機(jī)組日平均COP逐漸下降，最低僅1.92。
在供暖季臟堵還會(huì)帶來(lái)另一個(gè)影響，就是促進(jìn)結(jié)霜。機(jī)組在供暖季沒有清垢，發(fā)現(xiàn)本來(lái)不結(jié)霜的工況下?lián)Q熱器的表面出現(xiàn)了結(jié)霜現(xiàn)象，說(shuō)明臟垢會(huì)促進(jìn)結(jié)霜。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在臟堵狀態(tài)下機(jī)組頻繁出現(xiàn)臟霜共存現(xiàn)象，運(yùn)行性能劣化嚴(yán)重，平均COP僅2.08。
另外是設(shè)計(jì)問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是機(jī)組選型問(wèn)題。常用方法一是根據(jù)干球溫度、融霜、相對(duì)濕度，但這個(gè)方法還是存在一定缺陷的，融霜系數(shù)并不是根據(jù)實(shí)際的除霜情況選取，這樣必然造成修正不準(zhǔn)確，最終造成選型的問(wèn)題。常用方法二是根據(jù)干球溫度和化霜的修正系數(shù)，問(wèn)題是沒考慮機(jī)組結(jié)霜損失，導(dǎo)致選型超配。
設(shè)計(jì)問(wèn)題中的第二個(gè)問(wèn)題是控制策略設(shè)計(jì)不當(dāng)，熱水機(jī)組簡(jiǎn)單改型，冷凝器位于水箱內(nèi)，機(jī)組啟停根據(jù)水箱溫度控制，水泵啟停根據(jù)回水溫度控制，存在水泵頻繁啟停問(wèn)題。測(cè)試期內(nèi)水泵日平均啟停65次，最高可達(dá)184次。典型日的6個(gè)小時(shí)內(nèi)機(jī)組啟停47次，水溫波動(dòng)明顯。
設(shè)計(jì)問(wèn)題之三是系統(tǒng)漏熱比較明顯，水箱保溫性差、管路未保溫導(dǎo)致系統(tǒng)漏熱嚴(yán)重。
空氣源熱泵問(wèn)題的應(yīng)對(duì)策略
針對(duì)上述問(wèn)題，我們已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的應(yīng)對(duì)策略，針對(duì)機(jī)組開發(fā)，應(yīng)當(dāng)從改善換熱條件、改進(jìn)壓縮機(jī)技術(shù)、抑制機(jī)組結(jié)霜、提升低溫性能等方面入手。
然后是開發(fā)一些高效的控霜策略，受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、空氣清潔度等多種因素的影響。我們開發(fā)了三種除霜策略，第一種是“光-電轉(zhuǎn)換”測(cè)霜技術(shù)，第二種是THT控霜技術(shù)，第三種是TTT控霜技術(shù)。
首先是“光-電轉(zhuǎn)換”測(cè)霜技術(shù)，光電控制器裝在分葉管上，沒有霜的情況下電壓信號(hào)是無(wú)遮擋的，隨著霜高的不斷增加，電源情況是逐漸增加的，達(dá)到一定程度后進(jìn)行除霜，除霜是依據(jù)霜的實(shí)際生長(zhǎng)高度進(jìn)行的，所以這個(gè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)霜的生長(zhǎng)。再就是THT控霜技術(shù)，依據(jù)環(huán)境溫度、濕度、時(shí)間這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行開發(fā)的。還開發(fā)了TTT控霜技術(shù)，根據(jù)盤管溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度反映換熱器的效率，運(yùn)行效果也非常好。
針對(duì)臟堵問(wèn)題我們開發(fā)了相關(guān)臟堵的診斷方法。空氣源熱泵性能劣化受臟堵程度和環(huán)境溫度共同影響，臟堵程度增加使運(yùn)行參數(shù)發(fā)生1%～121%不同程度劣化，除垢點(diǎn)為臟堵程度超過(guò)40%。我們要開發(fā)這個(gè)策略就是把空氣、環(huán)境溫度的影響屏蔽掉，就開發(fā)了TTT臟堵故障診斷法。利用TTT方法可合理指導(dǎo)臟堵故障清除，使COP提升了10%;相比于未使用診斷方法，使機(jī)組供冷季的平均COP提升了11%。
對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化我們也提倡系統(tǒng)合理配置、末端合理設(shè)計(jì)、能源合理利用。總之，空氣源熱泵是高效的可再生能源利用技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用空間和價(jià)值，其設(shè)計(jì)問(wèn)題(機(jī)組選型、控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)漏熱等)不可忽視，典型應(yīng)用問(wèn)題(機(jī)組結(jié)霜、誤除霜、臟堵等)不可避免，要從機(jī)組開發(fā)、設(shè)計(jì)優(yōu)化、技術(shù)應(yīng)用等層面入手，發(fā)揮其巨大的節(jié)能潛力。
未來(lái)，需要開發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行多方面的協(xié)同合作以及政府、企業(yè)、高校、科研院所、協(xié)會(huì)多層面的協(xié)同合作，共同推動(dòng)超低溫空氣源熱泵技術(shù)在京津冀地區(qū)的高效應(yīng)用和良性發(fā)展。