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北京某教学楼空气源热泵供暖系统现场测试
发布日期:2017-7-7 15:00:59


傅旭辉1,李 俊1,周超辉1,倪 龙1,董重成1,姚 杨1,王 军2,黄 勇2,散俊松2,刘 东2   1. 哈尔滨工业大学;2. 丹佛斯自动控制管理(上海)有限公司

 

摘 要:2016~2017 供暖季,对北京某教学楼空气源热泵供暖系统进行了现场测试。该教学楼分为A、B 区,供暖面积和热负荷接近,空气源热泵系统形式和布置相同。区别在于A 地板辐射供暖末端的分集水器处均安装了温控器+ 动态压差平衡型电动调节阀,供回水主干路上安装了压差旁通阀。现场测试表明,空气源热泵+ 地板辐射供暖系统在该教学楼能达到良好的供暖效果,机组平均COP 达3.72。测试期间,带室温控制的空气源热泵系统比单一空气源热泵节能35.7%。

 

关键词:空气源热泵;室温控制;地板辐射供暖;供暖效果;节能率

 

0 引 言

 

  空气源热泵供暖作为一种清洁的供暖形式[1],在我国的北方,特别是京津冀地区具有良好的应用前景[2]。随着国家“煤改清洁能源”政策的推广,空气源热泵逐渐在寒冷地区普及,为满足市场需求,保证供暖系统在室外气温较低的时间段内,能够高效稳定运行,大量低温型空气源热泵产品被研发出来[3-5],并在低温工况下的性能系数方面有了很大提高[6]。然而,在实际应用中空气源热泵运行工况常常偏离名义和低温工况,存在运行性能远低于铭牌性能的实际问题[7]。因此,若要了解空气源热泵供暖系统在整个供暖期的运行状况,还需要大量的现场测试数据作支撑。

 

  随着热计量的推行,温控器逐渐应用于常规的供暖系统[8],节能的同时,也保证室内环境的热舒适性,克服了之前用户难以调控供热量,房间温度过高的难题[9-10]。而将温控器应用到空气源热泵供暖系统中,温控器对空气源热泵的供暖效果、机组性能以及节能性是否会产生影响,目前国内外没有相关的研究。

 

  本研究以建筑供暖为研究对象,通过室温控制结合水力平衡措施减少室内供热量,以此降低空气源热泵的能耗,达到节能减排的目的。通过北京某学校建筑现场实测的数据用量化的方法对带室温控制的空气源热泵+ 地板辐射供暖系统作供暖效果、机组性能、节能性和环境保护分析。

 

1 工程概况

 

图1 建筑平面图 图2 供暖系统原理图

 

  测试地点位于北京市顺义区,供热对象为教学楼,建筑平面图见图1。供暖区域分为A、B 两区,分别采用了一套空气源热泵+ 地板辐射供暖系统,热源均采用某品牌喷液型低温空气源热泵,额定制热量均为90.0kW,两套系统彼此独立,其中,A 区供暖原理如图2 所示。地板辐射供暖末端的分集水器处均安装了温控器+ 动态压差平衡型电动调节阀(后简称调节阀)。温控器能根据温度– 时间设计值和室温自动控制供热阀门的开断,以达到控制室温和节能的目的;调节阀集压差控制器与电动调节阀为一体,对供暖末端设备进行温度控制和有持续的自动水力平衡的作用。由于温控器的开闭作用导致系统流量变化,因此需通过调节阀稳定各房间支流量,其中调节阀根据设计流量设定开度。在供回水主干路上安装了压差旁通阀,用于供热水系统的压差旁通控制,从而保护系统的正常运行。B 区供暖原理同图1,但未安装温控器、调节阀以及压差旁通阀。A 区建筑面积为1722m2,根据围护结构参数,计算得到热指标为61.6W/m2,B 区建筑面积为1615m2,热指标为56.9W/m2,A 区和B 区建筑面积和热指标接近,系统形式和布置相同,具有可比性。

 

  根据现场调研结果,按该教学楼教学时间设定温控器的预设温度。该教学楼周一至周五8:00~21:30为教学时间,其余时间处于无人状况,综合考虑地板辐射供暖的房间预热性,设定温控器房间温度预设值为:周一到周五5:30~22:30及22:30~5:30设定温度分别为21℃ 及12℃,周末全天设定温度为12℃。

 

  机组出水温度根据学校教学日历设定,设定情况为:阶段1(12 月15 日至次年1 月23 日),教学期间,需保证供暖需求,机组出水温度为35℃;阶段2(1 月24 日至2 月19 日),寒假期间,仅需防冻,机组出水温度为20℃;阶段3(2 月20 日至3 月15 日),教学期间,恢复供暖,机组出水温度调回35℃。

 

  测试了系统的供热量、耗电量及室内外温度。在热泵机组附近各设1 个温度传感器,测试室外温度波动,测试精度为±0.3℃;在供回水总干管处各设1 个PT1000 铂电阻温度传感器,测试系统供回水温度,测试精度为±0.1℃;各房间根据规范[11] 按面积大小分别设置1~3 个PT100 铂电阻温度传感器,测试房间室内温度,测试精度为±0.1℃。系统供水管处设电磁流量计,测试精度0.5 级。电表测试精度1 级。测试周期均为5mins,所有仪器事先标定,保证测试数据的准确性和可信度,所有的温度及系统流量和耗电量测试数据由电脑自动采集和存储,数据采集原理见图2。供热量和COP 的相对误差分别为±0.8%和±1.8%。

 

2 现场测试结果分析

 

  2.1 室温需求

图3 测试房间室内温度波动图

 

  图3 显示了受测试房间12 月15 日至次年3 月15 日室内温度波动情况。106 和107房间属于A 区系统,108 和109 房间属于B 区系统。

 

  阶段1 和阶段3,该教学楼正常教学,系统出水温度35℃,A 区系统房间温度波动范围是16.4~25.2℃,低温时段出现在周末,与温控器温度预设值相吻合,而高温时段主要出现在供暖末期,从整体上看室温以7 天为一个周期呈周期性分布;B区系统房间温度波动范围是22.5~27.8℃,室温波动性小。

 

  阶段2 时,学校放假,只需满足防冻需求,系统出水温度20℃,A 区系统室温为12.6~21.9℃,B区系统室温为13.6~23.8℃,两个系统大多数时间室温均维持在15℃ 左右。

 

  整体上该供暖系统的供暖效果满足我国寒冷地区室内温度18~24℃的设计要求[12],在温控器的调节下,A 区系统的室温要低于B 区系统,且更满足室温设计要求。

 

  2.2 供热量

 

图4 机组供热量波动图

 

  图4 为测试期间A、B 区系统逐日供热量波动图。整体上,日供热量与室外温度成负相关关系,室外温度升高,供热量减少,体现了空气源热泵良好的节能性。阶段1 和阶段3 的日供热量大于阶段2,这与机组出水温度由35℃ 变为20℃ 相吻合。在整个运行阶段,A 区的供热量小于B 区,特别是周末,供热量下降明显,说明温控器发挥了调控供热量的作用,能进一步发挥空气源热泵的节能性。

 

  2.3 耗电量

 

  在空气源热泵+ 地板辐射供暖系统上引入室温控制措施,主要是希望达到“按需供热”的目的,提高系统的节能性。从耗电量可以直观地看出引入温控措施后的节能效果,为消除供暖面积和热负荷略微差异的影响,引入单位面积耗电量。统计结果见表1,耗电量波动图见图5。

 

图5 机组耗电量波动图

 

  从图5 发现,整体上,热泵机组耗电量与室外温度负相关,室外温度越低,耗电量越大。阶段1和阶段3 与阶段2 相比,热泵机组出水从35℃ 降至20℃,耗电量下降明显,阶段2 的日耗电量约为阶段1 和3 的1/3。阶段1 时,A 区系统的耗电量显著低于B 区系统;阶段2 时,工作日A 区系统与B 区系统的耗电量相差并不明显,但周末A 区系统的耗电量明显低于B 区系统。

 

  结合表1,加入温控措施后,很好解决了之前存在的供热过量的问题,大大降低了耗电量,阶段1 和阶段3,机组正常供暖,节能率为36.8%;阶段2,为防冻运行工况,节能率略有下降,为28.6%。整个测试阶段,节能率为35.7%。

 

表1 单位供暖面积耗电量统计表

  2.4 机组能效比

 

图6 日均COP 波动图

 

  图6 为测试期间A、B 区系统日均COP 波动图。阶段1 与阶段3,A 区系统日均COP 为3.21~8.29,B 区系统日均COP 为2.70~5.98,A 区系统的COP波动程度大于B 区系统,其主要原因是周末,供热需求下降(房间温度预设12℃),热泵机组运行时间减少,热泵机组耗电量下降,但室内侧的循环水泵仍在运行,房间与地热盘管的换热仍在持续,室内侧热循环消耗的热量有部分来自于之前工作日剩余热量,此时的COP 会上升;而B 区系统供热需求维持不变,COP 变化幅度相应较小。但整个阶段1与阶段3,平均COP A 区系统与B 区系统分别为3.72和3.75,无明显差距,说明加入室温控制和水力平衡调控手段后在出水温度35℃ 下对热泵机组的性能无显著影响。

 

  阶段1 与阶段3,机组出水温度均为35℃,但阶段1 的平均COP 低于阶段3,A 区系统分别为3.56和4.25,B 区系统分别为3.56 和4.22。原因为阶段1 室外温度(温度范围-5.64~2.87℃,均温-0.70℃)低于阶段3(温度范围-1.73~13.40℃,均温7.22℃),在出水温度35℃ 的情况下,室外温度的提高,有利于蒸发器侧的换热。

 

  阶段2 时A 区和B 区系统的平均COP 值均高于阶段1 和阶段3 时,分别为6.38 和4.74,其中A区系统提升更为明显,特别周末平均COP 超过10。原因为阶段2 时,热泵机组出水20℃,有利于冷凝器侧的换热进行;A区系统带有室温控制,周末大部分温控器关闭,建筑侧耗热量的降低造成机组长时间停机,但水泵仍继续运行,而由于室温较低(图3 阶段2),室内侧的换热仍持续进行,出现了日平均COP 高的情况。例如,1 月28 日(周六)供热量是1 月27 日(周五)的0.59 倍,但机组负荷仅为0.32倍,故出现了周末日平均COP 偏高的情况,周末的部分热量是工作日所制得。对于B 区系统,并无工作日与周末的区别,负荷率变动幅度不大,故图6中B 区系统日均COP 变动幅度相对较小。

 

3 结论

 

  (1)低温热泵机组在北京地区的运行性能良好,供暖效果优。带有室温控制A 区系统供暖效果要优于无室温控制的B 区系统,其室温分别为16.4~25.2℃和22.5~27.8℃,B 区系统室内环境偏热。室温控制的空气源热泵能根据用户需求向室内提供热量,达到“按需供热”的目的。

 

  (2) 在出水温度35℃ 下,A 区系统和B 区系统的日平均COP 分别为3.21~8.2和2.70~5.98;出水温度20℃ 下,A 区系统和B 区系统的日平均COP 分别为6.38和4.74。在保证供暖效果的前提下,降低出水温度是一种有效的提升机组性能的手段。A 区系统带有室温控制,周末负荷率低,日均COP提升明显,但在整个出水温度35℃ 运行条件下,A区系统和B 区系统的平均COP 分别为3.72 和3.75,说明长时间段内,室温控制其实对机组COP 并无影响,机组COP 主要取决于机组本身性能、室外温度和出水温度。

 

  (3)机组COP 与室外环境密切相关,环境温度低,机组COP 下降明显,所以研究加入热存储技术对空气源热泵供暖性能的影响是十分必要的。

 

  (4)空气源热泵的应用策略很重要,如果利用不好,会大大降低空气源热泵节能减排的优势。带有室温控制的空气源热泵大大降低了耗电量,在无人时段通过降低室内供热量来减少了空气源热泵的运行时间。A 区系统在建筑面积和热指标略大于B区系统的前提下,仍比B 区系统节能35.7%。

 

参考文献

 

  [1]Xianting Li,Wei Wu, Xiaoling Zhang. Energy saving potential of low temperature hotwater system based on air source absorption heat pump[J]. Applied Thermal Engineering,2012,48:317–324.

  [2] 王沣浩, 王志华, 郑煜鑫. 低温环境下空气源热泵的研究现状及展望. 制冷学报,2013,34(5):47–54.

  [3] 王林军, 刘伟, 张东. 寒冷地区低温空气源热泵辐射供暖实验研究[J].2016,28(1):77–82.

  [4] AliHakkaki-Fard, Zine Aidoun, Mohamed Ouzzane.Applying refrigerant mixtures withthermal glide in cold climate air-source heat pumps[J]. Applied Thermal Engineering,2014,62:714–722.

  [5] F.Busato, R.M. Lazzarin, M. Noro.Two years of recorded data for a multisourceheat pump

  system: Aperformance analysis[J]. Applied Thermal Engineering,2013(57):39–47.

  [6] 张明圣, 陈涛, 张秀平. 国内外空气源热泵产品相关标准和进展[J]. 制冷与空调,2014,14(8):93–101.

  [7] 王伟, 刘景东, 孙育英. 空气源热泵在北京地区全工况运行的关键问题及应对策略[J]. 暖通空调, 2017,47(1):20–27.

  [8] 齐承英, 高俊茹, 方立德. 新型智能供热计量控制系统[J].暖通空调,2004,34(10):103–105.

  [9] 杜涛, 黄珂, 周志华. 中国北方城镇居住建供暖能耗现状与节能潜力分析[J]. 暖通空调,2016,46(10):75–81.

  [10] 顾吉浩, 李广苏, 齐承英. 基于通断时间面积法的居住建筑供暖能耗分析[J].暖通空调,2015,45(1):47–49.

  [11] 住房和城乡建设部. 公共建筑节能检测标准JGJ/T177—2009[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

  [12] 住房和城乡建设部. 民用建筑供热通风与空气调节设计规范GB 50736—2012[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012.

 

来源:《建筑环境与能源》

(戎马传媒·《热泵市场》杂志社 订阅热线:0755-26781737)
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