空氣源熱泵供暖系統(tǒng)熱泵容量選擇的問題研究

  導(dǎo)讀：經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展和實踐應(yīng)用，空氣源熱泵供暖已成為我國推進北方地區(qū)清潔取暖的有效技術(shù)路線;同時，空氣源熱泵供暖正在為打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，建立綠色人居環(huán)境貢獻智慧，還在為冬季天更藍和空氣更清新保駕護航。那么，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)該如何設(shè)計、選型?熱泵滿負荷供熱量如何?又是怎樣計算其制熱量與室外溫度關(guān)系?在2018中國熱泵行業(yè)年會暨第七屆國際空氣源熱泵行業(yè)發(fā)展論壇上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)董重成教授就以上問題結(jié)合發(fā)言主題《空氣源熱泵供暖系統(tǒng)熱泵容量選擇的問題研究》，為大家進行了詳細解答。

  哈爾濱工業(yè)大學(xué)董重成教授

  董重成：空氣源熱泵供暖系統(tǒng)熱泵容量選擇的問題研究

  一、問題提出：從時間、溫度、容量上，如何考慮熱泵滿負荷供熱量?

  首先是問題的提出，空氣源熱泵供暖是受氣溫的影響，因此，在不同地域結(jié)霜情況對熱交換產(chǎn)生影響;但是針對空氣源熱泵供暖的熱負荷，實際上在計算方面是按照穩(wěn)定空氣溫度進行的，是在有關(guān)統(tǒng)計方法里面得來的;其代表的是在做設(shè)計時采用的值，實際上室外溫度是變化，其采暖初期和采暖末期差異比較大。因此，我國規(guī)定5℃采暖時，采用的室外設(shè)計溫度在統(tǒng)計年份里面，累計每年不保證5天。如果從平均天數(shù)的角度來說，等于每年在最冷的天氣里有5天的時間，所選設(shè)備供應(yīng)的熱量是室內(nèi)不能達到的設(shè)計溫度。

  這樣在熱泵容量選擇上怎么去考慮?還有一個問題，不單在采暖期的室外溫度有所變化，采暖期的每天每時它的溫度都在變化。從右側(cè)圖可以看出，夜間的溫度比較低，對于建筑來說，在夜里溫度比較低時，它需要的熱量比較大;當(dāng)白天氣溫上升以后，它所需要的熱量相對少一些，而熱泵的特性恰恰是低溫的時候，對它的運行是不利的。這樣在選擇上面，如果選擇大了，無疑是浪費，選擇小了，達不到功能要求。

  二、計算模型：制熱量與室外溫度關(guān)系、COP與室外溫度關(guān)系、制熱量與結(jié)霜程度關(guān)系

  針對這一問題，我們在理論上進行了一些研究，并建立了三方面的數(shù)學(xué)模型：一是制熱量與室外溫度關(guān)系，COP與室外溫度關(guān)系;二是制熱量與結(jié)霜程度的關(guān)系。我們引進環(huán)境因子指數(shù)的觀念，形成了對于室外溫度的變化是一個函數(shù)關(guān)系。

  在這個因子的確定上，我們對國內(nèi)有影響的廠家生產(chǎn)的熱泵機組進行了數(shù)學(xué)上面的處理;其環(huán)境因子的值在一般情況下，指數(shù)是5.65，建立了這個數(shù)學(xué)模型。同時，對于除霜的問題，結(jié)霜是逐步的增厚，厚到一定的程度影響其換熱。為此，我們要求一定要通過除霜進行試驗。此時，除霜是消耗其它的能量。

  這些都是通過一些數(shù)學(xué)模型進行的物理現(xiàn)象分析，針對制熱量與結(jié)霜程度的關(guān)系，通過這樣的一個數(shù)學(xué)模型我們進行了計算;但是針對于制熱量與結(jié)霜的物理現(xiàn)象，在各個室外溫度的條件下，都采用同一個數(shù)學(xué)模型，它的計算結(jié)果偏差比較大，所以在這里面對于不同的室外溫度情況，采用的數(shù)學(xué)模式有所變化。

  在-15℃到-8℃數(shù)學(xué)模式的圖上可以看到，結(jié)霜的損失系數(shù)用一個符號來代表，結(jié)霜的損失一定影響了它的名義制熱量，所以，它有一個損失系數(shù)，會影響到整個制熱量的衰減。有了數(shù)學(xué)模型就可用進行數(shù)學(xué)計算，去解決這樣的物理現(xiàn)象。

  三、室外計算溫度日內(nèi)熱量供需關(guān)系：計算建筑、典型城市、空氣源熱泵初選、熱量供需關(guān)系

  為此，我們首先做了室外計算溫度日內(nèi)熱量供需關(guān)系的分析，選擇了一個計算的建筑;然后，針對不同城市的典型建筑，做了一個關(guān)于熱泵的初選，計算它的供需關(guān)系。

  在典型建筑方面，我們還選擇了一個建筑平面，針對城市特點選擇了嚴寒地區(qū)的B區(qū)和C區(qū)以及寒冷地區(qū)。在空氣源熱泵針對地區(qū)適應(yīng)的建筑問題上的五個氣侯區(qū)供暖，分別屬于夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)、嚴寒地區(qū)，其中嚴寒地區(qū)分為A區(qū)，B區(qū)，C區(qū)。寒冷地區(qū)又分為B區(qū)和C區(qū)。

  通過計算得出這些計算結(jié)果，看到的熱量供需平衡關(guān)系得到了什么結(jié)論呢?當(dāng)計算空氣源熱泵機組的制熱量無需考慮結(jié)霜因素時，在供暖室外計算溫度日下建筑需熱量和機組制熱量能夠滿足供需平衡。

  但是實際上，不是這樣一個物理現(xiàn)象，結(jié)果是什么?考慮機組實際的結(jié)霜和除霜損失，則很容易出現(xiàn)機組制熱量無法滿足建筑需熱量的情況。例如大連市制熱量不足的比例超過10%，西安市超過20%，這說明一旦遇上結(jié)霜比較嚴重的工況，制熱量不足的現(xiàn)象就會非常明顯。

  四、空氣源熱泵供暖模式下的不保證天數(shù)

  在這樣的情況下，我們通過理論分析，看到室內(nèi)的最低日平均溫度是什么狀況?得到的不保證天數(shù)又是什么狀況?因此，依據(jù)日平均溫度通過數(shù)學(xué)模型和建筑物的結(jié)算和實際運行情況，得到的結(jié)果是嚴寒寒冷地區(qū)的室內(nèi)日平均溫度極端最低值均不足13℃，一般只有11℃左右，當(dāng)結(jié)霜較為嚴重時不足10℃。

  那么，怎么由18℃降到13℃?原因是在統(tǒng)計規(guī)定室外計算溫度的時候，已經(jīng)有了不保證5天的室內(nèi)空氣質(zhì)量。在這樣的情況下，它的偏差就比較大了。其中，室內(nèi)日平均溫度不保證18℃的條件是熱泵無霜制熱量在經(jīng)過結(jié)除霜修正后的實際制熱量衰減至低于維持室內(nèi)溫度18℃的建筑需熱量。

  實際上，在常規(guī)熱源供熱時，室內(nèi)最低日平均溫度只比室內(nèi)設(shè)計溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時室內(nèi)最低日平均溫度會偏低6—8℃，低溫結(jié)霜工況下甚至偏低9℃以上。這樣的結(jié)果，怎么處理?不保證天數(shù)在其它供暖方式中都會出現(xiàn)。但是如果還是這樣去做，空氣源熱泵供暖不保證天數(shù)就會增加。

  第一部分偏低值通常在3—4℃左右，緯度較低的城市這個差值在2—3℃之間，總體差別不大;第二部分偏低值則由空氣源熱泵制熱量隨室外溫度的衰減特性決定，嚴寒地區(qū)典型城市中這部分的偏低值要普遍高于寒冷地區(qū);第三部分偏低值由空氣源熱泵的結(jié)霜嚴重程度決定，當(dāng)相對濕度偏低而無霜產(chǎn)生時，結(jié)霜因素附加偏低值為零，但是當(dāng)結(jié)霜比較嚴重時，結(jié)霜因素附加偏低值會增至4℃以上。

  通過這樣的分析有什么樣的變化?嚴寒B區(qū)的典型城市的不保證天數(shù)沒有增加;如果是設(shè)計上面規(guī)定是5天的話，基本也是這樣的天數(shù)。在嚴寒地區(qū)C區(qū)的典型城市比5天要多，不保證天數(shù)延長不超過2天。同時，C區(qū)是哪些位置呢?屬于嚴寒地區(qū)的最南面，通常是沈陽地區(qū)。

  寒冷地區(qū)室外溫度水平較嚴寒地區(qū)要高，若遇到相對濕度大的天氣，則結(jié)霜工況概率會大幅增加。但因為結(jié)霜天氣的出現(xiàn)在時間和地點上存在隨機性，所以寒冷地區(qū)各典型城市不保證天數(shù)的延長時間各不相等，短則只延長2天，多則延長21天。

  五、空氣源熱泵選型：降低供暖室外計算溫度、容量安全系數(shù)

  在降低供暖室外計算溫度方面，可從三方面來分析：一是供暖室外計算溫度日內(nèi)建筑熱量供不應(yīng)求;考慮結(jié)霜修正后，一些結(jié)霜比較明顯的城市出現(xiàn)了建筑內(nèi)熱量供不應(yīng)求的現(xiàn)象。在冬季空調(diào)計算溫度日內(nèi)，無論是否考慮結(jié)除霜修正，熱量供不應(yīng)求的現(xiàn)象更明顯。

  二是室內(nèi)極端最低日平均氣溫更低。常規(guī)熱源供熱時室內(nèi)最低日平均溫度只比室內(nèi)設(shè)計溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時室內(nèi)最低日平均溫度會偏低6—8℃，低溫結(jié)霜工況下甚至偏低9℃以上。

  三是不保證天數(shù)更長。寒冷地區(qū)由于結(jié)霜工況甚至重霜工況出現(xiàn)的概率相對較大，因此不保證天數(shù)的延長現(xiàn)象更明顯，最多可延長至10天以上，西安市甚至達到26天。

  在室內(nèi)溫度降低的情況下，通常室外計算溫度需要考慮這些問題。如哈爾濱和呼和浩特基本上屬于寒冷地區(qū)的B區(qū)，其可以不用降低，就按照規(guī)定的室外溫度就可以了，但是到了嚴寒地區(qū)的C區(qū)，涉及到的偏差比較大，一般都是差2℃，像西安差3℃多。同時，空氣源熱泵結(jié)除霜工況制熱量只允許在5天時間內(nèi)不滿足建筑需熱量。室內(nèi)日平均溫度只允許有5天不保證室內(nèi)設(shè)計溫度18℃。

  此外，如果不降低室外溫度計算，完全可從設(shè)備容量和系數(shù)角度來考慮;還可從容量安全系數(shù)建議值上考慮，在各個企業(yè)，包括設(shè)計單位的一些項目中，基本上這樣的做法都是熱泵工程最常用的方法。通過對容量安全系數(shù)的分析，我們給出了嚴寒地區(qū)B區(qū)1，嚴寒地區(qū)C區(qū)1.05，寒冷地區(qū)1.15，少數(shù)結(jié)霜嚴重的地區(qū)1.3。

  六、得到結(jié)論

  我們研究的這個結(jié)果屬于理論上面的分析，但是這種分析符合客觀條件。通常是數(shù)學(xué)物理方法，數(shù)學(xué)模型代表這種物理現(xiàn)象。如果你代表這種物理現(xiàn)象，通過數(shù)學(xué)的分析得出結(jié)論是符合它的物理現(xiàn)象和規(guī)律變化的。為此，我們得到了以下四個方面結(jié)論：

  一是在供暖室外計算溫度日內(nèi)，若不考慮結(jié)除霜修正，則機組制熱量和建筑需熱量之間可以達到供需平衡，但考慮結(jié)霜修正后，一些結(jié)霜比較明顯的城市出現(xiàn)了建筑內(nèi)熱量供不應(yīng)求的現(xiàn)象。

  二是嚴寒B區(qū)典型城市不保證天數(shù)沒有增加，嚴寒C區(qū)典型城市不保證天數(shù)增加不超過2天，寒冷地區(qū)典型城市由于結(jié)霜因素影響，不保證天數(shù)增加天數(shù)各不相等，短則2天，長則21天。

  三是根據(jù)滿足常規(guī)熱源供熱的等舒適度要求(即不保證天數(shù)等于5天)的原則適當(dāng)降低原有的供暖室外計算溫度，則嚴寒B區(qū)城市不需要降低供暖室外計算溫度，嚴寒C區(qū)需要降低的供暖室外計算溫度不超過0.6℃，寒冷地區(qū)需要降低的供暖室外計算溫度在0.86℃—3.34℃不等。

  四是采用熱泵容量安全系數(shù)法，則嚴寒B區(qū)的安全系數(shù)取1即可，嚴寒C區(qū)的安全系數(shù)取1.05，寒冷地區(qū)大部分城市取1.15，少數(shù)幾個供暖季重霜天氣頻繁的寒冷地區(qū)城市安全系數(shù)取1.3。通常是在濕度比較大的地區(qū)，這個系數(shù)選擇要大一些。對于這樣一個計算結(jié)果，實際上，是完全符合我們嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的氣象條件。

  因為嚴寒地區(qū)室外氣溫比較低，空氣源熱泵正常運行起來比較困難;但是其相對有一個物理現(xiàn)象是有利的，是什么呢?那就是室外的含濕量相對比較少，室外的水蒸氣也相對比較少，而空氣源熱泵供暖結(jié)霜就是水蒸氣遇到冷凝溫度變成結(jié)冰的零下溫度;如果空氣源熱泵在低環(huán)溫條件下水蒸氣越多，結(jié)霜就越嚴重。因此，針對嚴寒地區(qū)結(jié)霜的問題，相對寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)來說，這個問題不突出。