哈爾濱工業大學      傅旭輝   李俊   周超輝   倪龍   董重成   姚楊

丹佛斯自動控制管理（上海）有限公司      王軍   黃    勇   散俊松   劉東

摘   要：2016~2017供暖季，對北京某教學樓空氣源熱泵供暖系統進行了現場測試。該教學樓分為A、B區，供暖面積和熱負荷接近，空氣源熱泵系統形式和布置相同。區別在于A地板輻射供暖末端的分集水器處均安裝了溫控器+動態壓差平衡型電動調節閥，供回水主干路上安裝了壓差旁通閥?，F場測試表明，空氣源熱泵+地板輻射供暖系統在該教學樓能達到良好的供暖效果，機組平均COP達3.72。測試期間，帶室溫控制的空氣源熱泵系統比單一空氣源熱泵節能35.7%。

關鍵詞：空氣源熱泵；室溫控制；地板輻射供暖；供暖效果；節能率

       0   引言

       空氣源熱泵供暖作為一種清潔的供暖形式^[1]，在我國的北方，特別是京津冀地區具有良好的應用前景^[2]。隨著國家“煤改清潔能源”政策的推廣，空氣源熱泵逐漸在寒冷地區普及，為滿足市場需求，保證供暖系統在室外氣溫較低的時間段內，能夠高效穩定運行，大量低溫型空氣源熱泵產品被研發出來^[3-5]，并在低溫工況下的性能系數方面有了很大提高^[6]。然而，在實際應用中空氣源熱泵運行工況常常偏離名義和低溫工況，存在運行性能遠低于銘牌性能的實際問題^[7]。因此，若要了解空氣源熱泵供暖系統在整個供暖期的運行狀況，還需要大量的現場測試數據作支撐。

       隨著熱計量的推行，溫控器逐漸應用于常規的供暖系統^[8]，節能的同時，也保證室內環境的熱舒適性，克服了之前用戶難以調控供熱量，房間溫度過高的難題^[9-10]。而將溫控器應用到空氣源熱泵供暖系統中，溫控器對空氣源熱泵的供暖效果、機組性能以及節能性是否會產生影響，目前國內外沒有相關的研究。

       本研究以建筑供暖為研究對象，通過室溫控制結合水力平衡措施減少室內供熱量，以此降低空氣源熱泵的能耗，達到節能減排的目的。通過北京某學校建筑現場實測的數據用量化的方法對帶室溫控制的空氣源熱泵+地板輻射供暖系統作供暖效果、機組性能、節能性和環境保護分析。

       1   工程概況

       測試地點位于北京市順義區，供熱對象為教學樓，建筑平面圖見圖1。供暖區域分為A、B兩區，分別采用了一套空氣源熱泵+地板輻射供暖系統，熱源均采用某品牌噴液型低溫空氣源熱泵，額定制熱量均為90.0kW，兩套系統彼此獨立，其中，A區供暖原理如圖2所示。地板輻射供暖末端的分集水器處均安裝了溫控器+動態壓差平衡型電動調節閥（后簡稱調節閥）。溫控器能根據溫度–時間設計值和室溫自動控制供熱閥門的開斷，以達到控制室溫和節能的目的；調節閥集壓差控制器與電動調節閥為一體，對供暖末端設備進行溫度控制和有持續的自動水力平衡的作用。由于溫控器的開閉作用導致系統流量變化，因此需通過調節閥穩定各房間支路流量，其中調節閥根據設計流量設定開度。在供回水主干路上安裝了壓差旁通閥，用于供熱水系統的壓差旁通控制，從而保護系統的正常運行。B區供暖原理同圖1，但未安裝溫控器、調節閥以及壓差旁通閥。A區建筑面積為1722m²，根據圍護結構參數，計算得到熱指標為61.6W/m²，B區建筑面積為1615m²，熱指標為56.9W/m²，A區和B區建筑面積和熱指標接近，系統形式和布置相同，具有可比性。

圖1   建筑平面圖

       根據現場調研結果，按該教學樓教學時間設定溫控器的預設溫度。該教學樓周一至周五8:00~21:30為教學時間，其余時間處于無人狀況，綜合考慮地板輻射供暖的房間預熱性，設定溫控器房間溫度預設值為：周一到周五5:30~22:30及22:30~5:30設定溫度分別為21℃及12℃，周末全天設定溫度為12℃。

       機組出水溫度根據學校教學日歷設定，設定情況為：階段1（12月15日至次年1月23日），教學期間，需保證供暖需求，機組出水溫度為35℃；階段2（1月24日至2月19日），寒假期間，僅需防凍，機組出水溫度為20℃；階段3（2月20日至3月15日），教學期間，恢復供暖，機組出水溫度調回35℃。

       測試了系統的供熱量、耗電量及室內外溫度。在熱泵機組附近各設1個溫度傳感器，測試室外溫度波動，測試精度為±0.3℃；在供回水總干管處各設1個PT1000鉑電阻溫度傳感器，測試系統供回水溫度，測試精度為±0.1℃；各房間根據規范^[11]按面積大小分別設置1~3個PT100鉑電阻溫度傳感器，測試房間室內溫度，測試精度為±0.1℃。系統供水管處設電磁流量計，測試精度0.5級。電表測試精度1級。測試周期均為5mins，所有儀器事先標定，保證測試數據的準確性和可信度，所有的溫度及系統流量和耗電量測試數據由電腦自動采集和存儲，數據采集原理見圖2。供熱量和COP的相對誤差分別為±0.8%和±1.8%。

圖2   供暖系統原理圖

       2   現場測試結果分析

       2.1   室溫需求

       圖3顯示了受測試房間12月15日至次年3月15日室內溫度波動情況。106和107房間屬于A區系統，108和109房間屬于B區系統。

圖3   測試房間室內溫度波動圖

       階段1和階段3，該教學樓正常教學，系統出水溫度35℃，A區系統房間溫度波動范圍是16.4~25.2℃，低溫時段出現在周末，與溫控器溫度預設值相吻合，而高溫時段主要出現在供暖末期，從整體上看室溫以7天為一個周期呈周期性分布；B區系統房間溫度波動范圍是22.5~27.8℃，室溫波動性小。

       階段2時，學校放假，只需滿足防凍需求，系統出水溫度20℃，A區系統室溫為12.6~21.9℃，B區系統室溫為13.6~23.8℃，兩個系統大多數時間室溫均維持在15℃左右。

       整體上該供暖系統的供暖效果滿足我國寒冷地區室內溫度18~24℃的設計要求^[12]，在溫控器的調節下，A區系統的室溫要低于B區系統，且更滿足室溫設計要求。

       2.2   供熱量

       圖4為測試期間A、B區系統逐日供熱量波動圖。整體上，日供熱量與室外溫度成負相關關系，室外溫度升高，供熱量減少，體現了空氣源熱泵良好的節能性。階段1和階段3的日供熱量大于階段2，這與機組出水溫度由35℃變為20℃相吻合。在整個運行階段，A區的供熱量小于B區，特別是周末，供熱量下降明顯，說明溫控器發揮了調控供熱量的作用，能進一步發揮空氣源熱泵的節能性。

圖4   機組供熱量波動圖

       2.3   耗電量

       在空氣源熱泵+地板輻射供暖系統上引入室溫控制措施，主要是希望達到“按需供熱”的目的，提高系統的節能性。從耗電量可以直觀地看出引入溫控措施后的節能效果，為消除供暖面積和熱負荷略微差異的影響，引入單位面積耗電量。統計結果見表1，耗電量波動圖見圖5。
從圖5發現，整體上，熱泵機組耗電量與室外溫度負相關，室外溫度越低，耗電量越大。階段1和階段3與階段2相比，熱泵機組出水從35℃降至20℃，耗電量下降明顯，階段2的日耗電量約為階段1和3的1/3。階段1時，A區系統的耗電量顯著低于B區系統；階段2時，工作日A區系統與B區系統的耗電量相差并不明顯，但周末A區系統的耗電量明顯低于B區系統。

圖5   機組耗電量波動圖

       結合表1，加入溫控措施后，很好解決了之前存在的供熱過量的問題，大大降低了耗電量，階段1和階段3，機組正常供暖，節能率為36.8%；階段2，為防凍運行工況，節能率略有下降，為28.6%。整個測試階段，節能率為35.7%。

表1   單位供暖面積耗電量統計表

       2.4   機組能效比

       圖6為測試期間A、B區系統日均COP波動圖。階段1與階段3，A區系統日均COP為3.21~8.29，B區系統日均COP為2.70~5.98，A區系統的COP波動程度大于B區系統，其主要原因是周末，供熱需求下降（房間溫度預設12℃），熱泵機組運行時間減少，熱泵機組耗電量下降，但室內側的循環水泵仍在運行，房間與地熱盤管的換熱仍在持續，室內側熱循環消耗的熱量有部分來自于之前工作日剩余熱量，此時的COP會上升；而B區系統供熱需求維持不變，COP變化幅度相應較小。但整個階段1與階段3，平均COP A區系統與B區系統分別為3.72和3.75，無明顯差距，說明加入室溫控制和水力平衡調控手段后在出水溫度35℃下對熱泵機組的性能無顯著影響。

圖6   日均COP波動圖

       階段1與階段3，機組出水溫度均為35℃，但階段1的平均COP低于階段3，A區系統分別為3.56和4.25，B區系統分別為3.56和4.22。原因為階段1室外溫度（溫度范圍-5.64~2.87℃，均溫-0.70℃）低于階段3（溫度范圍-1.73~13.40℃，均溫7.22℃），在出水溫度35℃的情況下，室外溫度的提高，有利于蒸發器側的換熱。

       階段2時A區和B區系統的平均COP值均高于階段1和階段3時，分別為6.38和4.74，其中A區系統提升更為明顯，特別周末平均COP超過10。原因為階段2時，熱泵機組出水20℃，有利于冷凝器側的換熱進行；A區系統帶有室溫控制，周末大部分溫控器關閉，建筑側耗熱量的降低造成機組長時間停機，但水泵仍繼續運行，而由于室溫較低（圖3階段2），室內側的換熱仍持續進行，出現了日平均COP高的情況。例如，1月28日（周六）供熱量是1月27日（周五）的0.59倍，但機組負荷僅為0.32倍，故出現了周末日平均COP偏高的情況，周末的部分熱量是工作日所制得。對于B區系統，并無工作日與周末的區別，負荷率變動幅度不大，故圖6中B區系統日均COP變動幅度相對較小。

       3   結論

     （1）低溫熱泵機組在北京地區的運行性能良好，供暖效果優。帶有室溫控制A區系統供暖效果要優于無室溫控制的B區系統，其室溫分別為16.4~25.2℃和22.5~27.8℃，B區系統室內環境偏熱。室溫控制的空氣源熱泵能根據用戶需求向室內提供熱量，達到“按需供熱”的目的。

     （2）在出水溫度35℃下，A區系統和B區系統的日平均COP分別為3.21~8.2和2.70~5.98；出水溫度20℃下，A區系統和B區系統的日平均COP分別為6.38和4.74。在保證供暖效果的前提下，降低出水溫度是一種有效的提升機組性能的手段。A區系統帶有室溫控制，周末負荷率低，日均COP提升明顯，但在整個出水溫度35℃運行條件下，A區系統和B區系統的平均COP分別為3.72和3.75，說明長時間段內，室溫控制其實對機組COP并無影響，機組COP主要取決于機組本身性能、室外溫度和出水溫度。

     （3）機組COP與室外環境密切相關，環境溫度低，機組COP下降明顯，所以研究加入熱存儲技術對空氣源熱泵供暖性能的影響是十分必要的。

     （4）空氣源熱泵的應用策略很重要，如果利用不好，會大大降低空氣源熱泵節能減排的優勢。帶有室溫控制的空氣源熱泵大大降低了耗電量，在無人時段通過降低室內供熱量來減少了空氣源熱泵的運行時間。A區系統在建筑面積和熱指標略大于B區系統的前提下，仍比B區系統節能35.7%。

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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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