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河北省空气源热泵供暖项目调研与典型案例实测分析

发表日期:2020/4/3 10:15:32 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

近年来,我国雾霾天气频发,这已经成为我国最严重、最亟须解决的环境问题之一。为了减轻北方城镇的供暖对雾霾天气的影响,可采用高效环保的供暖方式替代传统的燃煤供暖。空气源热泵在节约能源的同时,更避免了污染物的直接排放,它的推广和应用将缓解雾霾天气的现状。空气源热泵作为一种高效节能和清洁供暖方式,在长江中下游、西南、华南等地区得到广泛应用。有学者研究表明,空气源热泵在干球温度为-6~5 ℃,相对湿度大于65%的气象条件下运行时,室外换热器表面最易结霜。我国华北地区和黄河流域为轻度结霜区,但这些地区结霜并不是影响空气源热泵的主要问题,空气源热泵主要问题表现为其低温适用性问题。随着空气源热泵技术的创新,市场上出现了低温空气源热泵产品。苏玉海等对空气源热泵在河北某老旧煤改电工程中的应用进行了分析,供暖季平均供暖费用为,每平方米20.39元。

为了掌握空气源热泵运行中存在的问题及实际使用效果,笔者进行若干个项目的实地调研,调研时间为2017—2018年供暖季,调研对象为采用空气源热泵供暖的住宅建筑和公共建筑,对典型项目进行现场测试,并对系统运行特点及性能参数进行分析。

1  调研方法与结果分析

1.1  调研方法及内容

采用现场填写《问卷调查表》与询问和观察的方式进行实地调研,调研的主要内容包括建筑年代、外墙外保温情况、外窗类型、供暖末端形式、空气源热泵机组的品牌(台数和型号)以及室内温度、循环水泵功率和运行能耗情况等内容,着重了解并搜集系统在使用过程中存在的问题。另外,对其中1个典型项目进行测试,分析系统运行的特点及性能等。

笔者在河北省共调研20个项目,其中17个项目调研结果完整有效,包括10个公共建筑项目,7个住宅建筑项目。总建筑面积为927 820 m2,其中公共建筑51 100 m2,住宅建筑876 720 m2。调研涉及的空气源热泵机组品牌为7家,其中6家采用涡旋式压缩机,1家采用螺杆式压缩机。采用的机组有低温型(-25 ℃能够正常制热)和普通型(-12 ℃能够正常制热)2种。为便于分析,将公共建筑和住宅建筑的调研结果分别进行统计与分析。

1.2  公共建筑调研结果分析

笔者调研的10个公共建筑的基本情况如表1所示。

对于所调研的10个公共建筑,没有获得9#和10#公共建筑的耗电量和电费情况,其余8个公共建筑供暖季的运行耗电量(条形图)和电费(曲线图)见图1。

图1  调研的公共建筑项目耗电量和电费

由图1可以看出,所调研项目的耗电量和电费与外墙保温情况以及外窗类型未呈现正相关关系,原因是耗电量除了与建筑物围护结构有关,还与系统的使用方式有关。耗电量最小的为15.00 kW·h/(m2·a),最高的达到了44.44 kW·h/(m2·a)。对于电费,每个项目的情况不一样,有的是民用电价(0.52元/千瓦时),有的是工业用电价(1.0元/千瓦时或0.8元/千瓦时),有的是峰谷电价(谷电价格:0.28元/千瓦时,峰电价格:0.52元/千瓦时),所调研项目运行费用最低的是10.00元/(m2·a),最高的达到了28.57元/(m2·a)。

对于供暖费用能否接受的调查,所调研10个项目中有2个项目认为采暖费用过高,原因都是电费过高,不能享受优惠电价政策。对于阴天、下雪时室内温度是否明显下降的调查,所调研10个项目中有4个项目存在明显的温度下降,原因一是机组可靠性差,经常出现压缩机低压报警故障;原因二是室外温度低或者雾霾天气时,制热能力衰减幅度大,机组供热量不足。

1.3  住宅建筑调研结果分析

笔者调研的7个住宅建筑的基本情况如表2所示。

表2  调研的住宅建筑基本情况

笔者调研的7个住宅建筑供暖季耗电量和电费见图2。


由图2可以看出,所调研项目的耗电量最小的为25.00 kW·h/(m2·a),最高的达到了39.26 kW·h/(m2·a)。对于电费,每个项目的情况不一样,大部分是峰谷电价(谷电价格:0.28元/千瓦时,峰电价格:0.52元/千瓦时),只有7#采用单一电价(0.484元/千瓦时),所调研项目电费最低的是10.00元/(m2·a),最高的为19.00元/(m2·a)。


对于供暖费用能否接受的调查,所调研7个项目中有1个项目认为供暖费用过高,原因都是希望政府能够对可再生能源应用项目在电价上给予优惠政策。对于阴天、下雪时室内温度是否明显下降的调查,所调研7个项目中有2个项目存在明显的温度下降,这2个项目均为农村住宅,体形系数和窗墙比均较大。末端设备为风机盘管机组,住户习惯于在离开房间后将其关闭,进入房间后才开启的间歇运行方式。另外一个原因是设备选型和系统安装均是由用户自己根据经验确定,存在一些技术上的缺陷。

1.4  存在问题分析及解决措施

1)对水泵和配电柜没有采取避雨措施(图3),易造成线路短路等问题。图4所示为采取避雨措施的项目,将循环水泵、配电柜和控制柜集中在一起,放在一个遮雨棚下,并用栅栏围起来。

图3  对水泵和配电柜未采取避雨措施

图4  采取避雨措施的项目


2)冷凝水无序排放。安装在屋顶的机组直接将冷凝水排放在屋面并结成冰块(图5和图6),存在屋面结构冻裂的安全隐患。图7中采用的冷凝水排出方式是将每台机组排放的冷凝水经过支管汇聚到冷凝水总管,然后将冷凝水集中排走,避免了因其直接落到机组下面而产生的冻结情况。

图5  机组冷凝水直接排放至屋面

图6  冷凝水冻结

图7  冷凝水汇聚后集中排出

3)置于室外的软化水及补水设备被冻坏(图8),补水系统无法正常工作。在图9中,对高位水箱进行保温处理,并且在水箱上设置循环管,分别接至空气源热泵系统的供水管和回水管,采取加热和保温双重措施,保障了补水定压系统的正常稳定工作。

图8  冻坏并报废的补水及软化水装置

图9   带保温的高位补水定压水箱

4)对于夜间使用的建筑,存在系统供暖效果差,运行费用过高的问题。根据对现场情况的分析,出现夜间供暖效果差的原因有2个:一是所选机组为可在-12 ℃正常工作的机组,并非低温型机组,在夜间温度较低时机组频繁融霜,甚至无法正常工作;二是夜间温度低,机组制热量衰减较大。

5)有些项目存在机组融霜时噪声过大问题,每隔8~10 min就会出现“嘭”的一声响,是四通换向阀转换时发出的声音;

6)有些项目机组可靠性差,故障率高,因运行时存在振动,造成焊口开裂,从而造成制冷剂泄漏,严重时出现压缩机烧毁现象。

2  典型案例测试结果及分析

笔者选取的典型案例为幼儿园。该幼儿园位于石家庄市井陉县,总建筑面积为4 529.09 m2,共3层,末端为地板辐射供暖,本项目选用T公司生产的风冷冷水(热泵)机组6台,型号为FS-L-R-60D,额定制热量为70 kW,制热输入功率为19.9 kW,制热COP为3.52。水泵选用S公司生产的立式离心泵2台,1用1备,型号为KQL100/170-15/2,流量为87 m3/h,扬程为38 m,功率为15 kW。测试期间,根据建筑实际使用情况,只有第一层的末端阀门开启,即供暖面积约为1 500 m2,机组连续运行,测试时间为2017年11月18日至2017年12月5日,分别对供/回水温度和温差、水流量、耗电量等进行监测。现场测试照片见图10和图11,监测期间的系统逐时供/回水温度、机组和水泵日耗电量及水泵日耗电量在日总耗电量中的占比、机组COP和系统COP分别见图12~图14。

图10  水流量及供热量测试

图11  水泵耗电量测试

图12  某幼儿园空气源热泵机组逐时供/回水温度监测结果

图13  某幼儿园空气源热泵机组、水泵日耗电量与水泵日耗电量在日总耗电量中的占比

图14  某幼儿园空气源热泵机组与系统COP

测试期间,循环水泵定流量运行,测试流量为52.536 m3/h,水泵进口压力为0.19 MPa,出口压力为0.62 MPa,压差为0.43 MPa。由图12~图14可知,测试期间,系统平均供水温度为40.14 ℃,平均回水温度为38.81 ℃,温差为1.33 ℃,温差过小的原因是实际供暖面积仅为设计供暖面积的1/3,而水泵仍在额定流量下运行。系统日平均耗电量为791.67 kW·h,其中,水泵日平均耗电量为324.00 kW·h,空气源热泵机组日平均耗电量为467.67 kW·h,水泵日耗电量占日总耗电量的比例高达40.93%。造成循环水泵耗电量过高的原因有两点:一是供暖面积小,水泵未设置变频器进行调速;二是当室内达到设定温度后,主机会停止运行,但是水泵未停。系统日均供热量为1 950.89 kW·h,日均耗电量为791.67 kW·h,机组日均COP为4.17,系统日均COP为2.46。由于循环水泵耗电量较高,造成系统日均COP偏低。

3  结论

笔者对17个项目调研结果进行了整理、分析与总结,并对典型案例的空气源热泵系统进行了测试,得出如下结论:

1) 调研的公共建筑的耗电量最小的为15.00 kW·h/(m2·a),最高的达到了44.44 kW·h/(m2·a),电费最低的为10.00元/(m2·a),最高的达到了28.57元/(m2·a)。调研的住宅建筑的耗电量最小的为25.00 kW·h/(m2·a),最高的达到了39.26 kW·h/(m2·a),电费最低的为10.00元/(m2·a),最高为19.00元/(m2·a)。

2) 应加强对空气源热泵系统设计、安装与验收等方面的监管工作,以保障系统安全可靠运行。

3) 对幼儿园空气源热泵系统的测试结果表明:测试期间机组日均COP为4.17,系统日均COP为2.46,由于水泵耗电量占总耗电量的比例高达40.93%,使得系统日均COP偏低。


本文选自《制冷与空调》2019年12月刊,作者:李永  句德胜  侯静  刘伟斌  石佳磊,未经许可,不得转载




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