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直流变频空气源热泵在北京农村地区供暖应用

发表日期:2018/1/8 10:51:02 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

为落实国务院提出的《大气污染防治行动计划》和《“十三五”节能减排综合工作方案》及国家发改委等八部门联合提出的《关于推进电能替代的指导意见》等要求,北京市从2003年开始推动东、西城区的“煤改电”试点工程,主要采用蓄热式和直热式电暖器。为治理雾霾,让北京的天更蓝,北京市委市政府从2013年开始启动了“农村地区煤改清洁能源”工作,着手在农村地区试点“煤改电”和“煤改气”工程。从2013年开始,空气源热泵供暖逐步在北京市农村地区进行试点,并在2016年迎来了爆发式增长,装机总量达到16.1万台,其中变频产品约5.1万套。北京市“冬季清洁取暖”技术路线的应用历程是一个逐年试用成熟技术、不断推广新技术淘汰落后技术的过程。蒋建云等对北京农村地区燃煤供暖替代技术方案的实效进行了对比研究,提出低环境温度空气源热泵供暖是北京农村地区实现燃煤替换的一条出路。

空气源热泵应用中的除霜问题已有很多研究,笔者对直流变频空气源热泵在北京农村地区的实际使用效果进行分析,并就缓冲水箱、电辅助加热器的选择问题展开讨论。

1 供暖系统及测试系统介绍

1.1供暖系统

目前,市场上家庭用空气源热泵热水器主要有定速和直流变频2个类型。直流变频空气源热泵具有能力输出可调节、部分负荷运转效率高、低温衰减少、系统可不配置缓冲水箱、运行噪声低等优点;定速空气源热泵采用喷气增焓技术在北方有成功的应用案例。从结构形式上看,家用空气源热泵热水器有整体式和分体式2类。整体式在安装时不用接制冷剂管,现场安装相对简单,但是水系统放置在室外,有冻坏的风险;分体式需要连接制冷剂管,但是把水系统安装在气温相对较高的室内,可以很好地实现防冻。

在北京农村地区“煤改电”实施项目中,分体式空气源热泵供暖系统如图1所示。根据调研,约95%的农户采用各类采暖散热器作为空气源热泵供暖系统的散热末端,约3%的农户采用地暖散热末端,约2%的农户为落地式风机盘管散热末端。


1.2测试系统

1.2.1测试参数

测试参数主要包括:室外空气温度、室外空气相对湿度,室内空气温度;热泵系统的供水/回水温度、循环水流量;系统电功率与耗电量等。

在热泵系统连续正常运行后进行室外空气温度、室外空气相对湿度和室内空气温度的测试。在室外布置温湿度测点,对室外环境情况进行监测,选取不少于3个典型房间布置温度测点,对热泵系统的供热效果进行监测。在空气源热泵机组附近供暖系统主管路(供水或回水)上设置超声波热能表,安装直管段应满足前端管长不小于10倍管道直径,后端管长不小于5倍管道直径的要求,并不产生积气。超声波热能表监测流量,并将超声波热能表的2个温度探头分别安装在供、回水管路上。在系统总供电电源上设置电子式电能表用互感器,测试系统的总输入电功率和耗电量。

1.2.2测试仪器

测试仪器如表1所示,所有测试仪表在使用前都进行了计量检定,并保证测试期间在检定有效。


2 直流变频空气源热泵供暖效果

2.1供暖效果测试

2.1.1通州区马驹桥镇团瓢村

通州区马驹桥镇团瓢村某农房供暖总面积为120m2,采用直流变频空气源热泵系统供暖,末端采用钢制散热器,如图2所示。直流变频空气源热泵可以根据设定水温、室内环境温度以及室外环境温度等参数,自动调节压缩机的运转频率,实现按需供给热量,与定速系统比较有很好的节能效果。

2016年12月8日至2017年3月15日期间对空气源热泵进行供暖效果测试,测试期间室外空气平均温度为1.72 ℃,平均相对湿度为44.54%。在测试期间,3个房间的平均温度分别为19.5 ℃,21.11 ℃和21.43 ℃;系统能效为2.62 W/W。


2.1.2房山区田各庄中街

房山区田各庄中街某农房供暖总面积为151 m2,采用直流变频空气源热泵系统供暖,末端为地板辐射供暖方式。

测试时间从2016年12月19日开始到2017年3月15日结束,测试期间室外空气平均温度为2.13 ℃,平均相对湿度为44.95%。在测试期间,4个房间的平均温度分别为21.44 ℃,23.28 ℃,22.89 ℃和20.34 ℃;系统能效为2.91 W/W。

2.2测试数据分析

2.2.1温度波动

针对采用散热器末端供暖的空气源热泵系统,某一时间段内热泵供/回水温度、房间温度及室外相对湿度随时间的变化如图3所示。可以看出,在图示时间段内,室外相对湿度在21%~56%之间,室外温度在-1.9~9.2 ℃之间。热泵供/回水温度除了在除霜发生的时刻,其他时间段比较平稳,对应的房间温度比较平稳,波动小,可以实现较好的供暖体验。由于采用散热器供暖末端,供水温度稍高(在40~45 ℃之间),室内温度维持在20 ℃以上。测试数据说明,只要系统匹配合适,空气源热泵匹配散热器末端可以实现较好的供暖效果。



图4所示为采用地暖辐射供暖末端的空气源热泵系统,热泵供/回水温度、房间温度及室外相对湿度随时间的变化趋势。可以看出,在图示时间段内,室外相对湿度在14%~49%之间,室外环境温度在-3.7~10.6 ℃之间,热泵供/回水温度除了在除霜发生的时刻,其他时间段比较平稳,对应的房间温度(2#)比较平稳,供暖体验效果较好。由于采用地暖辐射末端,供水温度比采用散热器末端低,图中热泵供水温度在31.45~40.58 ℃之间(除霜期间除外),并维持室内温度在21 ℃以上,即空气源热泵配地暖辐射末端系统的确可以实现较好的供暖效果。

2.2.2缓冲水箱

1)除霜过程

对安装在通州的空气源热泵供暖系统,选取2月6日08:15的除霜过程进行分析,除霜过程中热泵供水温度和回水温度随时间的变化见图5(a),除霜过程室内温度和室外环境温度的变化见图5(b)。可以看出,在发生除霜动作时,由于空气源热泵采用逆循环除霜,热泵供水温度降低到低于回水温度,但是在除霜结束后供水温度快速回升到除霜前的水平,在整个除霜过程室内温度平稳,基本不发生变化。发生除霜时供水温度从39.02 ℃降低到34.14 ℃,回水温度从36.78 ℃降低到36.64 ℃;除霜结束后,随着热泵供水温度提升到38.55 ℃,回水温度反而降低到35.41 ℃,然后再提升到与除霜前接近的温度水平。

根据图5(b),直流变频空气源热泵系统匹配散热器末端,如果考虑除霜对室内温度的影响可以不设置缓冲水箱,并且能够达到较好的供暖效果,主要原因在于:①除霜时间短,水的比热容较大,除霜过程水温虽然有所降低,但是还是维持在34 ℃以上,与21 ℃的室温维持着13 ℃的温差,依然可以提供热量给室内环境;②室内围护结构较好,墙体蓄热量较大。



图6所示为安装在房山某农户家空气源热泵2月12日06:00发生除霜时,热泵供水/回水温度、室内温度和室外温度随时间的变化。可以看出,由于本项目的供热末端采用地暖辐射,发生除霜时供水温度从38.81 ℃降低到30.24 ℃,回水温度维持在34.19 ℃;除霜结束后,随着热泵供水温度提升到39.12 ℃,回水温度反而从34.19 ℃降低到32.66 ℃,然后再提升到与除霜前接近的温度水平。在发生除霜时,房间的温度维持不变,也就是说除霜过程引起的房间温度波动可以忽略不计,完全不影响用户的舒适性。因此,对于采用地暖辐射末端的直流变频空气源热泵系统,在考虑除霜对室内温度的影响时可以不设置缓冲水箱。

2)正常开机过程

从图7(a)可以看出,对于采用散热器末端的供暖系统,从2月5日09:35—18:54期间发生一次停机,主要是热泵提供的热量散热器没法及时释放出去,并且超出了直流变频空气源热泵的调节范围,机组出现停机,期间热泵连续工作时间超过7 h,这个阶段室外温度在4.8~9.2 ℃之间变化。对于这种情况,即便采用缓冲水箱,对系统的缓冲能力也很有限。另外,从图3(b)可以看出停机一次没有引起室温的波动。在2月6日白天环境温度较高时,又出现了一次热泵的停机,同样也没有引起室温的波动。因此,对于采用直流变频空气源热泵配散热器末端系统,可以认为在环境温度较高时可以不必在系统中设置缓冲水箱。


从图7(b)可以看出,在2月12日白天环境温度较高时,没有出现停机现象。对比图7(a)通州和图7(b)房山安装的直流变频空气源热泵的功率变化,通州安装的直流变频空气门热泵在环境温度较高时出现停机现象,一个重要的原因在于同一个能力的机组,通州的供暖面积为120 m2,房山的供暖面积为150 m2,按照环境温度7 ℃热泵的能力14 kW进行估算,通州和房山对应的供热负荷分别为116.7 W/m2和93.3W/ m2,因此通州项目停机次数多于房山项目。由于停机未引起供暖温度变动,因此,在系统中设置缓冲水箱对供暖温度的稳定影响很小。从这个角度出发,直流变频空气源热泵供暖系统可以不设置缓冲水箱。

2.2.3辅助热源

空气源热泵的制热能力随室外环境温度的降低而降低,而建筑的热负荷需求随室外环境温度的降低而升高。如图8所示,当室外环境温度低于t2(t2温度点为空气源热泵供热量与建筑热需求的平衡点)后,需要提供部分辅助热源保证供暖效果,苏梅等采用喷气增焓技术来进一步提升低环境温度空气源热泵的制热能力,王绍瑞基于低谷电作为低环境温度空气源热泵的辅助热源,冉思源等对间联式太阳能空气源热泵用于供热的效果进行了分析。对于北京农村地区“煤改电”,宜采用简单易实施的方式,比如电辅助加热器。由于每个型号空气源热泵的能力以及每个项目建筑特点不同,t2的数值也将随实际项目的变动发生变化。


表2给出了2个型号空气源热泵在-12 ℃室外环境温度下制热能力与7 ℃环境温度下制热能力的对比,从表中数据可以看出,直流变频空气源热泵在-12 ℃下的能力为7 ℃下能力的85.7%,定速空气源热泵的能力则为63.0%。直流变频空气源热泵可以通过提高压缩机的频率来提升低室外环境温度下的能力,可以改善制热能力的衰减情况,这样在匹配辅助热源时,可以选用小功率的辅助热源。笔者所在公司生产的产品在水力模块内置了3 kW的电辅助加热器,可以实现在更低室外环境温度下补充热量。


北京市供暖室外计算温度为-7.6 ℃,冬季空气调节室外计算温度为-9.9 ℃;如果按照-12 ℃选择空气源热泵,热泵在-12 ℃下满足供热需求,系统可以不匹配辅助热源。由于定速空气源热泵不具备能力调节,如果按照-12 ℃进行选择,在室外环境温度较高的条件下工作时,将出现频繁启停,影响使用舒适性、增大能耗,启停机噪声的影响也将放大。直流变频空气源热泵具备能力调节功能,在室外环境温度高的条件下工作时,通过降低压缩机运转的频率,实现较小的热量输出,可克服定速空气源热泵在使用过程中的问题。因此,在北京地区使用的直流变频空气源热泵选型合适,系统可以不匹配辅助热源。

根据徐伟提供的测试数据,北京2016年抽检的44个农户家供暖热负荷按照82 W/m2进行热源选择,而实测热负荷需求为50 W/m2;从测试数据可以看出,北京农村空气源热泵主机能力有32 W/m2的余量,在不匹配辅助热源的条件下可以满足冬季供暖需求。

2.2.4常规能源替代及减排量计算

通过测试可计算出通州和房山2个空气源热泵项目的常规能源替代量和减排量,见表3。


2016年度北京全市完成15.1万户空气源热泵安装任务。按单户供暖面积120 m2,单户燃煤替代量3.331吨(通过性能参数监测得到建筑供热量与散煤热值及民用水暖煤炉热效率综合计算得到)计算,使用空气源热泵的15.1万户共计实现烟煤替代量50.3万吨,实现SO2减排量3 722吨、NOx减排量805吨、CO减排量70 466吨、VOCs减排量2 012吨、PM10减排量6 790吨、PM2.5减排量5 432吨。

3 结论

1)直流变频空气源热泵用于北京“煤改电”工程,可以实现很好的供暖和节能减排效果,测试室内供暖温度高于20 ℃,能够满足供暖要求。

2)由于直流变频空气源热泵具有能量调节能力,在匹配散热器和地暖末端进行供暖时,可以不设置缓冲水箱。

3)直流变频空气源热泵可调节能力输出、低温能力衰减小,在热泵型号选取合适的前提下,可以不增设辅助热源;如果增加辅助热源,建议采用方便安装的电辅助加热器。

(本文选自《制冷与空调》2017年10月刊  作者:饶荣水 黄国强 张学林)

(注:本文未经许可,不得转载)


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