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(shí)踐應(yīng)用，空氣源熱泵供暖已成為我國推進(jìn)北方地區(qū)清潔取暖的有效技術(shù)路線;同時(shí)，空氣源熱泵供暖正在為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，建立綠色人居環(huán)境貢獻(xiàn)智慧，還在為冬季天更藍(lán)和空氣更清新保駕護(hù)航。那么，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)該如何設(shè)計(jì)、選型?熱泵滿負(fù)荷供熱量如何?又是怎樣計(jì)算其制熱量與室外溫度關(guān)系?在2018中國熱泵行業(yè)年會(huì)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(jìn)行了詳細(xì)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(shí)間、溫度、容量上，如何考慮熱泵滿負(fù)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(duì)熱交換產(chǎn)生影響;但是針對(duì)空氣源熱泵供暖的熱負(fù)荷，實(shí)際上在計(jì)算方面是按照穩(wěn)定空氣溫度進(jìn)行的，是在有關(guān)統(tǒng)計(jì)方法里面得來的;其代表的是在做設(shè)計(jì)時(shí)采用的值，實(shí)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(shí)，采用的室外設(shè)計(jì)溫度在統(tǒng)計(jì)年份里面，累計(jì)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(shí)間，所選設(shè)備供應(yīng)的熱量是室內(nèi)不能達(dá)到的設(shè)計(jì)溫度。

  這樣在熱泵容量選擇上怎么去考慮?還有一個(gè)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(shí)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(duì)于建筑來說，在夜里溫度比較低時(shí)，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(duì)少一些，而熱泵的特性恰恰是低溫的時(shí)候，對(duì)它的運(yùn)行是不利的。這樣在選擇上面，如果選擇大了，無疑是浪費(fèi)，選擇小了，達(dá)不到功能要求。

  二、計(jì)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(duì)這一問題，我們?cè)诶碚撋线M(jìn)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(jìn)環(huán)境因子指數(shù)的觀念，形成了對(duì)于室外溫度的變化是一個(gè)函數(shù)關(guān)系。

  在這個(gè)因子的確定上，我們對(duì)國內(nèi)有影響的廠家生產(chǎn)的熱泵機(jī)組進(jìn)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(gè)數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，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(jìn)行的物理現(xiàn)象分析，針對(duì)制熱量與結(jié)霜程度的關(guān)系，通過這樣的一個(gè)數(shù)學(xué)模型我們進(jìn)行了計(jì)算;但是針對(duì)于制熱量與結(jié)霜的物理現(xiàn)象，在各個(gè)室外溫度的條件下，都采用同一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它的計(jì)算結(jié)果偏差比較大，所以在這里面對(duì)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(gè)符號(hào)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(gè)損失系數(shù)，會(huì)影響到整個(gè)制熱量的衰減。有了數(shù)學(xué)模型就可用進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，去解決這樣的物理現(xiàn)象。

  三、室外計(jì)算溫度日內(nèi)熱量供需關(guān)系：計(jì)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(jì)算溫度日內(nèi)熱量供需關(guān)系的分析，選擇了一個(gè)計(jì)算的建筑;然后，針對(duì)不同城市的典型建筑，做了一個(gè)關(guān)于熱泵的初選，計(jì)算它的供需關(guān)系。

  在典型建筑方面，我們還選擇了一個(gè)建筑平面，針對(duì)城市特點(diǎn)選擇了嚴(yán)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(duì)地區(qū)適應(yīng)的建筑問題上的五個(gè)氣侯區(qū)供暖，分別屬于夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)，其中嚴(yán)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(jì)算得出這些計(jì)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(jì)算空氣源熱泵機(jī)組的制熱量無需考慮結(jié)霜因素時(shí)，在供暖室外計(jì)算溫度日下建筑需熱量和機(jī)組制熱量能夠滿足供需平衡。

  但是實(shí)際上，不是這樣一個(gè)物理現(xiàn)象，結(jié)果是什么?考慮機(jī)組實(shí)際的結(jié)霜和除霜損失，則很容易出現(xiàn)機(jī)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(yán)重的工況，制熱量不足的現(xiàn)象就會(huì)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(shí)際運(yùn)行情況，得到的結(jié)果是嚴(yán)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(yán)重時(shí)不足10℃。

  那么，怎么由18℃降到13℃?原因是在統(tǒng)計(jì)規(guī)定室外計(jì)算溫度的時(shí)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(shí)際制熱量衰減至低于維持室內(nèi)溫度18℃的建筑需熱量。

  實(shí)際上，在常規(guī)熱源供熱時(shí)，室內(nèi)最低日平均溫度只比室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時(shí)室內(nèi)最低日平均溫度會(huì)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(huì)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(huì)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(gè)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(yán)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(yán)重程度決定，當(dāng)相對(duì)濕度偏低而無霜產(chǎn)生時(shí)，結(jié)霜因素附加偏低值為零，但是當(dāng)結(jié)霜比較嚴(yán)重時(shí)，結(jié)霜因素附加偏低值會(huì)增至4℃以上。

  通過這樣的分析有什么樣的變化?嚴(yán)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(jì)上面規(guī)定是5天的話，基本也是這樣的天數(shù)。在嚴(yán)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(zhǎng)不超過2天。同時(shí)，C區(qū)是哪些位置呢?屬于嚴(yán)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(yán)寒地區(qū)要高，若遇到相對(duì)濕度大的天氣，則結(jié)霜工況概率會(huì)大幅增加。但因?yàn)榻Y(jié)霜天氣的出現(xiàn)在時(shí)間和地點(diǎn)上存在隨機(jī)性，所以寒冷地區(qū)各典型城市不保證天數(shù)的延長(zhǎng)時(shí)間各不相等，短則只延長(zhǎng)2天，多則延長(zhǎng)21天。

  五、空氣源熱泵選型：降低供暖室外計(jì)算溫度、容量安全系數(shù)

  在降低供暖室外計(jì)算溫度方面，可從三方面來分析：一是供暖室外計(jì)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(jì)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(shí)室內(nèi)最低日平均溫度只比室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時(shí)室內(nèi)最低日平均溫度會(huì)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(zhǎng)。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(duì)較大，因此不保證天數(shù)的延長(zhǎng)現(xiàn)象更明顯，最多可延長(zhǎng)至10天以上，西安市甚至達(dá)到26天。

  在室內(nèi)溫度降低的情況下，通常室外計(jì)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(yán)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(shí)，空氣源熱泵結(jié)除霜工況制熱量只允許在5天時(shí)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(jì)溫度18℃。

  此外，如果不降低室外溫度計(jì)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(gè)企業(yè)，包括設(shè)計(jì)單位的一些項(xiàng)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(duì)容量安全系數(shù)的分析，我們給出了嚴(yán)寒地區(qū)B區(qū)1，嚴(yán)寒地區(qū)C區(qū)1.05，寒冷地區(qū)1.15，少數(shù)結(jié)霜嚴(yán)重的地區(qū)1.3。

  六、得到結(jié)論

  我們研究的這個(gè)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(gè)方面結(jié)論：

  一是在供暖室外計(jì)算溫度日內(nèi)，若不考慮結(jié)除霜修正，則機(jī)組制熱量和建筑需熱量之間可以達(dá)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(yán)寒B區(qū)典型城市不保證天數(shù)沒有增加，嚴(yán)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(zhǎng)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(jì)算溫度，則嚴(yán)寒B區(qū)城市不需要降低供暖室外計(jì)算溫度，嚴(yán)寒C區(qū)需要降低的供暖室外計(jì)算溫度不超過0.6℃，寒冷地區(qū)需要降低的供暖室外計(jì)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(yán)寒B區(qū)的安全系數(shù)取1即可，嚴(yán)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(gè)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(gè)系數(shù)選擇要大一些。對(duì)于這樣一個(gè)計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上，是完全符合我們嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的氣象條件。

  因?yàn)閲?yán)寒地區(qū)室外氣溫比較低，空氣源熱泵正常運(yùn)行起來比較困難;但是其相對(duì)有一個(gè)物理現(xiàn)象是有利的，是什么呢?那就是室外的含濕量相對(duì)比較少，室外的水蒸氣也相對(duì)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(yán)重。因此，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)結(jié)霜的問題，相對(duì)寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)來說，這個(gè)問題不突出。