北京地区空气源热泵低温工况下运行性能的实测研究

  摘要：为进一步揭示空气源热泵在实际工况下的运行性能，掌握其低温运行特性，本文在2015~2016年供暖季针对北京地区某办公楼空气源热泵系统进行了为期80天的现场测试，考察了系统长期运行性能，并重点分析了持续3天低温黄色寒潮预警期内系统的实际运行性能。测试结果显示：测试期内机组日平均制热量为15.2kW，日平均能耗量为0.56kWh/平方米，COP为2.77;低温工况下，环境温度在-15.2~-5.1℃内波动，最冷工况下机组平均排气温度为118.5℃，最高达到124℃，且排气温度超过120℃的运行时间占25%;平均压缩比为11，最高达到11.8，机组平均制热量10.7kW，最低制热量8.8kW，衰减幅度达55%，平均COP为1.96，最低COP仅1.49。研究结果为掌握空气源热泵冬季供暖期实际运行性能及低温运行特性提供了必要的实践数据。

  关键词：空气源热泵;北京地区;低温工况;运行性能;现场测试

  0 引言

  近年来，空气源热泵(Air Source Heat Pump，简称ASHP)在我国得到广泛应用[1]，北京市为北方地区的典型城市，其气候分区属于寒冷地区，在冬季制热工况下，结霜[2,3]和低温适应性是影响机组运行性能的两大关键问题。当机组在低温工况下运行时，压缩比升高，容积效率降低，制冷剂质量流量减少，供热能力下降，压缩机排气温度过高，这些问题限制了其在北方地区的应用[4-7]。文献[8，9]

  将北京定为低温热泵用气象条件的典型城市，为解决空气源热泵低温适应性问题，国内外学者主要从以下几个方面进行研究：提高系统工质的循环量[4,10-12];优化压缩机工作过程，降低排气温度[7,13];选用适于大范围的制冷剂代替常规制冷剂[14-16];采用多级压缩，包括双级压缩[17-19]，双级耦合热泵系统[4,20]等。

  其中，喷液冷却法是一种可以有效降低排气温度，保证低温热泵在-20℃以上能有较高效率的技术方案，肖婧等[21]则针对带有喷液増焓技术的空气源热泵进行为期三个月的测试，考察了机组在-16.5～-6℃低温环境中的运行特性、供热性能与末端供热效果，为了解热泵机组低温运行中存在的问题提供了参考;王伟等[22]针对空气源热泵全工况运行所面临的结除霜、低温运行、脏堵等关键问题，结合长期现场实测，提出了高效抑霜、控霜、低温运行及脏堵诊断技术等相应解决对策，对指导空气源热泵全工况节能运行具有重要意义。

  以上研究均围绕空气源热泵低温适应性问题开展，但现有工作较少针对空气源热泵在寒冷地区长期运行性能的实测研究，更缺乏在低温工况下的运行特性研究。为此，本文针对北京地区某小型办公楼空气源热泵系统，在2015~2016年供暖季进行了为期80天的现场实测运行，分析了热泵系统在长期制热工况下的整体运行性能，并着重考察了机组在持续低温黄色寒潮预警期内的运行性能，本文工作对掌握空气源热泵实际运行性能具有较好的参考价值。

  1 现场测试

  1.1 测试系统

  测试工程为北京地区某小型办公建筑，空调面积为175平方米，测试对象为1台空气源热泵机组，采用定频涡旋式压缩机，其额定制热量为19.6kW，制热功率为6.88kW，制冷剂为R22。制热的标准工况为环境温度7℃，热水出水温度为45℃。测试系统原理如图1所示。

  测试系统对空气源热泵的空气侧、制冷剂侧与制取热水侧的运行参数以及能耗情况进行实时监测。测试机组原理图与实物图如图1中所示，在压缩机吸/排气管上分别设有温度和压力传感器监测压缩机的吸/排气温度和压力，在水侧利用铂电阻PT1000测量机组的进/出水温度，利用电磁流量计测量水流量。其中主要的测量仪器参数如表1所示。

  1.2 测试工况

  测试期为2015年11月15日至2016年2月2日。为详细考察空气源热泵在测试期内的运行性能，尤其在低温工况下的性能，全面测试了室外温湿度，压缩机吸排气温度和压力、机组制热量、能耗和COP等参数，并对相关的参数进行整理分析。

  图2为空气源热泵测试期内环境的温、湿度。由图可知，测试期内环境温度范围在-15.2~10.4℃之间，平均值为-1.3℃;相对湿度平均值为47.9%，最大相对湿度为92.3%。测试期内，机组运行时间共1176h，环境温度低于0℃共有760h;-5℃以下工况共152h。

  由图可知，随着供暖期的推进，环境温度呈下降趋势，在2016年1月23日达到最低温度;相对湿度变化幅度较大，测试中后期，环境相对湿度较低，北京气候呈现“干冷”的特点。为直观获得测试期内机组不同运行工况下的结霜和结露情况，根据朱佳鹤[23,24]等人提出的多区域结霜图谱，得出如图3所示的结霜工况分布图。

  由图可知，运行期内，机组运行工况在结霜区、结露区和无霜区均有分布，经统计，有49.3%的“干冷”工况处于无霜区，3.2%的工况处于结露区，47.6%的工况处于结霜区，其中，轻霜区占11.7%，一般结霜区占28.4%，重霜区占7.5%。

  由以上结果可知，北京地区有近50%的“干冷”工况处于无霜区内，机组极易出现“无霜除霜”的误除霜事故，而重霜区的工况则容易出现“有霜不除”的误除霜事故[2,3]，误除霜事故会不同程度地影响机组正常运行，导致能源浪费。低温工况位于图谱无霜区的左下区域，低于-5℃的工况占所有工况的12.9%。可见，结霜和低温是影响北京地区空气源热泵冬季运行的两大问题。

  2 测试结果与分析

  2.1 系统整体运行性能

  针对机组长期的整体运行性能，以下将从系统的整体运行情况和制热性能两方面进行详细分析。其中，系统的制热性能主要包括机组的制热量，能耗和COP以及相应参数随环境温度的变化情况。

  2.1.1 整体运行情况

  图4为测试期内空气源热泵每天的运行时间和单位面积能耗。

  由图可知，测试期内，机组每天的运行时长存在差异，日均工作时长为14.7h。系统的总能耗主要包括空气源热泵压缩机、风机及水泵的能耗，由图4可知，日平均能耗量为0.56kWh/平方米，最大值0.84kWh/平方米，最小值0.1kWh/平方米，且能耗值随运行时间的增加而增加。各日能耗差异较为明显，主要受环境温、湿度，机组运行时长，误除霜事故频率等因素的影响，环境温度越低，误除霜事故次数越多，则能耗水平越高。

  2.1.2 整体供热性能

  图5为测试期内机组的日平均制热量和日平均COP具体情况。

  由图可知，机组的日平均制热量在10~19.7kW之间波动，平均值为15.2kW;日平均COP为一天内系统的总制热量与总输入功之比，测试期内，机组整体COP的平均值为2.77，日平均COP最大值为3.47，最小值为1.76。

  结合图2和图5可知，环境温度变化时，机组的制热量和COP也呈现相似的变化趋势，在2016年1月23日，平均环境温度达到最低值-13.4℃，此时，机组日平均制热量和COP均达到最低值，仅为10kW和1.76，相对额定工况，其衰减率达49%和37.1%，这是因为当环境温度越低时，室外换热器蒸发温度越低，为保证压缩机吸气过热度，热力膨胀阀开度减小，制冷剂质量流量降低，导致机组制热能力严重衰减。

  图6为不同环境温度下机组制热量、瞬时能耗和COP的变化情况图。

  随环境温度上升，制热量、瞬时能耗和COP均呈上升趋势;由图中散点的分布情况可知，测试机组的工况主要集中在-5~5℃的区间内，该频段内的工况占据总工况的84.2%，平均制热量为15.5kW，瞬时能耗为6.1kW，平均COP为2.83。

  2.2 低温工况下机组的运行性能

  在测试期内，受强寒潮影响，北京地区2016年1月22日~2016年1月24日处于持续低温黄色寒潮预警中，三天内环境温度在-15.2~-5.1℃范围内波动，平均温度为-10.5℃。为分析热泵系统在此低温工况下的运行性能，选取三个低温工况，每个工况连续运行9小时，依次从低温工况，低温运行特性和低温供热性能三个方面进行描述。表2为测试参数的详细数值表，图7为低温期间空气源热泵各个工况的运行结果。

  2.2.1 低温工况描述

  结合图7和表2可知：三个工况平均环境温度分别为：工况1为-9.7℃，工况2为-13.9℃，工况3为-5.7℃，其中工况2的最低温度低至-15.2℃，而低温热泵空气侧名义工况[8]的环境温度为-12℃，显然，工况2环境温度低于低温热泵的名义工况。三个工况平均相对湿度均低于20%。由图3可知，低温工况均处于无霜区。

  2.2.2 低温运行特性

  机组出、回水温度。从图7可知，测试期间，三个工况室外换热器表面均无明显霜层，但工况2机组出水温度与回水温度整体低于工况1和工况3，三个工况平均出水温度分别为44.8℃，43.3℃和45.7℃，低温期间整体的平均出水温度为44.6℃。对照环境温、湿度变化图可知，机组出/回水温度随环境温度的降低而整体降低。压缩机吸、排气温度。

  从图7与表2可知，压缩机吸气温度随环境温度的降低而整体降低，排气温度则随环境温度的降低而升高：工况1排气温度均值为114.8℃，工况3为111.1℃;而工况2的排气温度平均值高于其余两个工况，达到118.5℃，最高排气温度达到124℃，且机组有25%的时间其排气温度超过120℃，由图7可知，工况2中压缩机的部分排气温度高于120℃。

  一般认为压缩机排气温度低于120℃时，压缩机处于正常状态，超过120℃，机组处于过热状态。压缩机长时间在过高的排气温度下工作，会降低电机绝缘性能和可靠性，缩短电机寿命，而且还会降低润滑油的润滑能力，甚至引起润滑油碳化和酸解。可见，低温致使压缩机排气温度升高，且已影响到压缩机的正常运行。

  压缩机吸、排气压力及压缩比。从表2可知，工况1排气压力均值为17.6Bar，工况2为16.8Bar，工况3为18.7Bar，整体平均值为17.7Bar;而工况1的平均压缩比为9.4，工况2为11，工况3为8.12，整体均值达到9.5。可见，最冷工况下的压缩比高于其余两个工况，且最高压缩比达到11.8。结合图7可知，压缩机吸、排气压力随气温的降低而整体下降，但是压缩比增大，且随环境温度的上升而下降。此外，针对单级压缩机而言，正常情况下压缩比为2~8[25]。

  由此可见，低温导致压缩比超过正常范围，对压缩机的正常运行产生了显著的影响。机组除霜频次及停机故障。机组除霜时长、次数及停机故障次数如表3所示。

  由表可知，机组制热期间，工况1、工况2与工况3分别除霜4次、6次和10次，平均除霜时长均仅为2mins，除霜能耗分别为2.6kWh、3.9kWh和6.5kWh。结合图3以及图7中实测观察图片可知，机组运行期间室外换热器表面几无明显霜层，故除霜时间较短，属于典型的“无霜除霜”的误除霜事故，该事故频繁发生，造成能源浪费，机组能效降低。

  此外，工况1、工况2和工况3多次发生低温报警停机事故，运行期间分别停机11次、14次和6次，故障恢复平均时间为5mins。低温是导致机组频繁停机的主要原因，严重降低了机组运行效率和用户的热舒适性。

  2.2.3 低温供热性能

  由表2可知，三个工况平均制热量分别为：工况1为10.1kW，工况2为9.9kW，工况3为12.5kW，相对于额定制热量19.6kW，机组制热量的衰减幅度分别为48.5%、49.5%和36.2%，三个工况整体的平均制热量10.7kW;经统计，三个工况总能耗量为167.4kWh;三个工况平均COP分别为：工况1为1.91，工况2为1.71，工况3为2.25，整体COP均值为1.96。其中，最冷工况下，当温度低至-15.2℃时，制热量仅为8.8kW，衰减幅度高达到55%，COP仅为1.49。因此，低温导致了机组的制热量和COP严重衰减。

  3 结论

  本文针对北京市某小型办公楼进行连续80天的现场运行实测，揭示了空气源热泵在实际工况下的运行性能，并着重分析了机组在北京持续低温黄色寒潮预警期内的性能表现，综上可得如下结论：

  (1)测试期内，机组日平均制热量为15.2kW，日平均能耗量达到0.56kWh/平方米，平均COP为2.77;同时，机组有49.3%的“干冷”工况处于无霜区，47.6%的工况处于结霜区，极易发生“无霜除霜”和“有霜不除”的误除霜事故;

  (2)低温黄色寒潮预警期内，环境温度在-15.2~-5.1℃内波动，平均环境温度-10.5℃，平均相对湿度低于20%;机组的供/回水温度、吸排气压力以及制热量和COP均随环境温度的降低而整体降低，但是排气温度升高，压缩比增大;

  (3)最冷工况下，环境温度均值-13.9℃，压缩机平均排气温度为118.5℃，最高达到124℃，且机组有25%的时间其排气温度超过120℃，最高压缩比达到11.7;运行期间机组频繁发生“无霜除霜”的误除霜事故以及频繁停机的运行故障，机组的平均制热量仅为9.9kW，COP为1.71，当温度低至-15.2℃时，制热量衰减幅度高达55%，COP仅为1.49。可见，低温严重影响热泵的正常运行。

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