空气源热泵供暖系统热泵容量选择的问题研究

  导读：经过近几年的快速发展和实践应用，空气源热泵供暖已成为我国推进北方地区清洁取暖的有效技术路线;同时，空气源热泵供暖正在为打赢蓝天保卫战，建立绿色人居环境贡献智慧，还在为冬季天更蓝和空气更清新保驾护航。那么，空气源热泵供暖系统该如何设计、选型?热泵满负荷供热量如何?又是怎样计算其制热量与室外温度关系?在2018中国热泵行业年会暨第七届国际空气源热泵行业发展论坛上，哈尔滨工业大学董重成教授就以上问题结合发言主题《空气源热泵供暖系统热泵容量选择的问题研究》，为大家进行了详细解答。

  哈尔滨工业大学董重成教授

  董重成：空气源热泵供暖系统热泵容量选择的问题研究

  一、问题提出：从时间、温度、容量上，如何考虑热泵满负荷供热量?

  首先是问题的提出，空气源热泵供暖是受气温的影响，因此，在不同地域结霜情况对热交换产生影响;但是针对空气源热泵供暖的热负荷，实际上在计算方面是按照稳定空气温度进行的，是在有关统计方法里面得来的;其代表的是在做设计时采用的值，实际上室外温度是变化，其采暖初期和采暖末期差异比较大。因此，我国规定5℃采暖时，采用的室外设计温度在统计年份里面，累计每年不保证5天。如果从平均天数的角度来说，等于每年在最冷的天气里有5天的时间，所选设备供应的热量是室内不能达到的设计温度。

  这样在热泵容量选择上怎么去考虑?还有一个问题，不单在采暖期的室外温度有所变化，采暖期的每天每时它的温度都在变化。从右侧图可以看出，夜间的温度比较低，对于建筑来说，在夜里温度比较低时，它需要的热量比较大;当白天气温上升以后，它所需要的热量相对少一些，而热泵的特性恰恰是低温的时候，对它的运行是不利的。这样在选择上面，如果选择大了，无疑是浪费，选择小了，达不到功能要求。

  二、计算模型：制热量与室外温度关系、COP与室外温度关系、制热量与结霜程度关系

  针对这一问题，我们在理论上进行了一些研究，并建立了三方面的数学模型：一是制热量与室外温度关系，COP与室外温度关系;二是制热量与结霜程度的关系。我们引进环境因子指数的观念，形成了对于室外温度的变化是一个函数关系。

  在这个因子的确定上，我们对国内有影响的厂家生产的热泵机组进行了数学上面的处理;其环境因子的值在一般情况下，指数是5.65，建立了这个数学模型。同时，对于除霜的问题，结霜是逐步的增厚，厚到一定的程度影响其换热。为此，我们要求一定要通过除霜进行试验。此时，除霜是消耗其它的能量。

  这些都是通过一些数学模型进行的物理现象分析，针对制热量与结霜程度的关系，通过这样的一个数学模型我们进行了计算;但是针对于制热量与结霜的物理现象，在各个室外温度的条件下，都采用同一个数学模型，它的计算结果偏差比较大，所以在这里面对于不同的室外温度情况，采用的数学模式有所变化。

  在-15℃到-8℃数学模式的图上可以看到，结霜的损失系数用一个符号来代表，结霜的损失一定影响了它的名义制热量，所以，它有一个损失系数，会影响到整个制热量的衰减。有了数学模型就可用进行数学计算，去解决这样的物理现象。

  三、室外计算温度日内热量供需关系：计算建筑、典型城市、空气源热泵初选、热量供需关系

  为此，我们首先做了室外计算温度日内热量供需关系的分析，选择了一个计算的建筑;然后，针对不同城市的典型建筑，做了一个关于热泵的初选，计算它的供需关系。

  在典型建筑方面，我们还选择了一个建筑平面，针对城市特点选择了严寒地区的B区和C区以及寒冷地区。在空气源热泵针对地区适应的建筑问题上的五个气侯区供暖，分别属于夏热冬冷地区、寒冷地区、严寒地区，其中严寒地区分为A区，B区，C区。寒冷地区又分为B区和C区。

  通过计算得出这些计算结果，看到的热量供需平衡关系得到了什么结论呢?当计算空气源热泵机组的制热量无需考虑结霜因素时，在供暖室外计算温度日下建筑需热量和机组制热量能够满足供需平衡。

  但是实际上，不是这样一个物理现象，结果是什么?考虑机组实际的结霜和除霜损失，则很容易出现机组制热量无法满足建筑需热量的情况。例如大连市制热量不足的比例超过10%，西安市超过20%，这说明一旦遇上结霜比较严重的工况，制热量不足的现象就会非常明显。

  四、空气源热泵供暖模式下的不保证天数

  在这样的情况下，我们通过理论分析，看到室内的最低日平均温度是什么状况?得到的不保证天数又是什么状况?因此，依据日平均温度通过数学模型和建筑物的结算和实际运行情况，得到的结果是严寒寒冷地区的室内日平均温度极端最低值均不足13℃，一般只有11℃左右，当结霜较为严重时不足10℃。

  那么，怎么由18℃降到13℃?原因是在统计规定室外计算温度的时候，已经有了不保证5天的室内空气质量。在这样的情况下，它的偏差就比较大了。其中，室内日平均温度不保证18℃的条件是热泵无霜制热量在经过结除霜修正后的实际制热量衰减至低于维持室内温度18℃的建筑需热量。

  实际上，在常规热源供热时，室内最低日平均温度只比室内设计温度偏低2—4℃，而空气源热泵供暖时室内最低日平均温度会偏低6—8℃，低温结霜工况下甚至偏低9℃以上。这样的结果，怎么处理?不保证天数在其它供暖方式中都会出现。但是如果还是这样去做，空气源热泵供暖不保证天数就会增加。

  第一部分偏低值通常在3—4℃左右，纬度较低的城市这个差值在2—3℃之间，总体差别不大;第二部分偏低值则由空气源热泵制热量随室外温度的衰减特性决定，严寒地区典型城市中这部分的偏低值要普遍高于寒冷地区;第三部分偏低值由空气源热泵的结霜严重程度决定，当相对湿度偏低而无霜产生时，结霜因素附加偏低值为零，但是当结霜比较严重时，结霜因素附加偏低值会增至4℃以上。

  通过这样的分析有什么样的变化?严寒B区的典型城市的不保证天数没有增加;如果是设计上面规定是5天的话，基本也是这样的天数。在严寒地区C区的典型城市比5天要多，不保证天数延长不超过2天。同时，C区是哪些位置呢?属于严寒地区的最南面，通常是沈阳地区。

  寒冷地区室外温度水平较严寒地区要高，若遇到相对湿度大的天气，则结霜工况概率会大幅增加。但因为结霜天气的出现在时间和地点上存在随机性，所以寒冷地区各典型城市不保证天数的延长时间各不相等，短则只延长2天，多则延长21天。

  五、空气源热泵选型：降低供暖室外计算温度、容量安全系数

  在降低供暖室外计算温度方面，可从三方面来分析：一是供暖室外计算温度日内建筑热量供不应求;考虑结霜修正后，一些结霜比较明显的城市出现了建筑内热量供不应求的现象。在冬季空调计算温度日内，无论是否考虑结除霜修正，热量供不应求的现象更明显。

  二是室内极端最低日平均气温更低。常规热源供热时室内最低日平均温度只比室内设计温度偏低2—4℃，而空气源热泵供暖时室内最低日平均温度会偏低6—8℃，低温结霜工况下甚至偏低9℃以上。

  三是不保证天数更长。寒冷地区由于结霜工况甚至重霜工况出现的概率相对较大，因此不保证天数的延长现象更明显，最多可延长至10天以上，西安市甚至达到26天。

  在室内温度降低的情况下，通常室外计算温度需要考虑这些问题。如哈尔滨和呼和浩特基本上属于寒冷地区的B区，其可以不用降低，就按照规定的室外温度就可以了，但是到了严寒地区的C区，涉及到的偏差比较大，一般都是差2℃，像西安差3℃多。同时，空气源热泵结除霜工况制热量只允许在5天时间内不满足建筑需热量。室内日平均温度只允许有5天不保证室内设计温度18℃。

  此外，如果不降低室外温度计算，完全可从设备容量和系数角度来考虑;还可从容量安全系数建议值上考虑，在各个企业，包括设计单位的一些项目中，基本上这样的做法都是热泵工程最常用的方法。通过对容量安全系数的分析，我们给出了严寒地区B区1，严寒地区C区1.05，寒冷地区1.15，少数结霜严重的地区1.3。

  六、得到结论

  我们研究的这个结果属于理论上面的分析，但是这种分析符合客观条件。通常是数学物理方法，数学模型代表这种物理现象。如果你代表这种物理现象，通过数学的分析得出结论是符合它的物理现象和规律变化的。为此，我们得到了以下四个方面结论：

  一是在供暖室外计算温度日内，若不考虑结除霜修正，则机组制热量和建筑需热量之间可以达到供需平衡，但考虑结霜修正后，一些结霜比较明显的城市出现了建筑内热量供不应求的现象。

  二是严寒B区典型城市不保证天数没有增加，严寒C区典型城市不保证天数增加不超过2天，寒冷地区典型城市由于结霜因素影响，不保证天数增加天数各不相等，短则2天，长则21天。

  三是根据满足常规热源供热的等舒适度要求(即不保证天数等于5天)的原则适当降低原有的供暖室外计算温度，则严寒B区城市不需要降低供暖室外计算温度，严寒C区需要降低的供暖室外计算温度不超过0.6℃，寒冷地区需要降低的供暖室外计算温度在0.86℃—3.34℃不等。

  四是采用热泵容量安全系数法，则严寒B区的安全系数取1即可，严寒C区的安全系数取1.05，寒冷地区大部分城市取1.15，少数几个供暖季重霜天气频繁的寒冷地区城市安全系数取1.3。通常是在湿度比较大的地区，这个系数选择要大一些。对于这样一个计算结果，实际上，是完全符合我们严寒地区和寒冷地区的气象条件。

  因为严寒地区室外气温比较低，空气源热泵正常运行起来比较困难;但是其相对有一个物理现象是有利的，是什么呢?那就是室外的含湿量相对比较少，室外的水蒸气也相对比较少，而空气源热泵供暖结霜就是水蒸气遇到冷凝温度变成结冰的零下温度;如果空气源热泵在低环温条件下水蒸气越多，结霜就越严重。因此，针对严寒地区结霜的问题，相对寒冷地区和夏热冬冷地区来说，这个问题不突出。