基于設(shè)計熱負(fù)荷的空氣源熱泵變水溫運行能效評估方法

摘要:近年來,空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展,市場也表現(xiàn)出巨大的需求,相比于水地源熱泵系統(tǒng),空氣源熱泵的特點是:熱源側(cè)溫度不穩(wěn)定,但熱源的獲取更加簡單方便,安裝維護(hù)也更加簡單.變水溫運行技術(shù)是提高空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖能效比的重要方法,本文首先綜述了我國空氣源熱泵相關(guān)產(chǎn)品相關(guān)名稱、標(biāo)準(zhǔn)、測試方法,及存在的不足，從空氣源熱泵產(chǎn)品特點及建筑采暖水系統(tǒng)應(yīng)用特點出發(fā),介紹了歐洲使用的變水溫運行的空氣源熱泵水系統(tǒng)產(chǎn)品綜合能效評估方法,這種方法能夠使得產(chǎn)品的實驗室測試能效,最大限度接近產(chǎn)品的實際系統(tǒng)運行能效，對產(chǎn)品的設(shè)計、制造及系統(tǒng)應(yīng)用起到有效的指導(dǎo)作用.

近年來,空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展,市場也表現(xiàn)出巨大的需求,相比于水地源熱泵產(chǎn)品,空氣源熱泵的特點是:熱源側(cè)溫度不穩(wěn)定,但熱源的獲取更加簡單方便,安裝維護(hù)也更加簡單.隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,從空氣中取熱的熱泵產(chǎn)品主要分為以下幾個方向:

1）提供生活熱水的空氣源熱泵即空氣能熱水器，也叫空氣源熱泵熱水機(器)，針對這類產(chǎn)品,目前已出臺的標(biāo)準(zhǔn)有:GBT23137-2008<<家用和類似用途熱泵熱水器>>,GBT21362-2008<<商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機>>,在這兩個標(biāo)準(zhǔn)中,都明確了產(chǎn)品能效的測試方法.

2）用于工業(yè)烘干的空氣源熱泵烘干機,目前暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,市場活動中有時套用上述工業(yè)用熱泵熱水機標(biāo)準(zhǔn)GBT21362-2008,但由于烘干和熱水是2個不同的應(yīng)用過程,因此熱水機的能效評估標(biāo)準(zhǔn)是不適合烘干機的.但這不是本文需要論述的內(nèi)容.

3）用于建筑采暖的空氣源熱泵水暖機組,也稱為空氣能水暖機組,這一類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有:

GBT18430.1-2007<<蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組第1部分工業(yè)或商業(yè)及類似用途的冷水(熱泵)機組>>;

GBT18430.2-2008<<蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組第2部分戶用及類似用途的冷水(熱泵)機組>>;

GBT25127.1-2010<<低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第1部分工業(yè)或商業(yè)及類似用途的熱泵(冷水)機組>>;

GBT25127.2-2010<<低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第2部分戶用及類似用途的熱泵(冷水)機組>>;

在GBT18430和GBT25127中,在制熱性能這一部分,評估產(chǎn)品能效比時,均使用了IPLV(綜合部分負(fù)荷能效比)這一計算方法,相比于之前定負(fù)荷的評估方法,有了很大的進(jìn)步,但也存在3點不足:

1)空氣源熱泵制熱過程中,由于結(jié)霜的影響,即使在環(huán)溫和水溫不變的情況下,機組一直工作在非穩(wěn)態(tài)工況,其制熱功率是一直變化的,特別是在融霜前后這一段時間,因此我們不能象用測試制冷性能一樣,用穩(wěn)態(tài)的方法來計算其制熱能力及能效比,而應(yīng)將融霜過程一起包入,采用積分的方法計算其制熱量和制熱能力;

2)能效比中未計入水泵的功耗,在空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖機組中,水泵的功耗對于系統(tǒng)能效的影響是很大的,水泵功耗未被納入能效計算中,一方面導(dǎo)置消費者感受到的產(chǎn)品實際使用能效和產(chǎn)品測試能效存在巨大差距,同時也令到產(chǎn)品設(shè)計和制造者未能在熱交換效率和水阻力之間得到最佳平衡,使得產(chǎn)品的設(shè)計在水-氟換熱器這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)失去合理的指導(dǎo)原則.

3)由于空氣源熱泵水暖機組采暖系統(tǒng)中,供水溫度對于熱泵的效率有著決定性的影響,而熱泵的效率決定著整個供熱系統(tǒng)的效率,初步估計,水溫每升高1度,效率衰減2~4%,因此在熱源和室內(nèi)散熱器的系統(tǒng)設(shè)計方案上,在滿足需求條件下,力求降低供水溫度.在一套業(yè)已完成的供熱系統(tǒng)中,通常有2中調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的方案,第一種是流量調(diào)節(jié)法包括用水閥來對進(jìn)入室內(nèi)換熱器的流量進(jìn)行通/斷控制,第二種則是供水溫度調(diào)節(jié)法.對于燃燒類熱源,其效率和供水溫度的關(guān)聯(lián)度不大,采用二種調(diào)節(jié)方法的運行能效比差別不大,但對于空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖,則應(yīng)盡可能實現(xiàn)變水溫運行,通過調(diào)節(jié)供水溫度而不是控制流量通斷的辦法,可以最大限度提高系統(tǒng)運行能效!

4)我國產(chǎn)品的標(biāo)定效率,無論是額定工況下的COP,還是IPLV(H),是從產(chǎn)品為出發(fā)點的測試數(shù)據(jù),而應(yīng)用中,我們從用用戶角度出發(fā),要考慮用戶額定負(fù)載,最大負(fù)載及應(yīng)用的多種因素如輔助電加熱,因此,常常出現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不足,要再以”技術(shù)導(dǎo)則”來補充的情況,應(yīng)用中帶來諸多不便;

上述提到的4)點不足,本文對第1)第2點)不細(xì)闡述,僅從以下幾個方面闡述變溫度供熱系統(tǒng)的能效評估方法及其意義:

一.空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖的變水溫能效評估模型及基本概念.

如上圖,這一模型將空氣源熱泵機組能力曲線和建物負(fù)載曲線,放在室外環(huán)境溫度這一坐標(biāo)下對比,以負(fù)載設(shè)計溫度Tdesign和設(shè)計負(fù)荷Pdesign為基準(zhǔn),來測試機組的綜合能效比Scop,允許在低環(huán)溫的情況下(低于Tbivelent),當(dāng)機組滿負(fù)荷能力仍不能滿足負(fù)載需求時啟動電加熱,并將這部分電加熱功耗計入總消耗中.由于低環(huán)境溫度占整個季節(jié)的比例小,啟動電加熱需增加了功率消耗,但可以用更小的機組來滿足我們的需求,降低了我們在設(shè)備上的初投資,這樣的一個模型,和我們實際使用中,追求最少初投資和最低運行費用的一個平衡的原則是相符的!

設(shè)計環(huán)境溫度Tdesign根據(jù)氣候條件決定,可以按照暖通設(shè)計規(guī)范來確定,綜合歷年的氣侯條件可以得到當(dāng)?shù)馗黝惌h(huán)溫包括最低環(huán)境溫度ToL的小時數(shù),如下表:

表1:某地區(qū)采暖季室外環(huán)境溫度統(tǒng)計表

部分負(fù)荷供水溫度(Taw…Tew)由設(shè)計環(huán)溫下的供水溫度Todesign按部分負(fù)荷比計算而得,計算如下:

Taw=Trw+(Todesign-Trw)*(12-16)/(Tdesign-16);

其中,

12--為A工況下的室外環(huán)境溫度,16--為零負(fù)荷下的室外環(huán)境溫度;

(12-16)/(Tdesign-16)為A工況下的部分負(fù)荷比;

Trw—為不同散熱方式的基準(zhǔn)計算水溫;

在歐洲的能效標(biāo)準(zhǔn)中,將Todesign按照不同的散熱器方式,分為,35/45/55/65--共四種設(shè)計溫度,按氣候類型,設(shè)計環(huán)境溫度Tdesignf分為+2℃(暖),-10℃(中),-22℃(冷)三種情況,下表列出對應(yīng)-10℃設(shè)計環(huán)溫,35℃/45℃供水情況下的部分負(fù)荷供水溫度以供參考:

二.空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖的變水溫能效計算方法.

依上述基本模型,按當(dāng)?shù)貧夂顥l件,確定Tdesign(設(shè)計環(huán)溫),Todesign(設(shè)計供水溫度)后,機組變水溫運行的全季節(jié)綜合能效比Scop的計算步驟如下:

1)依機組性能,確定無需開電加熱時的Tbivelent和Pbivelevt,Pbivelent是指室外環(huán)境溫度在Tbivelent,不依靠電加熱機組所能提供的制熱能力);

2)按Tbivelent和Pbivelent,按部分負(fù)荷能力比,計算設(shè)計負(fù)荷Pdesign;

3)測試各工況點:A,B,C,D,E,F(Tbivelent),Tdesign,TOL,下機組的能力(含電加熱)及COP,能力的計算用積分法計算至少2個完整的除霜周期,機組換熱器水組力折算成電功耗計入總消耗功率中,在Tbivelent以下的區(qū)域所消耗的電加熱功率也計入總消耗功率中;

4)依各測試工況點的能力和能效比,按當(dāng)?shù)厥彝鉁囟冉y(tǒng)計表,計算出整個采暖季綜合能效比Scop;

5)在機組能力大于室內(nèi)負(fù)荷時（即環(huán)溫高于Tbivelent時），對于不能調(diào)節(jié)負(fù)載的ON/OFF機組,要計入機組啟停所帶來的能效衰減,對于可自動調(diào)節(jié)負(fù)荷的變?nèi)萘繖C組,則不計啟停所帶來的影響.

 下表為一臺機組的Scop計算結(jié)果.

三.空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖變水溫能效評估的核心及意義.

對空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖,采用上述變水溫運行能效評估計算,在歐洲已經(jīng)得到推廣,并將其作為產(chǎn)品性能標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)方法,它改變了按照機組設(shè)計工況來評估能效的傳統(tǒng)做法,將機組置于建筑采暖設(shè)計工況和全氣侯條件下進(jìn)行評估.

其核心要點,在于:從用戶環(huán)境及需求出發(fā),提出對產(chǎn)品的能力和SCOP的測試與標(biāo)定方法,以Pdesign—設(shè)計負(fù)荷作為產(chǎn)品的能力標(biāo)定數(shù)據(jù),以Tdesigm-設(shè)計環(huán)境溫度的作為產(chǎn)品額定環(huán)境溫度數(shù)據(jù),需要特別留意的是,Pdesign并不是空氣源熱泵產(chǎn)品本身在Tdesign下的能力,而是等于熱泵的能力+電加熱的能力,是指這臺熱泵可以滿足的建筑物的設(shè)計負(fù)載,SCOP也是在滿足這個建筑物全年采暖綜合COP,這樣的評定方法,使得用戶非常直觀方便的從產(chǎn)品參數(shù)上判斷是否合適于自己及相應(yīng)大致的能耗費用;

即:Pdesign=熱泵在Tdesigm下的能力+輔助電加熱的能力;

因為啟用附助電加熱會降低系統(tǒng)運行的綜合能效比Scop,所以為了得到高的能效比,我們可以讓Tdesig=Tbivelent,即在設(shè)計溫度Tdesign下,不啟動電加熱即Pdesign=熱泵在Tdesigm下的能力,這樣,熱泵的能力Pdesign就必須標(biāo)小,因此,同一臺熱泵在能力Pdesign和SCOP之間有個平衡,這和我們的使用經(jīng)驗是相符的:同一臺熱泵,帶更大的房子,SCOP會略低,但投資也省了;帶小的房子,SCOP高但投資貴了.

其結(jié)果對于用戶來說,更加直觀,更加方便;舉個例子來說,一個用戶有套100平米的房子,當(dāng)?shù)夭膳彝庠O(shè)計溫度是-10℃,在這個工況下他需要5KW的制熱量,他就可以依據(jù)市場上Tdesign=-10℃,Pdesign>=5KW這2個條件,在機組的SCOP和價格之間做個平衡從而作出最佳選擇,而這個SCOP是和其全年運行實際COP接近的.也就是說,采用這個方法,標(biāo)定的產(chǎn)品數(shù)據(jù),更加接近用戶真實體驗到的效果.

由于空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖,其運行能效和供水溫度密切相關(guān),因此,在整個采暖控制系統(tǒng)的設(shè)計,及用戶操作使用上,都應(yīng)該盡可能鼓勵其實施變水溫運行,以充分發(fā)揮空氣源熱泵機組最大的節(jié)能效果!同時也能推動設(shè)備設(shè)計和制造者,能按照這一原則優(yōu)化設(shè)計,生產(chǎn)出更加高效節(jié)能的產(chǎn)品.