严寒地区空气源热泵应用(7页).doc

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1、-严寒地区空气源热泵应用-第 7 页严寒地区空气源热泵的应用与供暖期能效分析新疆建筑设计研究院 王绍瑞 王绍瑞，男，1963年10月生，大学，提高待遇高级工程师830002 新疆乌鲁木齐市光明路125号（0991）8869192-2185Email：srwang01摘要 本文以乌鲁木齐为例，根据典型气象年室外气温分布情况对严寒地区应用风冷空气源热泵的气象条件进行了分析，并根据气象数据分析了热泵结霜除霜损失。在综合考虑结霜除霜损失和低温环境下空气源热泵制热量衰减的情况下，计算出热泵机组供暖期平均运行能效。为提高空气源热泵机组部分负荷下性能系数，文中提出按室外气温区间配置热泵机组容量的方案。由热泵

2、机组供暖期平均运行能效计算结果得出如下结论：供暖室外计算温度高于-20，且室外气温高于-15的时数占绝大多数的地区，采用低温环境下制热性能良好且除霜性能可靠的空气源热泵机组时，可以实现全供暖期运行。关键词 严寒地区 空气源热泵 供暖期平均运行能效 容量配置0 引言空气源热泵按驱动方式分，有电驱动热泵（EHP）、燃气发动机驱动热泵（GHP）和用热能驱动的吸收式热泵（AHP）等。不同类型的空气源热泵，其供热量的5080%取自于室外低温空气，属于可再生能源应用方式，从长远来看，是一种前景十分广阔的供热应用方式。然而，随着室外气温的降低，空气源热泵的制热量和运行能效呈下降趋势，在严寒地区的应用需要考虑

3、供暖的可靠性和经济性。鉴于目前电驱动风冷空气源热泵的经济性较好，有可能在严寒地区有较为广泛的应用，因此本文仅针对电驱动风冷空气源热泵（以下简称为“空气源热泵”）进行应用和能耗分析。近年来，对于提高空气源热泵低温适用性的研究备受学者、厂家的关注，我国不少空调厂家已研发出适用于低温环境的空气源热泵，为严寒地区的应用打开了局面。某些严寒地区，供暖期内室外气温高于-15的时数占绝大多数，在这些时数里空气源热泵可处于较高能效的运行状态，供暖的节能效果可充分体现；室外气温低于-15的时数占少数，这些时数里空气源热泵处于较低能效的运行状态，供暖的经济性有所下降。随着增压循环或准双级压缩技术的应用以及除霜技术

4、的改进1，空气源热泵机组在低温环境下制热的能效和可靠性均有显著的提高。目前，国内有的厂家生产出的小型超低温空气源热泵机组（额定制热量300KW）的价格已与高效燃气锅炉接近，经济方面的市场竞争力也在不断提高。这种小型超低温空气源热泵适合应用于住宅建筑和建筑面积在10000m2左右的公共建筑。严寒地区采用空气源热泵供暖时，应进行供暖期运行能效的分析，根据分析结果确定具体应用方案。1 空气源热泵供暖期能效分析严寒地区供暖期长，供暖室外计算温度在-20左右，而低温空气源热泵机组运行较佳的室外气温条件在-12左右。因此，严寒地区应用空气源热泵时，应充分考虑室外气象条件对热泵机组性能的影响。1.1 室外气

5、象条件分析由中国建筑热环境分析专用气象数据集典型气象年逐时参数报表2，可得不同地区在供暖期内室外气温区间的小时分布、月平均干球温度、月平均相对湿度、月平均含湿量等气象参数，根据这些参数可以对空气源热泵供暖期运行能效情况进行分析。以乌鲁木齐为例的气象参数见表1.1-1和表1.1-2。表1.1-1 乌鲁木齐供暖期室外气温区间分布小时数区间序号1234567室外气温区间（）5500-5-5-10-10-15-15-20-20-25分布小时数（h）257374598121882830592表1.1-2 乌鲁木齐供暖期月平均干球温度、相对湿度、含湿量月份1231112干球温度（）-12.4-9.2-2.

6、1-1.4-9.7相对湿度（%）81.773.974.974.479.0含湿量（g/kg）1.311.422.832.871.49由表1.1-1可知：乌鲁木齐供暖总时数为3672h，室外气温-15的时数为3275h，占总供暖时数的89%；室外气温-10的时数为2447h，占总供暖时数的66.6%。从室外气温区间分布情况看，乌鲁木齐供暖期内绝大多数时间里采用空气源热泵进行供暖，可在较高的能效下运行。对空气源热泵运行能效有较大的影响的还有结霜和除霜，因此还要分析室外空气结霜条件，确定结霜除霜损失系数。文献3分析了不同气候条件下（寒冷地区、夏热冬冷地区）结霜速率与结霜量的关系，并推算出结霜除霜损失系

7、数。室外空气干球温度（tg）、相对湿度（）是影响热泵结霜的重要因素。结霜温度范围为-12.8tg-5.8，当tg-5.8时，可以不考虑结霜对热泵的影响；当tg-5.8，相对湿度67%时，由于室外空气露点温度（tdew）降到低于室外换热器表面温度（tfe），不发生结霜现象。tg-12.8时，空气含湿量太少，不发生结霜现象。-5tg5范围内，85%时，结霜速率高，结霜严重，当tg-5时，结霜速率减慢。由表1.1-2可初步得知：乌鲁木齐供暖期内的五个月里室外空气的相对湿度较大，多数室外空气状态点落入结霜区且少部分落入严重结霜区。由文献2典型气象年逐时参数表中数据筛选出：室外空气状态处于-12.8tg

8、-5.8，67%，即落入结霜区的时数达到2167h，占供暖总时数的59%；室外空气状态处于-5tg5，85%，即落入严重结霜区的时数达到239h，占供暖总时数的6.5%。文献3推算出了我国空气源热泵适用区的结霜除霜损失系数，并将这些适用区划分为轻霜区、一般结霜区、重霜区、低温结霜区。乌鲁木齐属严寒地区，冬季室外空气温度低、含湿量低，具有低温结霜区特点，但乌鲁木齐室外空气相对湿度又较高，同时又具有一般结霜区的特点。兰州、南京分别为低温结霜区、一般结霜区代表性城市，由文献2可得这两个城市供暖期室外空气状态点分布情况：兰州：落入结霜区时数占供暖总时数的22%，落入严重结霜区时数占供暖总时数的1.8%

9、；南京：落入结霜区时数占供暖总时数的53.3%，落入严重结霜区时数占供暖总时数的32%。可见，乌鲁木齐热泵结霜程度应介于兰州、南京之间。文献3推算结果，兰州、南京结霜除霜损失系数分别为：0.994、0.907，则乌鲁木齐结霜除霜损失系数可按0.900.95。乌鲁木齐冬季室外气温低、含湿量低的特点，使得热泵结霜程度更接近于低温结霜区，当空气源热泵机组除霜技术性能可靠时，影响空气源热泵机组能效的主要因素应该是热泵机组在低温环境下的制热性能。1.2 空气源热泵机组供暖期平均运行能效国内有的超低温空气源热泵机组在-20时的能效比可达2.0左右，可用于某些严寒地区的供暖，且能效比符合民用建筑供暖通风与空

10、气调节设计规范GB50736-2012，8.3.1条的规定要求。供暖期内绝大多数时数室外气温较高，空气源热泵机组运行能效亦较高；少数时数室外气温较低，空气源热泵机组运行能效亦较低。因此，对空气源热泵机组进行整个供暖期的能效评价，才是更全面的。下面仍以乌鲁木齐为例进行评价。如果按表1.1-1中各室外气温区间的低温作为确定该区间空气源热泵机组运行能效的室外温度条件，则供暖期空气源热泵机组的平均运行能效可用下式计算：式中：COPpj 供暖期空气源热泵机组的平均运行能效；cop1cop7 空气源热泵机组在各室外气温区间的运行能效；n1n7 各室外气温区间的分布小时数，（h）；N供暖期总时数，（h）。下

11、面以国内某空调厂生产的超低温空气源热泵机组在乌鲁木齐应用为例，计算出热泵机组在供暖期的平均运行能效：某品牌某型号超低温空气源热泵机组，名义工况下：室外气温-12，出水温度41，制热量224.4 kW，输入功率72.4kW， cop=3.10。用户系统要求供回水温度为45/35时，根据厂家提供的技术参数，该机组在供暖期室外气温分布情况下的运行能效和结霜除霜系数见表1.2。表1.2 空气源热泵机组供暖期室外气温分布情况下的运行能效区间序号1234567室外气温区间（）5500-5-5-10-10-15-15-20-20-25分布小时数（h）257374598121882830592热泵机组制热量（

12、KW）250.1228.1204.2181.0175.9165.8152.0热泵结霜除霜系数1.00.900.900.950.950.950.95热泵机组运行能效3.452.842.542.382.312.182.00表1.2中，-5tg5区间是热泵机组结霜速率较高区间，结霜除霜系数取值较低，tg-5区间是热泵机组结霜速率较低区间，结霜除霜系数取值较高。根据公式-1，可计算出该机组在全供暖期的平均运行能效： 2.49如果电力生产和输配的总效率按35%计，本例中空气源热泵全供暖期的一次能源效率可达87.2%。空气源热泵适合于分散式、低温供暖，供水温度不宜高于45，在输配能耗较低的情况下，供暖系统

13、综合能效可远高于燃煤、燃气锅炉的大型集中供热系统。因此，从计算结果来看，乌鲁木齐采用空气源热泵供暖的前景是较为广阔的。2 空气源热泵机组容量的配置2.1 空气源热泵机组容量的配置空气源热泵应用的最大问题是机组供热量随室外气温降低而衰减，与建筑热负荷随室外气温变化的趋势相反。因此，空气源热泵的应用中，机组容量的配置必须考虑供热量与建筑热负荷需求的匹配关系。根据室外气温分布区间确定热泵机组容量可使供热量与需热量更好地匹配。示例：乌鲁木齐供暖室外计算温度为-19.5，供暖天数153天，总供暖时数3672h。一建筑面积为8000m2的建筑，室内设计平均温度为19，计算热负荷为400KW，采用空气源热泵

14、供暖，热泵机组供水温度为45，热泵机组容量配置方法如下：由表1.1-1，可得乌鲁木齐供暖期七个室外气温区间的分布小时数，并计算出各室外气温区间的建筑热负荷需求。然后，再将相邻两至三个室外气温区间合为一个区间作为建筑热负荷需求和配置热泵机组容量的区间，每个区间热泵机组容量与热负荷需求相匹配。各室外气温区间建筑热负荷需求和热泵机组容量配置情况见表2.1。表2.1 各室外气温区间建筑用热量需求和热泵机组容量的配置区间序号1234567室外气温区间（）5500-5-5-10-10-15-15-20-20-25分布小时数（h）257374598121882830592建筑热负荷需求（KW）150.620

15、0.0254.5306.5358.4400.0400.0热泵机组运行能效2.542.312.00结霜除霜系数0.900.950.95热泵机组容量（KW）244.4244.4144.9389.3244.4144.974.9464.2注：表中热泵机组容量为名义工况下的容量。将相邻两至三个室外气温区间合为一个热泵机组容量配置的区间，是考虑机组在每个室外气温区间的运行容量不要过大，且部分负荷下性能系数较高，同时总体上也要控制机组规格、台数不宜过多。在该例中，配置机组容量的室外气温区间分为三个，配置机组容量时，先从高温区间配起，1、2、3区间合为一个机组容量配置区间，机组在室外气温为-5时的供热量应满足

16、该室外气温下建筑热负荷需求；4、5区间合为一个机组容量配置区间，机组在室外气温为-15时的供热量应满足该室外气温下建筑热负荷需求，本区间机组容量包含前一区间机组容量；6、7区间合为一个机组容量配置区间，机组在室外气温为-20时的供热量应满足该室外气温下建筑热负荷需求，本区间机组容量包含前两区间机组容量。不同室外气温下空气源热泵机组的供热量参数，由国内某厂家提供，在此不一一列出。配置机组容量时已考虑结霜除霜系数的影响，机组容量确定结果列于表2.1中。按1、2、3区间机组配置容量，可以选择两台热泵机组，也可以选择一台热泵机组，选择两台时，更能适应该区间部分负荷运行调节。其他气温区间亦可根据机组配置

17、容量灵活确定机组台数，但总台数也不宜太多。表2.1中有三个平衡温度点可供选择，即-5、-15、-20（接近供暖室外计算温度）。如-5作为平衡温度，空气源热泵供暖时数仅占总供暖时数的33%，显然失去了应用热泵的意义。如-15作为平衡温度，空气源热泵供暖时数占总供暖时数的89%，处于较高运行能效区间，经济性也较好。如-20作为平衡温度，全供暖期采用空气源热泵供暖，不需设置辅助热源，但需考虑系统可靠性。多台热泵机组，且不同容量的配置，可有效地解决机组供热量与建筑需热量难以匹配的问题，同时便于运行调节，使热泵机组在不同室外气温区间运行时部分负荷下性能系数较高。按表2.1的方式配置热泵机组容量时，配置区

18、间可以灵活调整，如可调整为：1、2区间合为一个机组容量配置区间， 3、4区间合为一个机组容量配置区间，5、6、7区间合为一个机组容量配置区间，机组配置总容量不变。2.2 关于辅助热源的设置空气源热泵供暖是否需要设置辅助热源，主要由热泵机组在低温环境下的制热性能和系统的可靠性、经济性来决定。某些小容量超低温空气源热泵机组在-20气温下的COP可达2.0以上，从制热性能来看，在某些严寒地区全供暖期应用是可行的。空气源热泵冬季制热运行时，室外侧换热器的结霜特性不仅直接影响热泵机组的制热性能，也关乎到供暖系统的可靠性和经济性。目前，空气源热泵机组采用的除霜技术有：逆循环除霜、热气旁通除霜、蓄热式除霜三

19、种方式4。逆循环除霜阶段会从室内吸收热量，对热泵机组制热性能影响较大，不适合在严寒和寒冷地区采用。热气旁通除霜在除霜阶段不改变机组制热模式，不需从室内吸收热量，除霜能耗相对较低。蓄热式除霜采用蓄热式压缩机，将压缩机机体散发的热量通过热交换肋片传到蓄热材料中，形成蓄热容积，以改善热泵机组除霜性能，并使除霜能耗大为降低。在严寒和寒冷地区，宜采用利用热气旁通或蓄热式除霜技术的空气源热泵机组，可提高供暖系统的可靠性。 从乌鲁木齐空气源热泵机组试用情况来看，室外侧换热器结霜除霜主要发生在室外气温5-15区间，而这区间热泵机组运行能效仍然较高；室外气温低于-15时，室外侧换热器结霜速率已很低，换热器翅片表

20、面仅形成一层较为稳定的薄冰层（即使未启动除霜模式，冰层厚度亦不再加厚），对热泵运行能效影响不大。由此看来，当采用低温环境下制热性能良好且除霜性能可靠的空气源热泵机组时，在严寒地区是可能实现全供暖期运行的。供暖室外计算温度高于-20，且室外气温高于-15的时数占绝大多数的地区，对于办公、商业、学校等仅白天使用的建筑，采用空气源热泵供暖时可以不设置辅助热源；对于病房楼、宾馆、住宅等全天使用且对室内温度要求较高的建筑，建议设置辅助热源，以更好地应对极端低温天气的出现，进一步提高供暖的可靠性。供暖室外计算温度低于-20，且室外气温低于-15的时数较多的地区，空气源热泵机组因低温运行时间长，能效下降明显

21、，为保证供暖系统可靠性，仍需设辅助热源。供暖室外计算温度高于-20，且室外气温高于-15的时数占绝大多数的地区，需要设置辅助热源的建筑，宜以-15作为平衡温度。供暖室外计算温度低于-20，且室外气温低于-15的时数较多的地区，宜以-10-15区间的温度作为平衡温度。平衡温度的确定应保证热泵机组在供暖期大多时数内可以运行，以充分发挥热泵节能的效果，同时也要保证供暖的可靠性。3 结论本文主要以乌鲁木齐为例对严寒地区应用空气源热泵供暖的供暖期能效情况进行了分析。某些严寒地区供暖期内室外气温高于-15的时数占绝大多数，在这些时数里，空气源热泵的制热量虽然存在低温衰减和结霜除霜损失，但运行能效仍然较高，

22、奠定了供暖期平均能效大于2.0的基础。当采用低温环境下制热性能良好且除霜性能可靠的空气源热泵机组时，在严寒地区是可能实现全供暖期运行的。不同地区具体应用时应根据当地室外气象条件进行供暖期平均能效分析，并根据建筑使用功能和供暖可靠性要求决定是否设置辅助热源。参考文献：1沈明，宋之平.空气源热泵应用范围北扩的可能性分析及其技术措施评述J.暖通空调，2002，32（6）：37-392中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集M.北京：中国建筑工业出版社，20053姜益强，姚杨，马最良.空气源热泵结霜除霜损失系数的计算J.暖通空调，2000，30（5）：24-264任乐，陈旭峻，袁秀玲.关于风冷热泵除霜问题的研究J.制冷，2003，22（1）：13-16