空氣源熱泵供暖系統熱泵容量選擇的問題研究

  導讀：經過近幾年的快速發展和實踐應用，空氣源熱泵供暖已成為我國推進北方地區清潔取暖的有效技術路線;同時，空氣源熱泵供暖正在為打贏藍天保衛戰，建立綠色人居環境貢獻智慧，還在為冬季天更藍和空氣更清新保駕護航。那么，空氣源熱泵供暖系統該如何設計、選型?熱泵滿負荷供熱量如何?又是怎樣計算其制熱量與室外溫度關系?在2018中國熱泵行業年會暨第七屆國際空氣源熱泵行業發展論壇上，哈爾濱工業大學董重成教授就以上問題結合發言主題《空氣源熱泵供暖系統熱泵容量選擇的問題研究》，為大家進行了詳細解答。

  哈爾濱工業大學董重成教授

  董重成：空氣源熱泵供暖系統熱泵容量選擇的問題研究

  一、問題提出：從時間、溫度、容量上，如何考慮熱泵滿負荷供熱量?

  首先是問題的提出，空氣源熱泵供暖是受氣溫的影響，因此，在不同地域結霜情況對熱交換產生影響;但是針對空氣源熱泵供暖的熱負荷，實際上在計算方面是按照穩定空氣溫度進行的，是在有關統計方法里面得來的;其代表的是在做設計時采用的值，實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，我國規定5℃采暖時，采用的室外設計溫度在統計年份里面，累計每年不保證5天。如果從平均天數的角度來說，等于每年在最冷的天氣里有5天的時間，所選設備供應的熱量是室內不能達到的設計溫度。

  這樣在熱泵容量選擇上怎么去考慮?還有一個問題，不單在采暖期的室外溫度有所變化，采暖期的每天每時它的溫度都在變化。從右側圖可以看出，夜間的溫度比較低，對于建筑來說，在夜里溫度比較低時，它需要的熱量比較大;當白天氣溫上升以后，它所需要的熱量相對少一些，而熱泵的特性恰恰是低溫的時候，對它的運行是不利的。這樣在選擇上面，如果選擇大了，無疑是浪費，選擇小了，達不到功能要求。

  二、計算模型：制熱量與室外溫度關系、COP與室外溫度關系、制熱量與結霜程度關系

  針對這一問題，我們在理論上進行了一些研究，并建立了三方面的數學模型：一是制熱量與室外溫度關系，COP與室外溫度關系;二是制熱量與結霜程度的關系。我們引進環境因子指數的觀念，形成了對于室外溫度的變化是一個函數關系。

  在這個因子的確定上，我們對國內有影響的廠家生產的熱泵機組進行了數學上面的處理;其環境因子的值在一般情況下，指數是5.65，建立了這個數學模型。同時，對于除霜的問題，結霜是逐步的增厚，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行試驗。此時，除霜是消耗其它的能量。

  這些都是通過一些數學模型進行的物理現象分析，針對制熱量與結霜程度的關系，通過這樣的一個數學模型我們進行了計算;但是針對于制熱量與結霜的物理現象，在各個室外溫度的條件下，都采用同一個數學模型，它的計算結果偏差比較大，所以在這里面對于不同的室外溫度情況，采用的數學模式有所變化。

  在-15℃到-8℃數學模式的圖上可以看到，結霜的損失系數用一個符號來代表，結霜的損失一定影響了它的名義制熱量，所以，它有一個損失系數，會影響到整個制熱量的衰減。有了數學模型就可用進行數學計算，去解決這樣的物理現象。

  三、室外計算溫度日內熱量供需關系：計算建筑、典型城市、空氣源熱泵初選、熱量供需關系

  為此，我們首先做了室外計算溫度日內熱量供需關系的分析，選擇了一個計算的建筑;然后，針對不同城市的典型建筑，做了一個關于熱泵的初選，計算它的供需關系。

  在典型建筑方面，我們還選擇了一個建筑平面，針對城市特點選擇了嚴寒地區的B區和C區以及寒冷地區。在空氣源熱泵針對地區適應的建筑問題上的五個氣侯區供暖，分別屬于夏熱冬冷地區、寒冷地區、嚴寒地區，其中嚴寒地區分為A區，B區，C區。寒冷地區又分為B區和C區。

  通過計算得出這些計算結果，看到的熱量供需平衡關系得到了什么結論呢?當計算空氣源熱泵機組的制熱量無需考慮結霜因素時，在供暖室外計算溫度日下建筑需熱量和機組制熱量能夠滿足供需平衡。

  但是實際上，不是這樣一個物理現象，結果是什么?考慮機組實際的結霜和除霜損失，則很容易出現機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%，這說明一旦遇上結霜比較嚴重的工況，制熱量不足的現象就會非常明顯。

  四、空氣源熱泵供暖模式下的不保證天數

  在這樣的情況下，我們通過理論分析，看到室內的最低日平均溫度是什么狀況?得到的不保證天數又是什么狀況?因此，依據日平均溫度通過數學模型和建筑物的結算和實際運行情況，得到的結果是嚴寒寒冷地區的室內日平均溫度極端最低值均不足13℃，一般只有11℃左右，當結霜較為嚴重時不足10℃。

  那么，怎么由18℃降到13℃?原因是在統計規定室外計算溫度的時候，已經有了不保證5天的室內空氣質量。在這樣的情況下，它的偏差就比較大了。其中，室內日平均溫度不保證18℃的條件是熱泵無霜制熱量在經過結除霜修正后的實際制熱量衰減至低于維持室內溫度18℃的建筑需熱量。

  實際上，在常規熱源供熱時，室內最低日平均溫度只比室內設計溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時室內最低日平均溫度會偏低6—8℃，低溫結霜工況下甚至偏低9℃以上。這樣的結果，怎么處理?不保證天數在其它供暖方式中都會出現。但是如果還是這樣去做，空氣源熱泵供暖不保證天數就會增加。

  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，嚴寒地區典型城市中這部分的偏低值要普遍高于寒冷地區;第三部分偏低值由空氣源熱泵的結霜嚴重程度決定，當相對濕度偏低而無霜產生時，結霜因素附加偏低值為零，但是當結霜比較嚴重時，結霜因素附加偏低值會增至4℃以上。

  通過這樣的分析有什么樣的變化?嚴寒B區的典型城市的不保證天數沒有增加;如果是設計上面規定是5天的話，基本也是這樣的天數。在嚴寒地區C區的典型城市比5天要多，不保證天數延長不超過2天。同時，C區是哪些位置呢?屬于嚴寒地區的最南面，通常是沈陽地區。

  寒冷地區室外溫度水平較嚴寒地區要高，若遇到相對濕度大的天氣，則結霜工況概率會大幅增加。但因為結霜天氣的出現在時間和地點上存在隨機性，所以寒冷地區各典型城市不保證天數的延長時間各不相等，短則只延長2天，多則延長21天。

  五、空氣源熱泵選型：降低供暖室外計算溫度、容量安全系數

  在降低供暖室外計算溫度方面，可從三方面來分析：一是供暖室外計算溫度日內建筑熱量供不應求;考慮結霜修正后，一些結霜比較明顯的城市出現了建筑內熱量供不應求的現象。在冬季空調計算溫度日內，無論是否考慮結除霜修正，熱量供不應求的現象更明顯。

  二是室內極端最低日平均氣溫更低。常規熱源供熱時室內最低日平均溫度只比室內設計溫度偏低2—4℃，而空氣源熱泵供暖時室內最低日平均溫度會偏低6—8℃，低溫結霜工況下甚至偏低9℃以上。

  三是不保證天數更長。寒冷地區由于結霜工況甚至重霜工況出現的概率相對較大，因此不保證天數的延長現象更明顯，最多可延長至10天以上，西安市甚至達到26天。

  在室內溫度降低的情況下，通常室外計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的B區，其可以不用降低，就按照規定的室外溫度就可以了，但是到了嚴寒地區的C區，涉及到的偏差比較大，一般都是差2℃，像西安差3℃多。同時，空氣源熱泵結除霜工況制熱量只允許在5天時間內不滿足建筑需熱量。室內日平均溫度只允許有5天不保證室內設計溫度18℃。

  此外，如果不降低室外溫度計算，完全可從設備容量和系數角度來考慮;還可從容量安全系數建議值上考慮，在各個企業，包括設計單位的一些項目中，基本上這樣的做法都是熱泵工程最常用的方法。通過對容量安全系數的分析，我們給出了嚴寒地區B區1，嚴寒地區C區1.05，寒冷地區1.15，少數結霜嚴重的地區1.3。

  六、得到結論

  我們研究的這個結果屬于理論上面的分析，但是這種分析符合客觀條件。通常是數學物理方法，數學模型代表這種物理現象。如果你代表這種物理現象，通過數學的分析得出結論是符合它的物理現象和規律變化的。為此，我們得到了以下四個方面結論：

  一是在供暖室外計算溫度日內，若不考慮結除霜修正，則機組制熱量和建筑需熱量之間可以達到供需平衡，但考慮結霜修正后，一些結霜比較明顯的城市出現了建筑內熱量供不應求的現象。

  二是嚴寒B區典型城市不保證天數沒有增加，嚴寒C區典型城市不保證天數增加不超過2天，寒冷地區典型城市由于結霜因素影響，不保證天數增加天數各不相等，短則2天，長則21天。

  三是根據滿足常規熱源供熱的等舒適度要求(即不保證天數等于5天)的原則適當降低原有的供暖室外計算溫度，則嚴寒B區城市不需要降低供暖室外計算溫度，嚴寒C區需要降低的供暖室外計算溫度不超過0.6℃，寒冷地區需要降低的供暖室外計算溫度在0.86℃—3.34℃不等。

  四是采用熱泵容量安全系數法，則嚴寒B區的安全系數取1即可，嚴寒C區的安全系數取1.05，寒冷地區大部分城市取1.15，少數幾個供暖季重霜天氣頻繁的寒冷地區城市安全系數取1.3。通常是在濕度比較大的地區，這個系數選擇要大一些。對于這樣一個計算結果，實際上，是完全符合我們嚴寒地區和寒冷地區的氣象條件。

  因為嚴寒地區室外氣溫比較低，空氣源熱泵正常運行起來比較困難;但是其相對有一個物理現象是有利的，是什么呢?那就是室外的含濕量相對比較少，室外的水蒸氣也相對比較少，而空氣源熱泵供暖結霜就是水蒸氣遇到冷凝溫度變成結冰的零下溫度;如果空氣源熱泵在低環溫條件下水蒸氣越多，結霜就越嚴重。因此，針對嚴寒地區結霜的問題，相對寒冷地區和夏熱冬冷地區來說，這個問題不突出。