低温空气源热泵在严寒地区应用实验研究

黄元躬

浙江正理生能科技有限公司  浙江省温州市 325000

摘要：通过在气温较低的严寒地区进行低温空气热源泵使用实验，对极端天气内机组的工作状态进行了检验，得出在极端天气条件下，机组和系统的平均能效比可以超过1.5.根据供暖末期以及延长期产生的能耗折算来测算全供暖季，可以知道全采暖季对标准煤的消耗量可达到每平方米15~20千克，比集中供热的标煤消耗值低出很多，而且机器平均的COP值以及全供暖季系统可以超过2。由此可见，在极寒地区使用低温空气源热泵有明显的节能效果。

关键字：低温空气源热泵；严寒地区；应用实验

热泵是一项新兴的环保科技，并一直引起着全球各地的广泛关注，因为空气源热泵可以在高环境大气中获得更多的低品位能源，并且具备了使用简单，以及装置价格相对低廉的优点。这也使得空气源热泵成为了许多热泵类型中，可以普遍应用的一类。它曾经在气温相对寒冷的地方应用过多年，但是它的使用范围还是受许多原因的影响。空气源热泵会为用户提供的热量会根据室外温度的降低不断增加。当室外的温度低到一定程度时，就会影响空气源热泵的能效比，需要频繁进行除霜工作，其制造的热量就不能满足用户的需求。总而言之，空气源热泵的使用解决了集中供暖系统难以按照设计要求铺设管道的困难，在一定程度上缓解了极寒地区人民使用供热所带来的经济压力。本文探索了空气源热泵在极寒地区的应用实验效果，并根据实验数据进行了分析研究，希望能够为空气源热泵的后续设计和使用提供有益的经验和技术支持。

1 实验条件

1.1 工程概况

本次实验在我国吉林长春的某一高校实验楼开展。该实验楼的主体框架是钢筋混凝土，是一种非节能型的建筑。该实验楼一共有6层，每层的高度是4.2米，建筑的总高度是25.2米，建筑物的总面积是19，047平方米。选定实验楼一层北向的三个房间作为本次实验的测试房，测试房的面积为550平方米。

1.2 项目条件

长春市的冬季采暖室外温度计算为-21.1℃，本次实验的测试时间选定11月1日到第2年3月28日。实验房间原来的原来的采暖方式是集中供热，根据本次实验的需求，将原本在房间内安装的集中供热系统进行分割，使其和空气源热泵系统共同组成一个具有独立性的小型采暖系统。本次实验选定实验楼的1楼室外放置空气源热泵，使用的热泵型号是MAC340DR5HW，在冬季工作条件下可制100千瓦热量，可以正常工作的最低环境温度为零下30℃，空气源热泵配备两台压缩机，每台的功率是30千瓦。通过电表对热泵和水泵的用电消耗量进行记录。在室外为本次实验系统设置三个不同的温度测点，以及供回水温度测点各一个，通过使用具有多个参数的巡检仪对供热数据，每半小时记录一次，巡检仪的型号是JK-16C。

2测试能耗分析

2.1 水泵耗电分析

本次进行实验的热泵，通过一台水泵来进行采暖工作，在普通工频下，水泵的功率可达1.1千瓦。但因为水泵是全天24小时不间断的工作模式，所以整个能量消耗中，电量消耗占据着较大的比例，因此为水泵制定有效的节能措施，也是节约供暖系统能量的关键步骤[1]。本次实验的供暖系统在进行前期供暖时，采用普通工频水泵提供热量，随着环境温度的降低，水泵能耗增加后换成变频水泵。通过对水泵的实际运行进行测试，可以知道在热泵的运行过程中，热泵和用户之间的循环水泵始终保持满负荷的运行状态，就是工频运行。当室内的温度可以满足用户的日常生活和工作标准时，热泵机组就会停止运行，这时循环水泵仍然处于运行状态，当整个供热系统断电时停止工作。这就使循环水泵对电能的消耗量过多，使采暖用户出现了“大流量小换热”的现象，水泵占有整个供热系统较高的功耗。最开始进行实验时尝试通过断电启停供热机组的方式来降低整个系统的能量消耗，但频繁启停机组会对运行状态产生严重影响，不能达到节能目的。因此在水泵实际运行的过程中，于供暖的第二阶段对水泵进行更换，通过控制水泵的工作频率和转速来降低水泵运行时的实际耗能。通过公式N1/N2=（n1/n2）3，可以对更换变频水泵之后整个采暖系统消耗电量的情况。并且通过计算和对比得出更换变频水泵之后，整个供暖系统消耗的电能有大幅度降低，具有较好的节能效果。

2.2 供热初末期分析

在进行本次供热实验的初期，室外的最高温度可以到达8.4℃，最低温度为零下11.4℃，在这一期间内室外的平均温度为零下2.7℃，本次进行实验测试的房间内部平均温度为20.3℃。整个供热系统供回水的平均温度为30.25℃和20.3℃。在本次供热实验开展的末期，室外的最低温度为零下9.4℃室外的最高温度为13.2℃，这一期间内平均温度为0.6℃[2]。进行本次实验的测试房内部的平均温度可达到19.6℃，整个供热系统的供回水平均温度分别是27.5℃和25.1℃。通过对本次实验房内供热初期的运行数据进行分析，可以得知当室外的平均温度为3℃左右时，整个热泵机组在工作的过程中会出现频繁起停现象，大部分时间机组的制热量都低于每秒5千焦耳，室内的平均温度保持在19.1℃左右。由此可见，机组的制热效率以及制热量，会受到室外温度的较大影响。而且人为操作对空气源热泵的供水温度进行调节，可以增加室内的温度以及机组制热量，对室内环境以及房间温度进行改善。通过分析还可以得出，如果机组频繁除霜，会使制热效果降低。长春市的气候类型属于温带季风气候，与西北地区的大陆气候进行对比，具有较大的湿度，当空气湿度保持不变时，室外湿度越大机组结霜会越严重。机组结霜和霜层对热能的阻塞，导致空气流道的表面粗糙度变大，空气侧换热器内部的压降也会不断增加，这会引起系统内风量减小，对空气侧换热产生较大影响，降低整个机组的运行效率。除此之外，因为长春市的冬天会长期降雪，也就是说室外的湿度长期处于较高状态。这种状态会增加机组的结算情况，因频繁的除霜处理，降低机组的制热量，对制热效果产生影响。

2.3 供热严寒期分析

在本次实验的供热严寒期，室外的最低温度可达零下21.5℃最高温度仅为0.4℃。本次实验测试房内的平均温度保持在18.2℃，整个供热系统的供水回水平均温度为33.9℃和31.7℃。在这一时间段内有15小时，气温低于零下20℃。在严寒期的末尾供回水温度有明显升高，是为了测试机组在极寒温度条件下的最高出水温度，实验结果表明在原本的设计负荷之下，机器升温的速度比较慢，减少了一部分系统所带的负荷，并且出水的温度逐渐升高，速度逐渐变快，为以后的机器容量选择提供很好的参考[3]。

结束语：

在以往需要采暖的季节，长春市的室外平均温度是零下4.4℃，气温比较适宜，但实际使用时发现热泵平均的能效达不到预期值，原因是热泵的热负荷与设备之间不能匹配，降低了供热效率，如果想要改进这一现象，就要在机组负荷以及能源供应上采用可以灵活变化负荷的模块进行辅助。或者在供热系统内使用具有足够容量的储热水箱。除此之外，室外的平均温度较高，引起机组的疥疮频率升高，降低供热效率。通过本次实验进行测试，假设如果在整栋实验楼内将采暖的方式变成低温空气热泵和集中供热混合，因为受到运行经费和最初投资的限制，那么使用低温空气热泵作为供暖措施，有着较大的优势。部分公共建筑应对温度有严格的要求，所以低温空气源热泵是首选的供热方式，通过人为控制，节省能源消耗，可以有效降低运行经费。能够显著减少运营费用。此外，在采用低温空气源热泵技术的过程中，还必须关注热泵的实际运行情况及其周围环境噪声对热泵工作所产生的干扰。虽然其有着许多优点，但是目前由于设备受压缩级的影响，单台热泵的制热量有限，若要在很大的面积内应用，那么设备将会占用很大的体积。那么设备就会占有较大的面积。同时在极寒地区使用低温空气源热泵时，还要做好防冻措施。总而言之，在合理的条件下，使用低温空气源热泵能够做到节能减排。

参考文献：

[1]金洪文，宋炳奇，刘亚平，刘超越，侯庆莹，蒋祥婷，龚恒勤.低温空气源热泵在严寒地区应用实验研究[J].建筑热能通风空调，2022，41(7):15-18.

[2]金洪文，杨蕾，徐镇，杨清净，徐梦，赵雄飞，马喆，胡金泉.低温空气源热泵在严寒地区的应用研究[J].建筑热能通风空调，2020，39(10):39-42.

[3]郝英男，岳向吉，丁佳男，张英莉，朱久刚，巴德纯.超低温空气源热泵在沈阳地区供暖的应用研究[J].制冷与空调，2021，21(9):75-80.