空氣源熱泵空調系統全年性能實驗研究

王曉洪，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

空氣源熱泵空調系統全年性能實驗研究

王曉洪*，翟曉強

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

本文對上海某小型辦公建筑空氣源熱泵空調系統制冷及制熱工況全年性能進行了實驗研究，研究結果表明，空氣源熱泵空調系統在夏熱冬冷地區能夠滿足建筑的制冷及制熱需求，為建筑提供全年均勻穩定的熱環境。同時，該空氣源熱泵空調系統可以根據建筑的冷/熱負荷調節其制冷量以及制熱量；在制冷工況下，室外溫度越高其制冷量越大；在制熱工況下，室外溫度越低其制熱量越大。此外，本文還提出了一種以循環效率-機組負載率曲線來表征系統運行性能的方法，該方法可以方便直觀地表現熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性。

空氣源熱泵；部分負荷性能；循環效率；室內熱環境

0　引言

建筑是人類生活工作的場所，隨著生活水平的提高，人們越來越重視室內環境的舒適性，越來越多的建筑安裝了空調系統，因此，空調系統能耗在建筑總能耗中所占的比重越來越大。在各種類型的空調系統中，熱泵機組憑借其高能效比和既能夠制冷又能夠制熱的特點，廣受關注，比如地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵等。其中，空氣源熱泵機組因其適應性強、安裝方便的優勢，成為了當下運用最為廣泛的一種空調形式，是研究的重點[1-3]。

在空氣源熱泵的研究方面，一些學者將研究重點放在研究空氣源熱泵機組本身性能，研究機組的節能潛力，并提出新的能量利用方式及除霜方式，以增強熱泵機組的環境適應性。錢付平等[4]分析了空氣源熱泵的能耗分布，提出了強化傳熱措施，提高傳熱系數，減小傳熱溫差的方式是系統節能優化；BYRNE等[5]對空氣源熱泵系統進行了模擬仿真，通過頻繁的交替運行空氣蒸發器和水蒸發器來減少熱泵的空氣-水換熱損失；安青松等[6]在分析熱泵壓縮機熱力學性能的基礎上,得出了壓縮機適合的最低工作溫度，建立了以經濟性為目標的最低溫度模型

1　實驗系統介紹

表1　設備參數表

表2　傳感器精度

2　數據處理方法

為了使系統性能變得更為直觀且易于評價，本文對測試系統記錄的數據進行分析處理，處理方法如下。

逐日室外溫度：將室外溫度傳感器采集到的夏季3個月的數據中，每日的空調系統運行時段內的數據各自作算術平均，以獲得逐日室外溫度。

逐日室內平均溫濕度：取室內各個傳感器的逐日室內溫濕度的平均值，以獲得逐日室內平均溫濕度。

機組制冷量Q：由于數據采集間隔為5 min/個，假設系統各項參數在此5 min內變化可以忽略不計，則通過式(1)可以得到水系統與空氣源熱泵機組這5 min內總的換熱量。

式中：

qm——總水管流量，kg/s；

ΔT——機組供回水溫差，℃；

C——水的比熱容，kJ/(kg·℃)，計算時取4,200。

對全天機組運行全時段內的換熱量進行疊加，可以等效得到機組在當日運行時段的總制冷量Q。

最后通過式(2)可以得到，系統COP：

式中：

WAHU——新風機組能耗，kWh；

WFCU——風機盤管末端能耗，kWh；

Wpump——水泵能耗，kWh。

3　實驗結果與分析

3.1制冷工況空調系統運行性能

圖2與圖3分別為夏季制冷工況下空調系統COP變化圖和室內平均溫濕度變化圖。從圖中可以看出，夏季室外溫度最低為20.4℃，最高達到了38.9℃。在整個夏季的室外溫度范圍變化較大的情況下，室內平均溫度圍繞著室內溫度設定點（24℃）呈現小范圍波動，波動范圍小于1℃。由此可以得出，空氣源熱泵空調系統可以為室內提供穩定的熱環境。除此以外，該系統對于室內相對濕度進行了有效控制。從圖2可以看到，在這3個月的實驗中，室內平均相對濕度被控制在57.97%～77.07%，滿足GB/T 18883《室內空氣質量標準》[11]對于室內相對濕度應處于40%～80%的舒適性的要求。

從圖中還可以看出，空調系統的COP在這3個月里并不是固定不變的值。根據計算，整個夏季制冷工況下，該系統的最高COP達到了3.08。為了綜合判斷該系統在整個夏季制冷工況下的制冷性能，這里引入季節能效比（Seasonal Energy Efficiency Ratio，SEER），它表示在正常的供冷期間，空調器在特定地區的總制冷量與總耗電量之比。最后計算得出該空調系統的SEER為2.13。

圖2　夏季室外溫度與系統COP變化

圖3　夏季室內平均溫濕度變化

3.2制熱工況熱泵空調系統運行性能

熱泵系統的優勢在于可以同時滿足夏季制冷、冬季制熱的需求，所以，制熱工況下空調系統的運行性能十分重要。

圖4及圖5分別為冬季制熱工況下空調系統COP和室內平均溫濕度變化圖。從圖中可以看出，在冬季室外溫度變化范圍為-2.5℃～20.2℃的情況下，室內平均溫度為19.5℃～24.4℃，室內平均相對濕度被控制在23.78%～76.76%。根據GB/T 18883的要求，冬季室內溫度宜在16℃～24℃范圍內，相對濕度為30%～60%。也就是說，空氣源熱泵空調系統可以滿足建筑冬季制熱需求，同時，室內相對濕度大部分情況下也是滿足舒適性要求的。

圖4　冬季室外溫度與系統COP變化

圖5　冬季室內平均溫濕度變化

從圖中還可以得到，整個冬季制熱工況下，該系統的最高COP達到了3.06。結合SEER最后計算得出該空調系統的全年能源消耗率（Annual Performance Factor，APF）為2.05。因此，在上海地區選用空氣源熱泵空調系統作為建筑的室內空氣調節設備，為建筑全年提供舒適的室內環境，是切實可行的。

3.3熱泵空調系統運行性能影響因素

空氣源熱泵空調系統可以滿足建筑全年制冷及采暖需求，但是，從前面的分析中可以看出，系統性能并非一成不變。影響系統性能變化的因素有很多，例如：室外溫濕度、供水溫度、制冷（制熱）負荷變化等。其中，室外溫度為影響系統性能變化的最主要因素。

卵巢癌是女性生殖系統常見腫瘤，因發現癥狀時多數病例已是晚期，其病死率居婦科惡性腫瘤之首[7]。2011年美國癌癥協會發布的全球腫瘤報告顯示僅2008年全球新發卵巢癌225 500例，其中140 200例死亡[8]。由此可見提高卵巢癌的早期診斷，對卵巢癌的治療處理和預后極為重要。

室外溫度對于系統性能變化的影響體現在兩個方面，一個方面為直接影響，另一個方面則為間接影響。

直接影響體現在室外溫度對于系統COP的影響。在制冷工況下，室外空氣溫度為空氣源熱泵的熱源溫度。較低的室外空氣溫度意味著比較好的制冷工況，有利于系統COP的提高，而過高的室外溫度則意味著較差的制冷工況，會大大降低系統COP。根據逆卡諾循環原理，假設空調系統供水溫度恒為7℃，并且熱泵機組的制冷性能不會隨著室外溫度而變化，則在室外空氣溫度為30℃的基礎上，室外溫度增加一度，空調系統的COP便會下降4%。制熱工況則相反，較低的室外溫度意味著較差的制熱工況。

間接影響則體現在室外溫度對于室內負荷的影響。夏季，隨著室外溫度的升高，空調系統需要制造更多的冷量以滿足隨室外溫度增加而增加的室內冷負荷，對于本實驗用建筑，室外溫度的升高對于室內冷負荷的增加起著最主要的作用。冬季則相反，室外溫度越低，所需要的制熱量越高。

圖6與圖7分別為不同室外溫度條件下的系統制冷量/制熱量，圖中可以看出，引起系統制冷量/制熱量變化的主要因素為室外溫度變化。

圖6　夏季室外溫度與空調系統制冷量

圖7　冬季室外溫度與空調系統制熱量

如圖所示，空調系統的制冷量隨室外溫度的變化而變化，當室外溫度比較低的時候，空調系統制冷量最低只有3.5 kW，隨著室外溫度的升高，空調系統制冷量最高達到了34.07 kW；系統制熱量在室外溫度最高時達到了最低，為5.43 kW，隨著室外溫度下降，制熱量最高達到了23.8 kW。由于熱泵機組在不同負荷率的工況下運行性能是不一樣的，因此，室外溫度變化導致的系統負荷變化，將引起空調系統性能的改變。

3.4變工況下熱泵空調系統性能曲線

由于在實際工程中，建筑負荷不是一個定值，而是如上面分析一樣，隨著環境變化而變化，因此，部分負荷性能是評價空調系統性能是否高效的標準之一。其中，熱泵機組的部分負荷性能最受關注。

目前廣泛采用的是熱泵機組部分負荷性能評價指標IPLV，其計算公式如式(3)：

A——冷水機組在100%負荷下的COP/EER；

B——冷水機組在75%負荷下的COP/EER；

C——冷水機組在50%負荷下的COP/EER；

D——冷水機組在25%負荷下的COP/EER；

a、b、c、d——權重系數，通常，a取2.3%，b取41.5%，c取46.1%，d取10.1%。

通過該公式計算得出的IPLV值，可以簡單直觀地體現熱泵機組的部分負荷性能，方便用戶等非專業人員判斷空調是否高效節能。然而，對于專業設計選型及研究人員，該值僅能作為初步判斷的依據。在實際工程中，不同類型和用途的建筑負荷變化情況具有很大差別，因此需要更為詳實的熱泵機組部分負荷性能曲線。

部分負荷率的定義為：機組實際制冷量與機組在相同工況條件下的最大制冷量的比值。按照此定義，一條部分負荷性能曲線僅能表達機組在一種運行工況下的性能變化。然而，實際工程中，空調系統是在變工況情形下運行的，因此，本文提出循環效率-機組負載率曲線，以方便直觀地表現熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性。

假設：1）影響機組性能的因素主要為室外溫度、供水溫度和熱泵機組變負載率性能；2）熱泵機組最大功率為定值，不隨運行環境變化而改變。

根據以上假設，計算熱泵機組的循環效率η，用以表征熱泵機組制冷循環的熱力學完善度，可通過式(4)得到：

其中COPe為機組在相同冷熱源溫度情況下的逆卡諾循環效率，計算方法見式(5)：

式中：

Ts——熱泵機組供水溫度，K；

To——室外溫度,K。

熱泵機組負載率ηp由式(6)得出：

式中：

Pa——熱泵機組實際功率，kW；

Pm——熱泵機組最大功率，kW。

最終，可以得到如圖8所示的熱泵機組循環效率在不同負載率下的分布圖及分布規律擬合曲線。從圖中可以看到，熱泵機組制冷循環效率與負載率之間存在一一對應的關系，隨著機組負載率的上升，熱泵機組制冷循環效率呈規律性變化。也就是說，用機組循環效率-負載率曲線來表達熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性的方案是切實可行的。

圖8　熱泵機組制冷循環效率與負載率

通過擬合曲線，在已知室外溫度、供水溫度及機組制冷量的情況下，研究設計人員可以方便地計算得到熱泵機組在不同制冷工況和負荷情況下的制冷性能，從而對建筑空調系統提出優化設計。同時，由于使用循環效率作為機組性能評價標準，便于直接比較不同種類空調主機的制冷性能。

3.5運行能耗分析

分析優化熱泵機組的性能，對于建筑節能有著重要的意義。在建筑能耗中，空調系統能耗占絕大部分，其中，空調主機占比最大。選取典型日數據進行分析說明。當天，空調系統工作時間為7:30～18:00，室外最高溫度為36℃。通過整理計算可以得到當日空調系統及建筑各部分的能耗，表3為建筑能耗與空調能耗，圖9為當日建筑能耗占比圖。從中可以看到，在系統運行時間段內，空調系統能耗為103.63 kW·h，占了建筑能耗的48%，若除去通訊機房能耗，則空調系統的能耗占比達到了69.6%。通過觀察空調系統全年運行的數據可以發現，空調系統的平均能耗為82.32 kW·h，相比于建筑的平均能耗，其占比為43.5%；空調系統能耗在建筑能耗中的比重最高的時候達到了80.8%，最小是19%。由此可見，如果想要減小建筑能耗，節約用電，減少空調系統能耗是最為值得考慮和研究的方面。

圖9　建筑能耗占比圖

表3　建筑能耗與空調能耗

空調系統的能耗由變水流量熱泵機組（VWV）能耗、水泵能耗、新風機組（AHU）能耗與室內空調末端風機盤管機組（FCU）能耗4部分組成，從圖中可以看到，熱泵機組能耗為空調系統能耗的主要部分，占了建筑總能耗的27%，其次是水泵能耗和新風機組能耗，分別占了9%和11%，最低的為室內末端能耗。因此，要想降低空調系統能耗，最有效的就是提高熱泵機組本身的制冷性能，或降低熱泵機組能耗，減少熱泵機組需要制造的冷量，節約用電。

4　結論

1）空氣源熱泵空調系統能夠滿足建筑夏季制冷及冬季制熱需求，并且室內溫度及相對濕度滿足舒適性要求；

2）系統季節能效比SEER為2.13，全年能源消耗率APF為2.05，在上海地區選用空氣源熱泵空調系統為建筑全年提供舒適的室內環境，是切實可行的；

3）本文使用循環效率-機組負載率曲線來表達熱泵機組在變工況、變負荷情形下的性能變化特性的方法，可以方便地計算得到熱泵機組在不同制冷工況和負荷情況下的制冷性能，有助于建筑空調系統的優化設計；

4）熱泵空調系統的平均能耗為82.32 kW·h，占建筑夏季平均能耗的43.5%，其中，熱泵機組能耗最大，其次為新風機組，減少系統能耗應當優先從這兩方面入手。

[1] LI X Y,NI L,LAU S K,et al. Performance analysis of a multi-functional Heat pump system in heating mode[J]. Applied Thermal Engineering,2013,51(1/2): 698-710.

[2] MARINI D. Optimization of HVAC systems for distributed generation as a function of different types of heat sources and climatic conditions[J]. Applied Energy,2013,102(1): 813-826.

[3] 王如竹,張川,翟曉強. 關于住宅用空氣源熱泵空調、供暖與熱水設計要素的思考[J]. 制冷技術,2014,34(1): 32-41.

[4] 錢付平,范樹華,張吉光. 空氣源熱泵空調系統節能分析[J]. 能源研究與信息,2004,20(1): 23-27.

[5] BYRNE P,MIRIEL J,LENAT Y. Experimental study of an air-source heat pump for simultaneous heating and cooling – Part 1: Basic concepts and performance verification[J]. Applied Energy,2011,88(1): 1841-1847.

[6] 安青松,馬一太. 空氣源熱泵系統最低工作溫度的研究[J]. 暖通空調,2007,37(11): 49-52.

[7] 張曉林,翟曉強,徐鵬飛. 基于TRNSYS 的空氣源熱泵空調系統仿真研究[J]. 制冷技術,2015,35(6): 31-36.

[8] 范晨,梁彩華,江楚遙,等. 空氣源熱泵結霜/除霜特性的數值模擬[J]. 制冷技術,2014,34(1): 18-25.

[9] SONG M J,XU X G,DENG S M,et al. An Experimental Study on Performance During Reverse Cycle Defrosting of an Air Source Heat Pump with a Horizontal Threecircuit Outdoor Coil[J]. Energy Procedia,2014,61: 92-95.

[10] SAFA A A,FUNG A S,KUMAR R. Performance of two-stage variable capacity air source heat pump: Field performance results and TRNSYS simulation[J]. Energy and Buildings,2015,94 (1): 80-90

[11] JENKINS D,TUCKER R,AHADZI M,et al. The performance of air-source heat pumps in current and future offices[J]. Energy and Buildings,2008,40(10): 1901-1910.

[12] 曾傳章,吳錦京,魏新利. 空氣源熱泵直接地板輻射采暖系統實驗研究及熱力性能分析[J]. 太陽能學報,2011,32(8): 1151-1157.

[13] 張川,陳金峰,王如竹. 上海地區空氣源熱泵結合小溫差換熱風機盤管末端的供暖空調系統性能的實驗研究[J]. 制冷技術,2014,34(1): 1-5.

[14] 吳靜怡,江明旒,王如竹,等. 空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[J]. 制冷學報,2009,30(5): 14-18.

[15] 王曉東,張晨陽,張哲,等. 空氣源熱泵性能的實驗研究[J]. 暖通空調,2014,44(5): 119-123.

[16] 浙江省建筑設計研究院. 辦公建筑設計規: JGJ 67-2006[S]. 北京: 中國建筑工業出版社,2006: 18-19.

[17] 衛生部、國家環?？偩? 室內空氣質量標準: GB/T 18883-2002[S]. 北京: 中國標準出版社,2002: 2-3.

Experimental Study on Annual Performance of an Air-source Heat Pump Air Conditioning System

WANG Xiao-hong*,ZHAI Xiao-qiang
(Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In this paper,the annual performance of an air-source heat pump air conditioning system in cooling and heating conditions is investigated in an office building in Shanghai. The results show that the air-source heat pump air conditioning system could satisfy the cooling and heating demand of the office building,and it could provide a uniform and stable indoor environment condition all year. Meanwhile,this system could adjust cooling/heating power with building load； the system can provide more cooling power at higher outdoor temperature in cooling conditions and more heating power at lower outdoor temperature in heating conditions. Moreover,a method is proposed to evaluate the system performance by cycle efficiency curve and load rate of heat pump,which can directly show the performance of heat pump under different conditions and loads.

Air-source heat pump； Part load performance； Cycle efficiency； Indoor environment

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.101

*王曉洪（1992-），女，碩士在讀。研究方向：建筑節能及空調系統。聯系地址：上海市東川路800號上海交通大學制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯系電話：15000378461。Email：xhwang06@126.com。