梁士民：超低溫空氣源熱泵在京津冀地區(qū)的應用問題及對策

  內(nèi)容提要

  北京工業(yè)大學建筑環(huán)境與能源應用工程系博士梁士民出席“熱立方杯”第六屆中國空氣源熱泵供暖高峰論壇，發(fā)表題為《空氣源熱泵在京津冀地區(qū)應用問題及對策》的演講，他介紹到，空氣源熱泵已成為我國京津冀“煤改電”利用、長江流域解決供暖問題的重要節(jié)能技術(shù)。然而，空氣源熱泵實際運行工況偏離名義工況，在實際應用過程中存在結(jié)除霜、臟堵等運行問題和機組選型不當、控制策略不佳等設計問題，他針對典型問題進行分析并提出應對策略。以下為演講實錄。

  我所在課題組以HVAC系統(tǒng)高效運行與優(yōu)化控制、綠色建筑可再生能源利用關(guān)鍵技術(shù)與能效評價為主要研究方向，以空氣源熱泵高效利用和良性發(fā)展為目標，致力于解決結(jié)除霜、臟堵等關(guān)鍵問題。我們課題組曾負責北京地區(qū)首批“煤改電”空氣源熱泵工程的測評工作，主編國內(nèi)首部空氣源熱泵專著《空氣源熱泵技術(shù)與應用》，還編制了行業(yè)標準《空氣源熱泵供暖工程技術(shù)規(guī)程》和一些地方標準。我們團隊主要有兩個研究方式，即現(xiàn)場工程實測和模擬，進行現(xiàn)場實測的工程中，最長的工程已經(jīng)檢測了八個供暖季，這一塊的數(shù)據(jù)是相當豐富的。

  空氣源熱泵應用及典型問題

  我國住建部于2015年將空氣源熱泵列入到可再生能源技術(shù)中，目前，超低溫空氣源熱泵已成為我國京津冀“煤改電”利用、長江流域和川西藏區(qū)解決供暖問題的重要節(jié)能技術(shù)。本來我國的空氣源熱泵需求量就比較高，在政府“煤改電”政策的扶持下，空氣源熱泵出現(xiàn)了井噴式的增長。

  空氣源熱泵作為一個高效節(jié)能的技術(shù)，在名義工況下非常高效，并且相關(guān)的規(guī)范、標準要求也相當明確。但看上面兩張圖，這個圖是北京和石家莊的圖片，可以看到空氣源熱泵在運行過程中的實際工況嚴重偏離了名義工況，這個也會造成機組在設計和運行中出現(xiàn)一定的問題。

  針對這個問題，我們做了以下總結(jié)：空氣源熱泵在設計工況(名義工況)下是高效的，但實際運行中存在一些問題，主要有結(jié)霜導致COP衰減，下降35%～55%;除霜也會引起室內(nèi)環(huán)境溫度的波動，當然如果除霜邏輯不準確，還會造成誤除霜，COP出現(xiàn)18%～28%的衰減。

  設計問題包括設計工況偏離實際運行工況，造成機組選型不合理;控制策略不佳，系統(tǒng)與用戶的供需不同步;熱損控制不當，水箱、輸配管道熱損過大等。

  空氣源熱泵的典型問題分析

  這幾張圖片是針對北京、石家莊、天津以及張北地區(qū)的實際運行工況做了一個分析，藍色點是典型年的實際運行工況，白色的區(qū)域是結(jié)霜區(qū)，下面代表非結(jié)霜區(qū)�？梢钥吹竭@四個地方的結(jié)霜區(qū)占比都在40%以上，也就是它的結(jié)霜工況是非常多的。如果機組在運行過程中除霜策略控制不準確，就會帶來一系列的問題。

  目前理想的除霜控制策略應該是遵循這樣的工作流程：感知霜層存在→監(jiān)測霜層增長→判定最佳除霜控制點→除霜。目前第一階段感知霜層存在做得非常好，第二階段監(jiān)測霜層生長這一塊可能不是非常準確，對于最佳除霜控制點目前也基本是靠經(jīng)驗判斷，缺少理論研究，我們針對這一塊也開展了相應的研究。

  我們針對常規(guī)的除霜策略、溫度—時間除霜控制方法也做了一個分析，針對不同的工況，也針對不同地區(qū)的誤除霜做了一個統(tǒng)計。通過對寒冷地區(qū)一些典型的代表性城市所做的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在寒冷地區(qū)主要是以無霜除霜為主;而對于夏熱冬暖地區(qū)，主要是有霜不除，因為濕度比較大。

  另一個運行問題是臟堵問題，這個問題非常常見，但特別容易被忽略。我們在實際工程中發(fā)現(xiàn)臟堵情況還是挺嚴重的，臟堵形成過程復雜，臟堵劣化影響被忽視，多數(shù)機組沒有臟堵故障診斷功能，僅提示“定期清潔和維護”。

  我們針在供冷季針對機組的臟堵問題進行了測試，發(fā)現(xiàn)機組在臟堵狀態(tài)下引發(fā)機組軟故障和硬故障。另外，相比于沒有臟堵情況的機組，有臟堵帶來的制熱量損失大概是5%～18%，供冷季臟堵故障未及時清除，機組日平均COP逐漸下降，最低僅1.92。

  在供暖季臟堵還會帶來另一個影響，就是促進結(jié)霜。機組在供暖季沒有清垢，發(fā)現(xiàn)本來不結(jié)霜的工況下?lián)Q熱器的表面出現(xiàn)了結(jié)霜現(xiàn)象，說明臟垢會促進結(jié)霜。測試發(fā)現(xiàn)，在臟堵狀態(tài)下機組頻繁出現(xiàn)臟霜共存現(xiàn)象，運行性能劣化嚴重，平均COP僅2.08。

  另外是設計問題，第一個問題是機組選型問題。常用方法一是根據(jù)干球溫度、融霜、相對濕度，但這個方法還是存在一定缺陷的，融霜系數(shù)并不是根據(jù)實際的除霜情況選取，這樣必然造成修正不準確，最終造成選型的問題。常用方法二是根據(jù)干球溫度和化霜的修正系數(shù)，問題是沒考慮機組結(jié)霜損失，導致選型超配。

  設計問題中的第二個問題是控制策略設計不當，熱水機組簡單改型，冷凝器位于水箱內(nèi)，機組啟停根據(jù)水箱溫度控制，水泵啟停根據(jù)回水溫度控制，存在水泵頻繁啟停問題。測試期內(nèi)水泵日平均啟停65次，最高可達184次。典型日的6個小時內(nèi)機組啟停47次，水溫波動明顯。

  設計問題之三是系統(tǒng)漏熱比較明顯，水箱保溫性差、管路未保溫導致系統(tǒng)漏熱嚴重。

  空氣源熱泵問題的應對策略

  針對上述問題，我們已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的應對策略，針對機組開發(fā)，應當從改善換熱條件、改進壓縮機技術(shù)、抑制機組結(jié)霜、提升低溫性能等方面入手。

  然后是開發(fā)一些高效的控霜策略，受環(huán)境溫度、濕度、風速、空氣清潔度等多種因素的影響。我們開發(fā)了三種除霜策略，第一種是“光-電轉(zhuǎn)換”測霜技術(shù)，第二種是THT控霜技術(shù)，第三種是TTT控霜技術(shù)。

  首先是“光-電轉(zhuǎn)換”測霜技術(shù)，光電控制器裝在分葉管上，沒有霜的情況下電壓信號是無遮擋的，隨著霜高的不斷增加，電源情況是逐漸增加的，達到一定程度后進行除霜，除霜是依據(jù)霜的實際生長高度進行的，所以這個技術(shù)可以實時檢測霜的生長。再就是THT控霜技術(shù)，依據(jù)環(huán)境溫度、濕度、時間這三個參數(shù)進行開發(fā)的。還開發(fā)了TTT控霜技術(shù)，根據(jù)盤管溫度、進風溫度、出風溫度反映換熱器的效率，運行效果也非常好。

  針對臟堵問題我們開發(fā)了相關(guān)臟堵的診斷方法。空氣源熱泵性能劣化受臟堵程度和環(huán)境溫度共同影響，臟堵程度增加使運行參數(shù)發(fā)生1%～121%不同程度劣化，除垢點為臟堵程度超過40%。我們要開發(fā)這個策略就是把空氣、環(huán)境溫度的影響屏蔽掉，就開發(fā)了TTT臟堵故障診斷法。利用TTT方法可合理指導臟堵故障清除，使COP提升了10%;相比于未使用診斷方法，使機組供冷季的平均COP提升了11%。

  對于系統(tǒng)優(yōu)化我們也提倡系統(tǒng)合理配置、末端合理設計、能源合理利用�？傊�，空氣源熱泵是高效的可再生能源利用技術(shù)，具有廣闊的應用空間和價值，其設計問題(機組選型、控制設計、系統(tǒng)漏熱等)不可忽視，典型應用問題(機組結(jié)霜、誤除霜、臟堵等)不可避免，要從機組開發(fā)、設計優(yōu)化、技術(shù)應用等層面入手，發(fā)揮其巨大的節(jié)能潛力。

  未來，需要開發(fā)、設計、運行多方面的協(xié)同合作以及政府、企業(yè)、高校、科研院所、協(xié)會多層面的協(xié)同合作，共同推動超低溫空氣源熱泵技術(shù)在京津冀地區(qū)的高效應用和良性發(fā)展。