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
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50～80%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10000
m2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
1
2
3
4
5
6
7
室外气温区间（℃）
＞5
5～0
0～-5
-5～-10
-10～-15
-15～-20
-20～-25
分布小时数（h）
257
374
598
1218
828
305
92
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
1
2
3
11
12
干球温度（℃）
-12.4
-9.2
-2.1
-1.4
-9.7
相对湿度（%）
81.7
73.9
74.9
74.4
79.0
含湿量（g/kg）
1.31
1.42
2.83
2.87
1.49
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数。室外空气干球温度（tg）、相对湿度（φ）是影响热泵结霜的重要因素。结霜温度范围为-12.8℃≤tg≤-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φ＜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。-5℃＜tg＜5℃范围内，φ＞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-12.8℃≤tg≤-5.8℃，φ≥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-5℃＜tg＜5℃，φ≥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%；
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0.90～0.95。
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；
cop1～cop7 —空气源热泵机组在各室外气温区间的运行能效；
n1～n7 —各室外气温区间的分布小时数，（h）；
N—供暖期总时数，（h）。
下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
1
2
3
4
5
6
7
室外气温区间（℃）
＞5
5～0
0～-5
-5～-10
-10～-15
-15～-20
-20～-25
分布小时数（h）
257
374
598
1218
828
305
92
热泵机组制热量（KW）
250.1
228.1
204.2
181.0
175.9
165.8
152.0
热泵结霜除霜系数
1.0
0.90
0.90
0.95
0.95
0.95
0.95
热泵机组运行能效
3.45
2.84
2.54
2.38
2.31
2.18
2.00
表1.2中，-5℃＜tg＜5℃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
1
2
3
4
5
6
7
室外气温区间（℃）
＞5
5～0
0～-5
-5～-10
-10～-15
-15～-20
-20～-25
分布小时数（h）
257
374
598
1218
828
305
92
建筑热负荷需求（KW）
150.6
200.0
254.5
306.5
358.4
400.0
400.0
热泵机组运行能效
2.54
2.31
2.00
结霜除霜系数
0.90
0.95
0.95
热泵机组容量（KW）
244.4
244.4＋144.9＝389.3
244.4＋144.9＋74.9＝464.2
注：表中热泵机组容量为名义工况下的容量。

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