1 空氣源熱泵的關(guān)鍵運(yùn)行問題

空氣源熱泵(ASHP)以環(huán)境空氣為低溫?zé)嵩?，其運(yùn)行受環(huán)境空氣溫度、濕度、潔凈度等因素影響，會出現(xiàn)結(jié)霜、誤除霜、低溫運(yùn)行、臟堵等問題，導(dǎo)致其運(yùn)行性能嚴(yán)重劣化，如圖1所示。

圖1 空氣源熱泵的關(guān)鍵運(yùn)行問題

2 空氣源熱泵的典型案例分析

本文結(jié)合北京地區(qū)2個實(shí)際運(yùn)行案例，分析ASHP機(jī)組在全工況下運(yùn)行的實(shí)際性能，揭示各關(guān)鍵運(yùn)行問題對ASHP運(yùn)行性能的影響，并總結(jié)系統(tǒng)在供暖季與供冷季的運(yùn)行性能及能耗。

2.1 工程簡介

典型案例1為北京地區(qū)一棟小型辦公建筑，含辦公室11間，總空調(diào)面積為185 m2，空調(diào)供暖系統(tǒng)為空氣源熱泵加地板輻射/風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，機(jī)組額定制熱量/制冷量為14 kW/12.5 kW，額定制熱/制冷功率為4.45 kW/4.25 kW;典型案例2同樣為北京地區(qū)一棟小型辦公建筑，含辦公室10間，總空調(diào)面積為215 m2，空調(diào)供暖系統(tǒng)為空氣源熱泵加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，額定制熱量/制冷量為19.6 kW/15.6 kW，額定制熱/制冷功率為6.8 kW/5.18 kW。2個案例中使用的ASHP機(jī)組均為商用品牌機(jī)，配置常規(guī)的溫度時(shí)間控霜技術(shù)，壓縮機(jī)為定速渦旋式壓縮機(jī)，制冷劑為R22，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。筆者對2個ASHP系統(tǒng)空氣側(cè)、制冷劑側(cè)、水側(cè)的運(yùn)行參數(shù)以及能耗、室外換熱器結(jié)霜、臟堵情況等進(jìn)行了連續(xù)4年(2012—2016年)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，現(xiàn)將運(yùn)行問題整理如下。

圖2 空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖

2.2 結(jié)霜對機(jī)組運(yùn)行性能的影響

為揭示結(jié)霜情況下ASHP機(jī)組的運(yùn)行性能，選擇室外環(huán)境平均干球溫度為2 ℃、濕球溫度為1 ℃的結(jié)除霜工況對典型案例進(jìn)行測試。得到在該工況下典型案例1機(jī)組的運(yùn)行性能變化曲線?？梢钥闯觯航Y(jié)霜導(dǎo)致機(jī)組空氣側(cè)、制冷劑側(cè)的參數(shù)發(fā)生連鎖變化，致使空氣側(cè)壓差升高115%～120%;盤管溫度下降約14 ℃，低至-24 ℃;壓縮機(jī)吸氣溫度下降9～10 ℃，低至-19 ℃;排氣溫度升高30%～31%，達(dá)到高溫危險(xiǎn)閾值120 ℃;吸氣壓力下降58%～62%，接近低壓報(bào)警閾值0.1 MPa;排氣壓力增加12%，壓縮比高達(dá)9.8，超過限值8.0。吸/排氣壓力的變化從另一方面說明，機(jī)組在結(jié)霜過程中，為保證吸氣過熱度，調(diào)節(jié)了節(jié)流裝置，引起制冷劑質(zhì)量流量顯著降低，導(dǎo)致機(jī)組制熱性能衰減。以上現(xiàn)象直接導(dǎo)致機(jī)組制熱量和性能系數(shù)COP衰減35%～40%。由此可見，ASHP機(jī)組在結(jié)除霜工況下運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行特性參數(shù)已顯著偏離正常工況，并導(dǎo)致制熱量和COP顯著衰減，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運(yùn)行和制熱性能。

2.3 誤除霜對機(jī)組運(yùn)行性能的影響

為有效診斷ASHP的誤除霜事故，分區(qū)域結(jié)霜圖譜被提出并得到驗(yàn)證。該圖譜基于室外環(huán)境溫濕圖，由“兩線、三區(qū)、五域”組成，即臨界結(jié)露線、臨界結(jié)霜線，非結(jié)霜區(qū)、結(jié)露區(qū)和結(jié)霜區(qū)，以及結(jié)霜區(qū)內(nèi)細(xì)化的5個不同結(jié)霜程度區(qū)域——重霜區(qū)、一般結(jié)霜區(qū)(Ⅰ，Ⅱ)和輕霜區(qū)(Ⅰ，Ⅱ)。在北京地區(qū)2015—2016年供暖季ASHP的實(shí)際運(yùn)行中，43%的運(yùn)行工況處于結(jié)霜區(qū)，51%的運(yùn)行工況處于非結(jié)霜區(qū)，僅6%的運(yùn)行工況處于結(jié)露區(qū)。一般情況下，有霜不除事故常發(fā)生于重霜區(qū)，而無霜除霜事故常發(fā)生于輕霜區(qū)和非結(jié)霜區(qū)。

典型案例1中ASHP機(jī)組在2012—2013年供暖期內(nèi)連續(xù)60 d的除霜統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，機(jī)組共有31 d出現(xiàn)全天周期性的無霜除霜事故，平均除霜29次/d。測試期內(nèi)，機(jī)組共除霜1 737次，其中1 211次為無霜除霜事故，占總除霜次數(shù)的70%，其中發(fā)生在非結(jié)霜區(qū)和輕霜區(qū)的無霜除霜事故分別占61%和9%。機(jī)組因無霜除霜事故造成的能耗損失為266 kW•h，占總能耗的4.3%;有效供熱量損失為1 950 MJ，占總供熱量的3.5%，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤高達(dá)0.36 kg/m2。

典型案例1中ASHP機(jī)組在有霜不除事故下連續(xù)運(yùn)行9 h的運(yùn)行性能變化曲線。測試期內(nèi)，室外環(huán)境工況處于重霜區(qū)(平均溫度為1.1 ℃，相對濕度為87%)，機(jī)組連續(xù)發(fā)生有霜不除事故。結(jié)果顯示：有霜不除事故導(dǎo)致機(jī)組排氣溫度超過高溫危險(xiǎn)閾值120 ℃，而吸氣溫度低至-20 ℃，且不斷波動，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行;同時(shí)引起制熱量下降49%～55%，COP衰減44%～50%(低至1.49)，造成機(jī)組的供熱性能嚴(yán)重衰減，影響了ASHP機(jī)組的高效利用。

2.4 低溫對機(jī)組運(yùn)行性能的影響

為揭示ASHP機(jī)組在實(shí)際低溫工況下的運(yùn)行性能，選擇典型案例2中ASHP機(jī)組在2015—2016年供暖季內(nèi)持續(xù)3 d低溫寒潮預(yù)警期內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。測試期內(nèi)，室外環(huán)境溫度：工況1為-6.61～-5.09 ℃，工況2為-10.39～-8.75 ℃，工況3為-12.44～-15.2 ℃，其中工況3環(huán)境溫度低于低溫ASHP機(jī)組的名義工況-12℃，為最冷低溫工況。機(jī)組的供/回水溫度、吸氣溫度、吸/排氣壓力以及制熱量和COP均隨環(huán)境溫度的降低而整體降低，而排氣溫度和壓縮比顯著升高。最冷低溫工況下，機(jī)組的排氣溫度平均值為118.5 ℃，最高達(dá)124 ℃，壓縮比平均值為11.04，最高達(dá)11.77，機(jī)組已無法正常安全運(yùn)行;制熱量平均值僅為9.89 kW，最低至8.82 kW，下降幅度達(dá)55%，COP平均值為1.71，最低僅1.46，供熱性能衰減嚴(yán)重。

2.5 臟堵對機(jī)組運(yùn)行性能的影響

通過2015年供冷季2個典型案例中機(jī)組的室外換熱器日平均空氣側(cè)壓差及臟堵形成情況。可以得出：典型案例1中機(jī)組在供冷季逐漸形成臟堵，導(dǎo)致室外換熱器空氣側(cè)壓差增加29 Pa，升高118%，供冷季結(jié)束時(shí)機(jī)組的臟堵覆蓋面積達(dá)65%;而典型案例2中系統(tǒng)由于用戶供冷需求提前開啟，機(jī)組受“飛絮”影響，在供冷季前期迅速形成臟堵，導(dǎo)致室外換熱器空氣側(cè)壓差增加24 Pa，升高230%，供冷季中期時(shí)機(jī)組的臟堵覆蓋面積已高達(dá)95%，為保證機(jī)組的高效運(yùn)行，需將室外換熱器臟堵被動式清除。

為揭示ASHP機(jī)組在臟堵問題下的運(yùn)行性能，對典型案例2中機(jī)組供冷季中期的運(yùn)行情況進(jìn)行了監(jiān)測。為對比分析非臟堵和臟堵的影響，同時(shí)監(jiān)測了與該案例相同規(guī)格的非臟堵機(jī)組的運(yùn)行情況。測試期內(nèi)，選擇常溫(29～35 ℃)和高溫(35～37 ℃)2種典型工況進(jìn)行分析，在常溫工況下對2臺機(jī)組同時(shí)進(jìn)行了24 h測試，在高溫工況下對臟堵機(jī)組進(jìn)行了2 h測試。臟堵機(jī)組和非臟堵機(jī)組的制冷量、壓縮機(jī)功率及COP均呈現(xiàn)波動性變化，這是由于機(jī)組制冷性能受室外環(huán)境溫度變化的影響，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，壓縮機(jī)功率增大，而制冷量和COP均下降;常溫工況下臟堵導(dǎo)致機(jī)組制冷量下降5%～18%，壓縮機(jī)功率升高13%～21%，而COP衰減18%～28%，最低降至1.8，嚴(yán)重影響了機(jī)組的制冷性能，造成能源浪費(fèi)。

在高溫臟堵工況下，機(jī)組壓縮機(jī)排氣壓力過高，超過高壓報(bào)警閾值2.6 MPa，連續(xù)發(fā)生了5次停機(jī)事故，頻率高達(dá)2.5次/h，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生硬故障。在16：00—17：00期間，室外環(huán)境平均溫度為35.9 ℃，機(jī)組共發(fā)生2次停機(jī)事故;而在17：00—18：00期間，室外環(huán)境平均溫度為36.4 ℃，機(jī)組共發(fā)生3次停機(jī)事故。可見，高溫工況下臟堵使機(jī)組極易發(fā)生高壓報(bào)警停機(jī)事故，且環(huán)境溫度越高，事故發(fā)生頻率越高。臟堵導(dǎo)致的硬故障使機(jī)組失去制冷能力，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常供冷。

2.6 性能及能耗分析

ASHP性能一般隨著不同季節(jié)的室外環(huán)境溫度變化整體先下降后上升，但由于受結(jié)霜、誤除霜、低溫運(yùn)行、臟堵等問題的影響，其供熱和供冷性能均處于較低水平，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗顯著增加。圖3給出了2015—2016年供暖季與供冷季典型案例1中機(jī)組的性能系數(shù)及系統(tǒng)能耗?？梢钥闯觯涸诠┡?，機(jī)組受結(jié)霜、誤除霜頻繁等問題的影響，日平均COP均值僅為2.32，并隨著供暖季室外環(huán)境溫度的降低而減小，在低溫工況下降至最低值1.83，系統(tǒng)的日平均單位面積能耗達(dá)0.58 kW•h/m2;在供冷季，機(jī)組主要受室外換熱器臟堵的影響，日平均COP均值僅為2.64，并隨著臟堵的逐漸形成而顯著下降，最低值為2.29，系統(tǒng)日平均單位面積能耗達(dá)0.49 kW•h/m2。

圖3 2015—2016年供暖季與供冷季機(jī)組性能及系統(tǒng)能耗(典型案例1)

圖4給出了2015—2016年供暖季與供冷季典型案例2中ASHP機(jī)組的性能系數(shù)及系統(tǒng)能耗?？梢钥闯觯涸诠┡?，機(jī)組同樣受結(jié)霜、誤除霜頻繁等問題的影響，日平均COP均值僅為2.63，并隨著供暖季室外環(huán)境溫度的降低而減小，在低溫工況下達(dá)到最低值1.71，系統(tǒng)的日平均單位面積能耗達(dá)0.55 kW•h/m2;在供冷季前期，機(jī)組受室外換熱器臟堵逐漸形成的影響，日平均COP逐漸下降，在高溫臟堵工況下降至最低值1.95，而在臟堵清除后，機(jī)組日平均COP顯著提高，整個供冷季機(jī)組的日平均COP均值提升至2.83，系統(tǒng)的日平均單位面積能耗為0.45 kW•h/m2。

圖4 2015—2016年供暖季與供冷季機(jī)組性能及系統(tǒng)能耗(典型案例2)

3 空氣源熱泵關(guān)鍵運(yùn)行問題的應(yīng)對策略

針對ASHP實(shí)際運(yùn)行中結(jié)霜頻繁、誤除霜事故頻發(fā)、低溫適用性差、臟堵下性能劣化嚴(yán)重等問題，結(jié)合結(jié)霜、誤除霜、低溫、臟堵等工況下機(jī)組的運(yùn)行特性，提出以下應(yīng)對策略：

1)有效抑霜和高效控霜技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用?；诜謪^(qū)域結(jié)霜圖譜，對機(jī)組設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化ASHP機(jī)組關(guān)鍵部件配比，縮小結(jié)霜區(qū)域，有效降低結(jié)霜頻率;開發(fā)直接測霜技術(shù)和準(zhǔn)確的軟測量技術(shù)，解決誤除霜事故頻發(fā)問題，例如光電轉(zhuǎn)換(TEPS)和環(huán)境溫度、濕度、時(shí)間(THT)等控霜新技術(shù)等。

2)先進(jìn)低溫運(yùn)行技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用。開發(fā)新型低溫高效壓縮機(jī)技術(shù)和耦合系統(tǒng)，突破ASHP在低溫環(huán)境中壓縮比過大、性能低下等技術(shù)瓶頸，可適當(dāng)推廣準(zhǔn)雙級壓縮機(jī)熱泵、雙級壓縮機(jī)熱泵、單雙級耦合熱泵系統(tǒng)，或利用低溫變頻、噴氣增焓技術(shù)等，有效改善ASHP的工作條件，保障ASHP低溫環(huán)境下穩(wěn)定高效運(yùn)行，拓寬其應(yīng)用地域。

3)臟堵故障檢測與診斷技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。探尋臟堵形成機(jī)理，準(zhǔn)確掌握ASHP臟堵下性能劣化規(guī)律，判斷最佳除垢時(shí)機(jī)，開發(fā)臟堵故障檢測技術(shù);基于臟堵形成過程易測特征參數(shù)的變化規(guī)律，開發(fā)實(shí)用型臟堵故障診斷技術(shù)，避免臟堵導(dǎo)致的軟故障和硬故障發(fā)生，保證ASHP供冷季穩(wěn)定高效運(yùn)行。

4)先進(jìn)技術(shù)集成開發(fā)和應(yīng)用示范。集成先進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化ASHP系統(tǒng)控制，使其適應(yīng)室外環(huán)境溫度、濕度等變化，動態(tài)調(diào)整運(yùn)行策略，有效解決結(jié)霜、誤除霜、低溫及臟堵等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)ASHP技術(shù)的全工況高效適用。

本文來源于：暖通空調(diào)