曾   昱1     刘   猛1      赵密升2       李建国2       陈微微2       张泳洋2

  (1．重庆大学，重庆；2．广东纽恩泰新能源科技发展有限公司，广州)

摘要：在空气源热泵机组性能检测实验室，对 2 205 、3 675 kW空气源热泵分别采用直供形 式、增设 100 L缓冲水箱、增设 150 L缓冲水箱的性能进行了实验，探究了增设不同容量缓冲水 箱及不同运行模式对热水型空气源热泵运行性能的影响 。结果表明：在－6 ℃环境温度工况下， 3 675 kW机组增设 100 、150 L缓冲水箱较直供形式，制热量分别下降 9．6％ 、10．2％ ，COP分别 下降 9．5％ 、9．9％ ；2 205 kW机组增设 100 L缓冲水箱后制热量下降 6．3％ ，COP下降 7．0％ 。 较连续运行模式，间歇运行模式 2在直供、增设 100 L水箱、增设 150 L水箱 3种情况下，机组制 热量分别提升 2．5％ 、4．5％ 、5．0％ ，COP分别提升 1．8％ 、3．7％ 、4．5％ 。

关键词：空气源热泵；缓冲水箱；容量；低环境温度；间歇运行；制热量；性能系数(COP)

Abstract: In the performance testing laboratory of air source heat pump units, the experiments are carried out on the performance of 2 205 kW and 3 675 kW air-source heat pumps with direct supply and 100 land 150 L buffer tanks respectively to explore the effects of adding different capacity buffer tanks and different operation modes on the operation performance of hot water air-source heat pumps. The results show that when the ambient temperature is 6 C , the heating capacity of the 3 675 kW unit adding 100 L and 150L buffer tank decreases by 9.6% and 10.2% than that of the direct supply , respectively, and the COP decreases by 9.5% and 9. 9%, respectively, After the addition of a 100 L buffer tank, the heating capacity of the 2 205 kW unit decreases by 6.3% and COP decreases by 7.0% compared with the direct supply, Compared with the continuous operation mode, the heating capacity of the intermittent operation mode 2 in direct supply, adding 100 L and 150 L buffer tank increases by 2.5%, 4.5% and 5.0%,respectively, and the COP increases by 1.8%,3.7% and 4.5%, respectively.

Keywords: air-source heat pump;buffer tank; capacity;low ambient temperature; intermittent operation: heating capacity: COP

 

引言

国家为推动全面清洁供暖，以改善区域环境空 气质量为核心，以减少重污染天气为重点，多措并 举强化冬季大气污染防治，全面降低区域污染排放 负荷。

空气源热泵是清洁供暖的重要设备，空气源热 泵具有节能环保的特点，但在我国北方的低温寒冷地区使用仍然存在适用性的限制 。  由于北方农村 地区围护结构保温性能相对较差，导致部分用户反 映供暖效果欠佳；运行过程中缺乏合理的运行调节 策略，导致运行能耗及运行费用较高 。   目前北方农 村地区安装热水型空气源热泵大多配置缓冲水箱， 缓冲水箱具有减少机组启停、稳定系统的作用 。但缓冲水箱的增设及水箱容量的大小，将会对热泵供 暖系统运行性能产生影响，此外不同的运行模式同 样会对热泵系统实际运行产生影响。

 曾昱，男，1995 年生，在读硕士研究生

刘猛(通信作者)

400045   重庆市沙坪坝区沙北街 83 号重庆大学土木工程学院 E-mail：liumeng2033＠126．com

马晓雪对缓冲水箱的容积进行了优化设计，研 究了水箱容积变化对水温及系统性能的影响[1]。 刘冉冉针对冬季工况一天中水箱温度变化及水箱容积变化情况下，耗电量、COP、进出口温度等参 数的变化进行了分析研究[2]。李雄志等人选取长沙一栋办公建筑，对空气源热泵供暖系统在连续运行和间歇运行下的室内温度、围护结构表面温度、机组供回水温度进行了测量，分析了实测能耗及运行费用，以 长 沙 地 区 为 例，间 歇 运 行可 节 能 63．8％[3]  。Chun等人利用模拟能耗软件对空气源 热泵供暖进行了研究，对比分析了间歇供暖与连续 供暖的能耗[4] 。Qi等人提出了一种降低运行成本 的优化运行模式的调度方法，并依据调度方法建立了数学模型，对该数学模型进行了案例分析，结果 表明优化调度方法可以极大地降低运行费用[5]。黄亚波等人对安徽地区空气源热泵热水系统进行了研究，通过研究 2 个冬季的运行效果，分析了热水型空气源热泵和缓冲水箱选型的合理性[6]  。何林等人研究发现，影响热泵系统性能变化的主要因素为室外温湿度、供回水温度、房间围护结构等，其中前两者是主要因素，室外温度主要影响蒸发温度，水温主要影响冷凝温度[7]  。南倩研究比较了全 天运行、白天运行和夜间运行模式下空气源热泵的 性能[8]。李象龙研究提出间歇运行有非常好的运 行效果，并且有良好的节能效益[9]  。

目前低环境温度空气源热泵正在国家政策的推动下大力推广，而缓冲水箱对热泵运行性能有较 大影响，因此有必要针对配置不同容量缓冲水箱的热泵系统的实际性能进行研究 。本文将针对北方 典型地区农村住宅所使用的的空气源热泵在性能检测实验室中进行实测研究，从而了解增设不同容 量的缓冲水箱及不同运行模式对热水型空气源热泵运行性能的影响。

1实验系统

在广东纽恩泰新能源科技发展有限公司8820kW低温空气源热泵(冷水) 机组性能检测实验室中进行实验 。通过对我国北方农村地区空气源热 泵使用情况的调研及目前设备市场份额的调查可知，目前使用最多的机型为 3 675 kW 机组，2 205kW次之；缓冲水箱容量最大的为 100 L，占比达到 40％；农宅 2／3用户使用的是连续运行模式，约1／3 用户采用间歇运行模式，为满足不同使用需求,间歇运行多分为仅夜间运行和仅白天运行 2 种。

本实验所测试机组型号为 NE-C3BZ-B2／C 和 NE-C5BZ-B2／C，额 定 制 热 量 分 别 为 5．45 、9．30 kW，额定供暖COP分别为 2．33 、2．25，额定水流 量分别为 1．29 、2．15 m3／h；实验所选用水箱为家 用分体式水箱圆桶系列，水箱容量分别为 100 、150 L。

2测试方法

本次实测总计进行 25 个工况测试(见表 2，均 为稳定环境温度工况) 。根据 GB／T 25127．2 — 2010 《低环境温度空气源热泵(冷水)机组   第 2部分：户 用及类似用途的热泵(冷水)机组》[10] 名义工况的要 求，供暖工况环境温度要求为－12 ℃，由此设置该 工况 。所有实验工况均控制出水温度为 41 ℃；工况 稳定的标准参照 GB／T 25127．2 — 2010 中要求的室 外侧干湿球温度控制在 ±1 ℃内，出水温度控制在 ±0．3 ℃内 。为了更好地了解热水型空气源热泵在 我国北方低环境温度农村地区的运行性能，结合历 年气象数据，选择了 5个北方地区典型室外温度，分 别为 4、0、－2、－6 、－12 ℃，后述 A类地区室外温度 为－12、－6 、－2 ℃，B类地区室外温度为－12、0、4 ℃ 。运行模式方面，本实验根据前述调研结果设置 了 3种运行模式，分别为连续运行模式(运行时长24 h) 、夜间运行 8 h(22：00— 06：00)的间歇运行模式 1、 白天运行 16 h(06：00— 22：00)的间歇运行模式 2 。3结果与分析

在冬季供热情况下，增设缓冲水箱及水箱容量 不同均会导致系统水容量的改变，从而影响机组进水温度，因此机组的制热量、COP等运行性能参数都将受到影响 。热水型空气源热泵运行性能除受到缓冲水箱容量的影响外，还受到室外侧环境温度 和机组运行模式的影响。

3.1 缓冲水箱容量对机组运行性能的影响

本节重点分析低环境温度工况下缓冲水箱容 量对连续运行模式下机组运行性能的影响，环境温 度选取北方地区典型环境温度－6 ℃，室外相对湿 度为 60％ 。

3.1 .1  制热量

机组制热量为

Q＝cρ犞(tg－th )                    (1)

式中   Q为热泵机组制热量，kW；c为循环水的比 热容，kJ／(kg · ℃)；ρ为循环水的密度，kg／m3  ；犞 为循环水的流量，m3／s；tg  为制热侧出水温度，℃； th  为制热侧进水温度，℃。

图1显示了－6℃环境温度下不同水箱配比 机组制热量 。可以看出：相同环境温度工况下， 2 205 、3 675 kW 机组都呈现了相同的规律，增设 缓冲水箱、水箱容量增大，机组进水温度提高，制热 量减小，这与理论相符；对于 3 675 kW机组而言，在－6 ℃环境温度工况下，增设 100 L、150 L缓冲 水箱，制热量分别减小 1．11 、1．18 kW，较直供形式 分别减小 9．6％ 、10．2％；对于 2 205 kW 机组而 言，增设 100 L缓冲水箱，制热量减小 0．45 kW，较 直供形式减小 6．3％ 。

可见，增设水箱对机组制热量会有较大影响， 增设 2种容量的水箱，制热量均会减小，并且 150 L较 100 L，制热量减小的幅度更大 。因此对于热需求较大的地区，需要对增设水箱后的制热量重新 进行核算，以满足供暖需求。

图 2 显示了－6 ℃环境温度下不同水箱配比机组COP。可以看出：相同环境温 度工况下， 2205 、3675kW机组都呈现了相同的规律，增设 缓冲水箱，COP减小，这是由于系统水容量增大， 机组进水温度提高，机组制热量减小，消耗功率基 本不变，这与理论相符；对于 3 675 kW机组而言， 在－6 ℃环境温度工况下，增设 100 、150 L缓冲水 箱，COP分别下降 0.26 、0.27，较直供形式分别下 降 9.5％ 、9.9％；对于 2 205 kW机组而言，增设 100 L缓冲水箱，COP下降 0.18，较直供形式下降 7.0％ 。

可见，增设水箱对机组COP会有较大影响，增设 2 种容量的水箱，COP均会下降，并且150L较100L COP下降的幅度更大。

综上可见，增设水箱较直供形式而言，热泵机组制热量、COP均会产生衰减；并且150L较100L衰减情况更严重，水箱容量越大，衰减越明显。 因此，对于衰减较大的使用工况可以考虑采用直供 形式以提高经济性及供暖舒适性，制热量和COP较优。

3．2  环境温度对运行性能的影响

本节重点分析机组采用直供形式、连续运行模式下，环境温度对运行性能的影响，环境温度为 4 、

0 、－2 、－6 、－12 ℃。

3.2.1   制热量

室外侧环境温度变化会影响机组的制热量，这 是由于室外侧环境温度变化，机组蒸发温度将发生 变化，最终影响机组制热量 。  图3显示了直供形式 下不同环境温度工况机组制热量 。可以看出：不同环境温度工况下，2 205 、3675 kW 机组都呈现了相同的规律，环境温度上升，蒸发温度上升，机组制热量增大，这与理论相符；对于 3 675 kW 机组而 言，在环境温度从－12 ℃升至 4 ℃工况下，机组制 热量增大4.16 kW，对于2205 kW机组而言，机组 制热量增大 1．67 kW。

因此，无论2205 kW还是 3 675 kW机组，随着环境温度上升，机组制热量都会逐步增大，所测试的温度区间内3675kW 机组制热量增大较为明显。

3．2．2   COP

室外侧环境温度变化会影响机组的COP，这是由于室外侧环境温度变化，机组蒸发温度将发生变 化，最终影响机组 COP。图 4显示了直供形式下不 同环境温度工况机组COP。可以看出：不同环境温 度工况下，2 205 、3 675 kW机组都呈现了相同的规 律，环境温度上升，蒸发温度上升，机组 COP提高， 这与理论相符；对于 3 675 kW机组而言，在环境温 度从－12 ℃升至 4 ℃工况下，COP提高 0．79，对于 2 205 kW机组而言，COP提高0.93 。

根据GB/T25127.2 — 2010的性能参数表中规定的名义工况制热 COP不应低于2.1 ，2205kW及3675kW机组名义工况－12  ℃下均满足国标的要求 。通过分析COP与环境温度的关系， 随着环境温度上升，机组 COP都会逐步提高，所测 试的温度区间内 2 205 kW 机组COP提高较为明显；随着环境温度上升，2205 、3675kW机组COP差距逐渐减小，环境温度较低时的COP差距较大，高于0 ℃后的温度区间内，COP逐渐趋近。

3．3不同水箱容量配比下运行模式对机组运行性能的影响

3．3．1 制热量

不同使用需求的用户采用不同的运行模式，由于全天运行时间段及运行时间长短不一致，机组的 性能会有较大差别 。对于间歇运行的用户而言，选择白天开启和夜间开启，机组的性能会受到环境温度的影响，白天的环境温度高于夜间，机组蒸发温度较高，不同地区的室外环境温度工况会影响机组的蒸发温度，而制热侧进水温度则会受到供暖系统是否增设缓冲水箱及水箱容量的影响，这是由于系统水容量的改变会影响循环管路的水温，继而影响机组的进水温度，最后这二者会通过影响机组的制热量及COP，影响到住户的整体使用效果和机组运行性能及经济性。因此，本节针对占比较大的3675 kW热水型空气源热泵机组，在增设水箱的情况下，对其不同运行模式的相关影响进行分析。

图 5显示了不同运行模式下的制热量 。可以看出，间歇运行模式2下制热量均最大，连续运行模式次之，间歇运行模式1制热量最小 。可见间歇运行模式2是室内舒适效果较优的运行模式。

此外，对于这两类地区而言，采用直供形式的制热量均最大，增设水箱后都会产生骤降，而对于增设 100 L或 150 L缓冲水箱，制热量的差别则是 相对较小的，增设缓冲水箱对 A类地区间歇运行模式1的影响最大，制热量分别下降9．6％ 、 10．2％ 。A类地区较 B类地区而言，3 种运行模式的制热量差距相对较大。

3．3．2  COP

图6显示了不同运行模式下的COP。可以看出，对于A类和B类地区，间歇运行模式 2 下COP均最高，连续运行模式次之，间歇运行模式1下COP最低 。可见间歇运行模式 是经济性较优的运行模式。

增设缓冲水箱对A类地区间歇运行模式1的影响最大，COP分别下降 9．5％ 、9．9％ 。A 类地区相较B类地区而言，增设缓冲水箱后，3种运行模式下COP的差别相对较大；B类地区采3675kW配150L缓冲水箱形式，3种运行模式下COP基本一致。

4 结论与展望

1) 在－6 ℃环境温度工况下，3675 kW 机组 增设 100 、150L缓冲水箱较直供形式，制热量分别下降9．6％ 、10。2％ ，COP分别下降9．5％ 、9．9％ ；2 205 kW机组增设100L缓冲水箱后制热量下降 6．3％ ，COP下降 7．0％ 。

2)  间歇运行模式2是热泵系统运行性能较优的运行模式，对于环境温度在－12 、－6 、－2  ℃区 段性能提升较为明显，直供、增设100L水箱、增设150L水箱3种形式较连续运行的模式，机组制热量分别增大

 2．5％ 、4．5％ 、5．0％ ，COP分别提高 1．8％ 、3．7％ 、4．5％ 。

3)  环境温度提高，热水型空气源热泵制热量和COP均提高；增设水箱会对热泵运行性能产生负面的影响，并且水箱容量越大，运行性能衰减越明显；间歇运行模式2是热泵系统运行性能最优的运行模式，该运行模式下，不增设缓冲水箱的直供形式运行性能最佳。

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