北京工業大學建築環境與能源應用工程系博士梁士民
內容提要
12月22日，北京工業大學建築環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，發表題為《空氣源熱泵在京津冀地區應用問題及對策》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能技術。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除霜、髒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並提出應對策略。以下為演講實錄。
我所在課題組以HVAC系統高效運行與優化控制、綠色建築可再生能源利用關鍵技術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展為目標，致力於解決結除霜、髒堵等關鍵問題。我們課題組曾負責北京地區首批“煤改電”空氣源熱泵工程的測評工作，主編國內首部空氣源熱泵專著《空氣源熱泵技術與應用》，還編制了行業標準《空氣源熱泵供暖工程技術規程》和一些地方標準。我們團隊主要有兩個研究方式，即現場工程實測和模擬，進行現場實測的工程中，最長的工程已經檢測了八個供暖季，這一塊的數據是相當豐富的。
空氣源熱泵應用及典型問題
空氣源熱泵作為一個高效節能的技術，在名義工況下非常高效，並且相關的規範、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一定的問題。
針對這個問題，我們做了以下總結：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，主要有結霜導致COP衰減，下降35%～55%；除霜也會引起室內環境溫度的波動，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，白色的區域是結霜區，下面代表非結霜區。可以看到這四個地方的結霜區佔比都在40%以上，也就是它的結霜工況是非常多的。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，第二階段監測霜層生長這一塊可能不是非常準確，對於最佳除霜控制點目前也基本是靠經驗判斷，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，也針對不同地區的誤除霜做了一個統計。通過對寒冷地區一些典型的代表性城市所做的統計發現，在寒冷地區主要是以無霜除霜為主；而對於夏熱冬暖地區，主要是有霜不除，因為溼度比較大。
另一個運行問題是髒堵問題，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現髒堵情況還是挺嚴重的，髒堵形成過程複雜，髒堵劣化影響被忽視，多數機組沒有髒堵故障診斷功能，僅提示“定期清潔和維護”。
我們針在供冷季針對機組的髒堵問題進行了測試，發現機組在髒堵狀態下引發機組軟故障和硬故障。另外，相比於沒有髒堵情況的機組，有髒堵帶來的制熱量損失大概是5%～18%，供冷季髒堵故障未及時清除，機組日平均COP逐漸下降，最低僅1.92。
在供暖季髒堵還會帶來另一個影響，就是促進結霜。機組在供暖季沒有清垢，發現本來不結霜的工況下換熱器的表面出現了結霜現象，說明髒垢會促進結霜。測試發現，在髒堵狀態下機組頻繁出現髒霜共存現象，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。常用方法一是根據乾球溫度、融霜、相對溼度，但這個方法還是存在一定缺陷的，融霜係數並不是根據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。常用方法二是根據乾球溫度和化霜的修正係數，問題是沒考慮機組結霜損失，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，冷凝器位於水箱內，機組啟停根據水箱溫度控制，水泵啟停根據回水溫度控制，存在水泵頻繁啟停問題。測試期內水泵日平均啟停65次，最高可達184次。典型日的6個小時內機組啟停47次，水溫波動明顯。
設計問題之三是系統漏熱比較明顯，水箱保溫性差、管路未保溫導致系統漏熱嚴重。
空氣源熱泵問題的應對策略
針對上述問題，我們已經開發了相關的應對策略，針對機組開發，應當從改善換熱條件、改進壓縮機技術、抑制機組結霜、提升低溫性能等方面入手。
然後是開發一些高效的控霜策略，受環境溫度、溼度、風速、空氣清潔度等多種因素的影響。我們開發了三種除霜策略，第一種是“光-電轉換”測霜技術，第二種是THT控霜技術，第三種是TTT控霜技術。
首先是“光-電轉換”測霜技術，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，達到一定程度後進行除霜，除霜是依據霜的實際生長高度進行的，所以這個技術可以實時檢測霜的生長。再就是THT控霜技術，依據環境溫度、溼度、時間這三個參數進行開發的。還開發了TTT控霜技術，根據盤管溫度、進風溫度、出風溫度反映換熱器的效率，運行效果也非常好。
針對髒堵問題我們開發了相關髒堵的診斷方法。空氣源熱泵性能劣化受髒堵程度和環境溫度共同影響，髒堵程度增加使運行參數發生1%～121%不同程度劣化，除垢點為髒堵程度超過40%。我們要開發這個策略就是把空氣、環境溫度的影響屏蔽掉，就開發了TTT髒堵故障診斷法。利用TTT方法可合理指導髒堵故障清除，使COP提升了10%；相比於未使用診斷方法，使機組供冷季的平均COP提升了11%。
對於系統優化我們也提倡系統合理配置、末端合理設計、能源合理利用。總之，空氣源熱泵是高效的可再生能源利用技術，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、系統漏熱等）不可忽視，典型應用問題（機組結霜、誤除霜、髒堵等）不可避免，要從機組開發、設計優化、技術應用等層面入手，發揮其巨大的節能潛力。
未來，需要開發、設計、運行多方面的協同合作以及政府、企業、高校、科研院所、協會多層面的協同合作，共同推動空氣源熱泵技術在京津冀地區的高效應用和良性發展。
閱讀更多 空氣源熱泵供暖 的文章
