空气源热泵采暖机的节能策略与舒适性研究.pdf

292023中国家电科技年会论文集0 引言随着全球气候变化的加剧，全球各个国家对于降低碳排放越发重视。在2020年第七十五届联合国大会上，我国政府首次提到了“双碳”目标，并正式将“双碳”目标纳入生态文明建设整体布局1。碳排放加剧的主要原因是由人类活动造成的，主要集中在能源生产和使用、工业生产（钢铁、水泥、化工等高耗能和高排放行业）、交通运输、农业等领域。其中，建筑行业耗能高，已成为了各界的共识。据统计，建筑运行过程导致的碳排放占比28%，建筑行业导致的碳排放占比40%（包含建筑建造）。以2017年为例，中国和美国建筑运行用能相关的碳排放占比分别是20%和36%2。实际上，已有众多学者和机构对全球能源远景展开研究，并形成了一系列共识，包括：建筑部门的电气化潜力最大（2050年的电气化水平为50%80%），其次是工业部门（34%52%），再次是交通部门（10%52%）3。因此，建筑领域必须积极主动行动，一方面降低建筑用能总量，另一方面提高建筑电气化率。只有降低建筑用能总量，才能实现建筑碳排放尽早达峰，也只有提高建筑电气化水平，才能有利于可再生能源等低碳、零碳能源的高比例使用，以实现建筑运行能耗净零排放4。作者简介：赖聪，学士学位。研究方向：热能与动力工程（制冷方向）。地址：广东省中山市南头镇广东TCL智能暖通设备有限公司。E-mail：。空气源热泵采暖机的节能策略与舒适性研究赖聪 代文杰 林森荣 郑神安广东TCL智能暖通设备有限公司 广东中山 528400摘 要：为了研究空气源热泵采暖机的节能策略，通过模拟用户端的使用情况，设计了多组试验方案，对比了不同控制逻辑下的空气源热泵采暖机的能耗情况。主要通过两个维度进行研究，一是单点COP测试结果，二是24 h耗电量测试结果；综合以上两种测试结果，得出采暖机节能控制策略。试验结果表明：在-12的环境温度下，设定水温45（回水温度），在优化后的控制逻辑，机组24 h的耗电量，可由94.9 kWh降低到79.3 kWh，降低了15.6 kWh，节能性提升19.6%。通过该试验，可以为空气源热泵的节能控制策略设计，提供参考。同时，也对比了舒适性（温度场）的变化。关键词：空气源热泵；控制逻辑；耗电量；节能；舒适性Study on energy saving strategy and comfort of air source heat pump heaterLAI Cong DAI Wenjie LIN Senrong ZHENG ShenanGD TCL INTELLIGENT HEATING&VENTILATING EOUIPMENT Co.,Ltd.Zhongshan 528400Abstract:Compares the energy consumption of the air-source heat pump under different control logics.Mainly through two dimensions,one is the single-point COP test results,the other is the 24 h power consumption test results;based on the above two test results,the energy-saving control strategy of heating machine is obtained.The experimental results show that the power consumption of the unit can be reduced from 94.9 kWh to 79.3 kWh,which is 15.6 kWh,and the energy saving can be improved by 19.6%under the optimized control logic when the ambient temperature is-12 and the water temperature is set at 45(return water temperature).Through the experiment,it can provide reference for the design of energy saving control strategy of air source heat pump.At the same time,the change of comfort(temperature field)is also compared.Keywords:Air source heat pump;Control logic;Power consumption;Energy saving;Comfort 中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.00730 2023中国家电科技年会论文集所以，在“双碳”政策驱动下，热泵采暖也迎来了发展的机遇。空气源热泵与地源热泵、水源热泵相比，空气源热泵由于其灵活性和便利性而被广泛应用，它通过利用空气提取热量，是锅炉的最佳替代品之一5。现有的家用采暖系统中，较为常见的两种采暖末端的方式：自然辐射（微对流）、强制对流6。这两种常见的末端分别对应着空气源热泵采暖机（水机）、热泵空调。在国家的“双碳”目标下，空气源热泵采暖机的节能性显得尤为重要。作为清洁采暖设备，在碳排放减排中发挥了极大作用，为了助力“双碳”目标，提高空气源热泵采暖机的节能性将具有重要意义。为此，在不增加成本及额外碳排放的基础上，对空气源热泵采暖机的节能性进行了一系列的研究。1 空气源热泵系统简介目前，市场上常见的户式空气源热泵采暖机，一般有分体式、整体式两种类型的机组。这两种机组的采暖系统，都由氟系统和水系统部分组成。氟系统即为常见的由四大部件组成的氟机，水系统一般由水泵、采暖末端、缓冲水箱、管道组成。氟系统与水系统通过同轴换热器联接，氟机作为热源，加热水，通过水系统循环，以辐射和自然对流把热量传递给室内，实现供暖效果。如图1。整体式空气源热泵，由于有部分水路在室外，而分体式空气源热泵的水路都在室内，所以整体式机组的冻坏概率会更高。但是整体式机组的回油情况会优于分体式机组。构成采暖系统的三部分，空气源热泵机组、采暖末端、维护结构，均会影响采暖系统的运行能耗。本次研究，主要从空气源热泵机组的角度切入，通过研究空气源热泵主机的运行控制策略，使空气源热泵机组运行在高效区，最终达到节能目的。图1 空气源热泵采暖系统示意图2 试验系统2.1 试验场地房间面积合计约为40 m2，在房间共设置了5组暖气片，每组暖气片30片，通过异程并联的方式进行安装。房间处于工况室内，可以在不同的工况下，模拟用户使用情况。房间大小：5 m8 m3 m，设置有两扇双层玻璃窗（A面外墙、B面外墙），两扇木门（C面外墙），具体如图2所示。图2 试验房间示意图试验系统由热源（空气源热泵机组）、供暖末端系统（暖气片、管道、缓冲水箱、循环水泵）两部分组成。如表1中所示，热源单元部分由空气源热泵室外机组成，本次试验采用的是16 kW空气源热泵机组，采用了喷气增焓技术。供暖末端单元由缓冲水箱、水泵、热量计、暖气片、管道及各种阀门组成。该试验系统的主要规格如表1所示。表1 试验系统规格参数系统名称详细规格参数热源单元空气源热泵机组CNLZ16DZ/HBp-7末端单元缓冲水箱60 L水泵PUM400L1散热片5组/每组30片电表德力西DDS606热量表UR-1000管道DN402.2 房间测温点布置室内空间测温点布置如图3所示，取垂直方向为Z轴，房间短边（5.2 m）方向为X轴，房间长边（8.2 m）为Y轴。分别在Z轴上5个平面，室内距离地面垂直距离0.6 m、0.9 m、1.1 m、1.7 m、2.2 m，每个平面上在XY面上，共布置81个测温点，用于生产室内温度云图。3 试验方案本次试验，主要从三个维度进行研究，分别为单点COP、24 h运行耗电量、24 h运行室内温度场变化。试验中耗电量通过电表进行计量，房间温度场通过房间内布置81个测温点进行测量，生成温度 312023中国家电科技年会论文集场。如图3。在水系统焓差工况台，分别测试了不同工况下，室外工况：7、0、-7、-15、-20，出水温度：40、45、50。每个方案的压缩机频率从40 Hz80 Hz。共15个工况的COP情况。具体方案如表2所示。表2 单点COP测试方案试验组室外工况出水水温试验740、45、50试验040、45、50试验-740、45、50试验-1540、45、50试验-2040、45、50在舒适性模拟实验台，室外环境温度-12，线控器水温设定45，按两种不同的控制逻辑，进行耗电量、温度场的对比测试。逻辑一：压缩机频率变频化控制，根据计算的能需关系，随之水温上升，压缩机频率逐步收敛。逻辑二：压缩机频率定频化控制，运行过程中，机组只运行在中高频高效区，不做收敛，直到达温停机，具体方案如表3所示。表3 耗电量、舒适性测试方案试验组水温设定控制逻辑运行时间方案45变频化控制24 h方案45定频化控制24 h4 试验结果4.1 单点 COP 测试结果及分析各工况下不同频率的的COP测试结果如图4图6所示。试验结果表明，在压缩机频率40 Hz50 Hz的频率区间内，机组COP整体偏低，50 Hz70 Hz频率区间内，机组COP相对较高，70 Hz80 Hz频率区间内，频率提升已不明显，甚至还略有下降。其主要原因在于图3 模拟室房间热电偶布点图图4 出水温度50各工况下COP图5 出水温度45各工况下COP32 2023中国家电科技年会论文集不变，直到达温停机，其功率曲线类似于定频机。根据测试结果，在-12的环境温度下，设定水温45（回水温度），在优化后的控制逻辑，机组24 h的耗电量，可由94.9 kWh降低到79.3 kWh，降低了15.6 kWh，节能性提升19.6%。结合机组单点能效的测试情况，可以分析得知，由于方案采用的是变频化控制，根据能需的计算，在水温逼近设定温度时，频率会降低，则机组运行频率降低到低效区，甚至降到50 Hz以下，机组自动关闭喷焓，能效急剧下降。方案采用的是定频化的控制，机组一直运行在高效区，进而耗电量反而降低。4.3 房间温度场根据模拟实验室的测试结果，可以发现，空气源热泵采暖机的优势在于整体的舒适感优于空调采暖。房间内最高温度主要集中在1 m高度的区域，也正是人在在房间内的主要活动区域。辐射换热、微对流换热的采暖方式，在舒适感上优于于强制对流换热。图6 出水温度40各工况下COP图8 方案运行第24 h温度场图9 方案运行第24 h温度场（1 m高度）图7 机组运行24 h耗电量40 Hz50 Hz低频段，机组不开启喷焓，到50 Hz以上，机组开启喷焓后，对低温制热能效有明显的提升。根据测试结果，环境温度0以上时，各频率段COP并没有明显的变化，是因为在0以上，机组不开启喷焓。而实际的结果也表明，0以上的工况，不开启喷焓，能效也足够高。基于以上的测试结果，此机组运行的频率应该尽量控制在COP的高效区，即60 Hz70 Hz。4.2 运行 24 h 耗电量如方案中所描述的变频化控制、定频化控制，是指压缩机频率的控制方式。变频化控制下，通过能需计算的控制，在出水温度逐渐逼近设定温度时，压缩机频率逐步降低，收敛。定频化控制下，在出水温度逐渐逼近设定温度时，压缩机频率 332023中国家电科技年会论文集图10 方案运行第24 h温度场图11 方案运行第24 h温度场（1 m高度）根据图8图11的温度场对比，方案与方案的房间温度，无太大区别，运行24 h后，房间温度核心区域的温度基本稳定在21。所以可证方案的改进，在未影响房间舒适性的情况下，优化了耗电量，是可行的措施。5 结论本文研究了空气源热泵采暖机的节能策略，通过测试机组在不同工况下的单点能效，寻找出最优的压缩机频率运行区间。并根据试验结果，改进控制策略后，测试了机组在两种策略控制下，运行24 h的耗电量进行对比，同时也分析了空气源热泵运行的房间温度场，定性的研究了空气源热泵的舒适性。综上，本文的主要结果总结如下。（1）空气源热泵在低温制热工况下，压缩机运行在中高频（60 Hz70 Hz）能效较高，主要是低频不喷焓的能效过低。（2）为了使空气源热泵采暖运行更经济，压缩机运行控制逻辑可以选择定频化的控制，在供暖时保持中高频运行（能效较优的频率），达温后直接停机。若按变频化控制，在能需控制下，压缩机频率逐渐收敛，导致机组会运行到低效区，反而不利于运行的节能性。（3）空气源热泵采暖的舒适性较优，室外-12工况下，运行24 h后房间能温度可以稳定在21且最高的温度在房间1 m高度，也正是房间内人体活动的区域。参考文献1 陈梦源,高彩凤,张晓东,等.超低能耗建筑现浇混凝土内置保温体系外墙层间挑板热桥研究J.建筑科学,2023,39(04):174-182.2 林波荣.建筑行业碳中和挑战与实现路径探讨J.可持续发展经济导刊,2021(zk1):23-25.3 洪博文,MIKETA Asami,GIELEN Dolf,等.基于可再生能源的全球电气化路径与远景分析J.中国电力,2020,53(03):159-166.4 郁聪.建筑运行能耗实现碳达峰碳中和的挑战与对策J.中国能源,2021,43(09):25-31.5 李露露,尹应德,刘世杰,等.供暖水温对低温空气源热泵制热性能影响的试验研究J.太阳能学报,2023,44(04):377-383.6 崔明明,马国远,曹瑞林,等.空气源热泵直接地板辐射采暖试验研究J.家电科技,2022(04):96-100.