空气源热泵在北京地区全工况运行的关键问题及应对策略

1 空气源热泵的关键运行问题

空气源热泵(ASHP)以环境空气为低温热源，其运行受环境空气温度、湿度、洁净度等因素影响，会出现结霜、误除霜、低温运行、脏堵等问题，导致其运行性能严重劣化，如图1所示。

图1 空气源热泵的关键运行问题

2 空气源热泵的典型案例分析

本文结合北京地区2个实际运行案例，分析ASHP机组在全工况下运行的实际性能，揭示各关键运行问题对ASHP运行性能的影响，并总结系统在供暖季与供冷季的运行性能及能耗。

2.1 工程简介

典型案例1为北京地区一栋小型办公建筑，含办公室11间，总空调面积为185 m2，空调供暖系统为空气源热泵加地板辐射/风机盘管系统，机组额定制热量/制冷量为14 kW/12.5 kW，额定制热/制冷功率为4.45 kW/4.25 kW;典型案例2同样为北京地区一栋小型办公建筑，含办公室10间，总空调面积为215 m2，空调供暖系统为空气源热泵加风机盘管系统，额定制热量/制冷量为19.6 kW/15.6 kW，额定制热/制冷功率为6.8 kW/5.18 kW。2个案例中使用的ASHP机组均为商用品牌机，配置常规的温度时间控霜技术，压缩机为定速涡旋式压缩机，制冷剂为R22，系统原理图如图2所示。笔者对2个ASHP系统空气侧、制冷剂侧、水侧的运行参数以及能耗、室外换热器结霜、脏堵情况等进行了连续4年(2012—2016年)的实时监测，现将运行问题整理如下。

图2 空气源热泵系统原理图

2.2 结霜对机组运行性能的影响

为揭示结霜情况下ASHP机组的运行性能，选择室外环境平均干球温度为2 ℃、湿球温度为1 ℃的结除霜工况对典型案例进行测试。得到在该工况下典型案例1机组的运行性能变化曲线。可以看出：结霜导致机组空气侧、制冷剂侧的参数发生连锁变化，致使空气侧压差升高115%～120%;盘管温度下降约14 ℃，低至-24 ℃;压缩机吸气温度下降9～10 ℃，低至-19 ℃;排气温度升高30%～31%，达到高温危险阈值120 ℃;吸气压力下降58%～62%，接近低压报警阈值0.1 MPa;排气压力增加12%，压缩比高达9.8，超过限值8.0。吸/排气压力的变化从另一方面说明，机组在结霜过程中，为保证吸气过热度，调节了节流装置，引起制冷剂质量流量显著降低，导致机组制热性能衰减。以上现象直接导致机组制热量和性能系数COP衰减35%～40%。由此可见，ASHP机组在结除霜工况下运行时，其运行特性参数已显著偏离正常工况，并导致制热量和COP显著衰减，严重影响机组的正常运行和制热性能。

2.3 误除霜对机组运行性能的影响

为有效诊断ASHP的误除霜事故，分区域结霜图谱被提出并得到验证。该图谱基于室外环境温湿图，由“两线、三区、五域”组成，即临界结露线、临界结霜线，非结霜区、结露区和结霜区，以及结霜区内细化的5个不同结霜程度区域——重霜区、一般结霜区(Ⅰ，Ⅱ)和轻霜区(Ⅰ，Ⅱ)。在北京地区2015—2016年供暖季ASHP的实际运行中，43%的运行工况处于结霜区，51%的运行工况处于非结霜区，仅6%的运行工况处于结露区。一般情况下，有霜不除事故常发生于重霜区，而无霜除霜事故常发生于轻霜区和非结霜区。

典型案例1中ASHP机组在2012—2013年供暖期内连续60 d的除霜统计结果。可以看出，机组共有31 d出现全天周期性的无霜除霜事故，平均除霜29次/d。测试期内，机组共除霜1 737次，其中1 211次为无霜除霜事故，占总除霜次数的70%，其中发生在非结霜区和轻霜区的无霜除霜事故分别占61%和9%。机组因无霜除霜事故造成的能耗损失为266 kW•h，占总能耗的4.3%;有效供热量损失为1 950 MJ，占总供热量的3.5%，折合成标准煤高达0.36 kg/m2。

典型案例1中ASHP机组在有霜不除事故下连续运行9 h的运行性能变化曲线。测试期内，室外环境工况处于重霜区(平均温度为1.1 ℃，相对湿度为87%)，机组连续发生有霜不除事故。结果显示：有霜不除事故导致机组排气温度超过高温危险阈值120 ℃，而吸气温度低至-20 ℃，且不断波动，严重影响机组的安全稳定运行;同时引起制热量下降49%～55%，COP衰减44%～50%(低至1.49)，造成机组的供热性能严重衰减，影响了ASHP机组的高效利用。

2.4 低温对机组运行性能的影响

为揭示ASHP机组在实际低温工况下的运行性能，选择典型案例2中ASHP机组在2015—2016年供暖季内持续3 d低温寒潮预警期内的运行情况进行分析。测试期内，室外环境温度：工况1为-6.61～-5.09 ℃，工况2为-10.39～-8.75 ℃，工况3为-12.44～-15.2 ℃，其中工况3环境温度低于低温ASHP机组的名义工况-12℃，为最冷低温工况。机组的供/回水温度、吸气温度、吸/排气压力以及制热量和COP均随环境温度的降低而整体降低，而排气温度和压缩比显著升高。最冷低温工况下，机组的排气温度平均值为118.5 ℃，最高达124 ℃，压缩比平均值为11.04，最高达11.77，机组已无法正常安全运行;制热量平均值仅为9.89 kW，最低至8.82 kW，下降幅度达55%，COP平均值为1.71，最低仅1.46，供热性能衰减严重。

2.5 脏堵对机组运行性能的影响

通过2015年供冷季2个典型案例中机组的室外换热器日平均空气侧压差及脏堵形成情况。可以得出：典型案例1中机组在供冷季逐渐形成脏堵，导致室外换热器空气侧压差增加29 Pa，升高118%，供冷季结束时机组的脏堵覆盖面积达65%;而典型案例2中系统由于用户供冷需求提前开启，机组受“飞絮”影响，在供冷季前期迅速形成脏堵，导致室外换热器空气侧压差增加24 Pa，升高230%，供冷季中期时机组的脏堵覆盖面积已高达95%，为保证机组的高效运行，需将室外换热器脏堵被动式清除。

为揭示ASHP机组在脏堵问题下的运行性能，对典型案例2中机组供冷季中期的运行情况进行了监测。为对比分析非脏堵和脏堵的影响，同时监测了与该案例相同规格的非脏堵机组的运行情况。测试期内，选择常温(29～35 ℃)和高温(35～37 ℃)2种典型工况进行分析，在常温工况下对2台机组同时进行了24 h测试，在高温工况下对脏堵机组进行了2 h测试。脏堵机组和非脏堵机组的制冷量、压缩机功率及COP均呈现波动性变化，这是由于机组制冷性能受室外环境温度变化的影响，当环境温度升高时，压缩机功率增大，而制冷量和COP均下降;常温工况下脏堵导致机组制冷量下降5%～18%，压缩机功率升高13%～21%，而COP衰减18%～28%，最低降至1.8，严重影响了机组的制冷性能，造成能源浪费。

在高温脏堵工况下，机组压缩机排气压力过高，超过高压报警阈值2.6 MPa，连续发生了5次停机事故，频率高达2.5次/h，导致机组发生硬故障。在16：00—17：00期间，室外环境平均温度为35.9 ℃，机组共发生2次停机事故;而在17：00—18：00期间，室外环境平均温度为36.4 ℃，机组共发生3次停机事故。可见，高温工况下脏堵使机组极易发生高压报警停机事故，且环境温度越高，事故发生频率越高。脏堵导致的硬故障使机组失去制冷能力，严重影响了机组的正常供冷。

2.6 性能及能耗分析

ASHP性能一般随着不同季节的室外环境温度变化整体先下降后上升，但由于受结霜、误除霜、低温运行、脏堵等问题的影响，其供热和供冷性能均处于较低水平，导致系统能耗显著增加。图3给出了2015—2016年供暖季与供冷季典型案例1中机组的性能系数及系统能耗。可以看出：在供暖季，机组受结霜、误除霜频繁等问题的影响，日平均COP均值仅为2.32，并随着供暖季室外环境温度的降低而减小，在低温工况下降至最低值1.83，系统的日平均单位面积能耗达0.58 kW•h/m2;在供冷季，机组主要受室外换热器脏堵的影响，日平均COP均值仅为2.64，并随着脏堵的逐渐形成而显著下降，最低值为2.29，系统日平均单位面积能耗达0.49 kW•h/m2。

图3 2015—2016年供暖季与供冷季机组性能及系统能耗(典型案例1)

图4给出了2015—2016年供暖季与供冷季典型案例2中ASHP机组的性能系数及系统能耗。可以看出：在供暖季，机组同样受结霜、误除霜频繁等问题的影响，日平均COP均值仅为2.63，并随着供暖季室外环境温度的降低而减小，在低温工况下达到最低值1.71，系统的日平均单位面积能耗达0.55 kW•h/m2;在供冷季前期，机组受室外换热器脏堵逐渐形成的影响，日平均COP逐渐下降，在高温脏堵工况下降至最低值1.95，而在脏堵清除后，机组日平均COP显著提高，整个供冷季机组的日平均COP均值提升至2.83，系统的日平均单位面积能耗为0.45 kW•h/m2。

图4 2015—2016年供暖季与供冷季机组性能及系统能耗(典型案例2)

3 空气源热泵关键运行问题的应对策略

针对ASHP实际运行中结霜频繁、误除霜事故频发、低温适用性差、脏堵下性能劣化严重等问题，结合结霜、误除霜、低温、脏堵等工况下机组的运行特性，提出以下应对策略：

1)有效抑霜和高效控霜技术开发和应用。基于分区域结霜图谱，对机组设计方案进行优化，优化ASHP机组关键部件配比，缩小结霜区域，有效降低结霜频率;开发直接测霜技术和准确的软测量技术，解决误除霜事故频发问题，例如光电转换(TEPS)和环境温度、湿度、时间(THT)等控霜新技术等。

2)先进低温运行技术与系统开发和应用。开发新型低温高效压缩机技术和耦合系统，突破ASHP在低温环境中压缩比过大、性能低下等技术瓶颈，可适当推广准双级压缩机热泵、双级压缩机热泵、单双级耦合热泵系统，或利用低温变频、喷气增焓技术等，有效改善ASHP的工作条件，保障ASHP低温环境下稳定高效运行，拓宽其应用地域。

3)脏堵故障检测与诊断技术开发和应用。探寻脏堵形成机理，准确掌握ASHP脏堵下性能劣化规律，判断最佳除垢时机，开发脏堵故障检测技术;基于脏堵形成过程易测特征参数的变化规律，开发实用型脏堵故障诊断技术，避免脏堵导致的软故障和硬故障发生，保证ASHP供冷季稳定高效运行。

4)先进技术集成开发和应用示范。集成先进技术，优化ASHP系统控制，使其适应室外环境温度、湿度等变化，动态调整运行策略，有效解决结霜、误除霜、低温及脏堵等关键问题，实现ASHP技术的全工况高效适用。

本文来源于：暖通空调