北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室 高成,孫育英,王偉,段德星

       【摘  要】由于空氣源熱泵實際運行性能受室外溫濕度環境耦合影響，導致不同地域難以選擇典型測試工況，無法通過短期測試全面評價空氣源熱泵在該地域的實際供暖性能。本文借鑒IPLV“溫頻法”評價思想，提出基于“溫濕頻法”的空氣源熱泵供暖系統短期測試典型工況選取方法。采用等效溫降法將“Ta-RH”耦合因素降維重構為綜合室外環境溫度Ta一維因素，準確描述不同地域空氣源熱泵供暖工況分布頻率；根據機組負荷率在不同溫濕頻段的分布、不同負荷率工況的供暖時長與結霜圖譜分布，確定不同地域短期測試典型工況區間。本文提出的基于“溫濕頻法”的供暖系統短期測試典型工況選取方法適用于不同地域，具有高頻易選、以點代面的特點，為完善空氣源熱泵供暖系統短期測試方法提供參考。

       【關鍵詞】空氣源熱泵、短期測試、工況選取、溫濕頻法、等效溫降法

       【基金項目】 國家重點研發計劃項目(2016YFC0700100)；北京市優秀人才培養資助青年拔尖團隊項目（2017000026833TD02）

0 引言

       近年來，在我國“清潔取暖”政策的推動下，空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，以下簡稱ASHP）因其節能環保、能源的可再生性等優勢，應用地域和供暖面積迅速擴大 ^[1-3]開展ASHP供暖系統的實際運行性能測試，為ASHP生產、設計與規劃提供準確反饋，對保障ASHP技術的可持續發展有重要意義。

       由于ASHP應用項目的建筑規模一般較小，大多數ASHP項目沒有安裝自動監測系統，宜使用短期測試方法測試ASHP供暖系統實際運行性能。我國在近年頒布的《空氣源熱泵供暖工程技術規程》^[4]、《空氣源熱泵供暖系統監測和評價規則》^[5]和《空氣源熱泵系統現場測試規程》^[6]等中給出了ASHP供暖系統實際運行性能的現場短期測試方法，規定“測試工況宜在系統負荷率大于60%、機組制熱能力達到機組額定值的80%以上”。

       現有短期測試方法在測試工況選擇上，僅考慮系統負荷率，忽視了ASHP機組性能受室外溫、濕度參數耦合影響，造成測試結果因環境工況不同而有很大差異性，很難通過不同地域典型工況的短期測試評價該地域ASHP供暖季實際運行性能。因此，迫切需要根據ASHP運行特性，科學選取不同地域典型測試工況，完善ASHP供暖系統在我國不同地域應用的短期測試方法。

1 不同地域基于“溫濕頻”法典型測試工況選取的研究思路

       我國冷水機組/熱泵產品性能標準^[7-13]廣泛使用綜合部分負荷性能系數IPLV（Integrated Part Load Value）評價機組季節綜合性能系數，其評價思想采用“溫頻法”，基于供冷/暖季室外溫度各溫頻段的建筑負荷率（BLR）分布，選擇不同負荷率的4個室外溫度頻段作為測試工況，通過有限的實測性能測試和運行在該負荷率下的時間分布，推導得到機組的季節綜合性能。“溫頻法”對于ASHP短期測試工況研究有很好借鑒意義，通過有限典型工況的測試數據預測供暖季全工況性能，有利于合理評價ASHP供暖實際運行性能，但測試工況選取還應考慮室外濕度對ASHP機組性能影響，研究室外氣象溫濕度工況的分布規律，從典型工況易于實際測試且具有全面代表性出發，探尋典型工況的選取原則。

       為科學選取不同地域ASHP供暖系統短期測試典型工況，本文借鑒IPLV“溫頻法”評價思想，考慮室外溫濕度耦合因素對ASHP機組性能的影響，提出基于“溫濕頻法”的ASHP供暖系統性能短期測試典型工況選取方法。采用結除霜等效溫降法^[14]，對室外溫濕度兩維參數進行降維重構，解決了ASHP供暖工況溫濕度分布規律難以描述問題；基于室外溫濕度特征參數頻率分布，從高頻易選、典型全面等原則出發，考慮不同機組負荷率、不同結霜區，選取不同地域ASHP供暖系統短期測試典型工況。

2 室外溫濕度特征參數的重構方法

       由于不同地域供暖季室外溫濕度二維工況的分布規律復雜、難以描述，本文采用文獻[14]中的“結除霜等效溫降法”，將室外相對濕度對ASHP性能的影響等效轉化為降低室外環境溫度產生的影響，實現將室外溫濕度二維參數“Ta-RH”降維重構為綜合室外環境溫度Ta單一參數，該特征參數綜合反映了影響ASHP性能的室外溫濕度工況特性。

圖1 ASHP結除霜等效溫降方法示意圖

       圖1給出結除霜等效溫降法原理，在無霜工況時，ASHP機組性能僅與室外環境溫度有關，如直線L1所示，當室外溫度由名義工況T_an降低到T_a時，機組性能由名義工況性能Q_hn降低為Q_h1，性能損失ΔQ_Ta是由環境溫降ΔT_a1造成的；當室外環境相對濕度RH上升，機組運行到結霜工況時，機組性能受室外環境溫濕度耦合影響，如曲線L2所示，結霜工況運行點的性能下降到Q_h2，相對于無霜工況運行點的性能損失ΔQRH是由相對濕度（結除霜）因素影響造成的；在無霜工況性能曲線L1上找到與結霜工況點性能Q_h2相同的點，該點相比結霜工況的室外溫度降低了ΔT_a2。對于結霜工況運行點，相對濕度（結除霜）對機組制熱性能的影響和環境溫度降低ΔTa2的影響是等效的。

       根據上述原理，可將結霜工況室外溫濕度“Ta-RH”二維參數降維為室外溫濕度特征參數，綜合室外環境溫度（Ta），其計算表達式如公式（1）所示：

       T_a=T_a-ΔT_a2                        （1）

       其中，ΔTa2可依據文獻[[[]吳旭. 空氣源熱泵最佳除霜控制點及除霜控制策略研究[D]. 北京工業大學, 2017.]]研究結果，通過公式（2）計算得到。

           （2）

3 不同地域的供暖季溫濕頻數分析

       從供熱安全性考慮，本文采用ASHP在整個供暖季連續運行模式。因此，基于ASHP應用地域的供暖季典型年氣象數據，根據公式（1），計算得到室外溫濕度特征參數Ta數據，以1℃間隔劃分整個供暖季的溫濕度特征參數頻段，考察各溫濕頻段的供暖小時數，從而得到供暖季的室外溫濕度工況分布規律。

       本研究以陽、北京、上海及貴陽4座城市為例開展研究，這四座城市分別位于我國嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區及溫和地區。圖2給出以上4個城市的綜合室外就環境溫度Ta各頻段的供暖小時數分布，從中可以看出不同城市的供暖季綜合室外環境溫度分布有顯著差異，沈陽和北京呈現近似單峰正態分布，上海和貴陽則呈現雙峰分布。各城市Ta分布的期望μ值、標準差σ值明顯不同。因此，為合理準確選擇不同地域ASHP供暖短期典型測試工況，需對不同地域供暖季的綜合室外環境溫度分布規律進行分析。

a）沈陽市                              b）北京市

c）上海市                               d）貴陽市
圖2 不同城市供暖季室外氣象各溫濕頻段的供暖小時數分布

4 基于“溫濕頻法”的典型工況選取方法

       “溫頻法”以室外溫度Ta為工況特征參數，認為建筑負荷率與室外環境溫度呈線性關系，故典型工況可依據建筑負荷率分析選取。而“溫濕頻法”考慮室外溫濕度對ASHP的耦合影響，以綜合室外環境溫度Ta為工況特征參數。由于建筑負荷與Ta不一定具有單調性，本文提出根據ASHP機組實際負荷率φ選取典型工況。
ASHP機組負荷率φj為第j溫濕頻段的平均建筑負荷與機組制熱能力之比。其中，第j溫濕頻段的平均建筑負荷根據公式（3）計算；第j溫濕頻段的機組制熱能力計算方法參考文獻[14]，見公式（4）；最后得到φj的計算方法，如公式（5）所示。

                      （3）

                                                     （4）

             （5）

       式中：DL——建筑設計負荷，kW；

       BLR_j——第j溫濕頻段的建筑負荷率，%；

       Q_bj——第j溫濕頻段的建筑實際負荷，kW；

       Q_j——第j溫濕頻段的ASHP實際制熱能力，kW；

       T_aj——第j溫濕頻段的綜合室外環境溫度，℃；

       ——第j溫濕頻段的平均環境溫度，℃；

       Tai——建筑室內設計溫度，研究選為20℃；

       Tad——建筑室外采暖設計溫度，℃；

       Tad——供暖設計工況所對應的綜合室外環境溫度，℃。

       以北京市為例詳細說明，圖3給出北京供暖季ASHP機組負荷率分布圖。隨著Ta的升高，近似呈現線性下降趨勢。依據ASHP機組實際負荷率分布情況，將供暖季全工況Ta分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個工況區間，平均負荷率分別為100%、75%、50%和25%。圖4給出四個不同負荷率工況區間的運行小時數統計，四個區間時間占比分別為3.5%、43.4%、31.9%和21.2%。由于Ⅰ工況在典型氣象年供暖季出現概率僅為3.5%，出現小時數僅為102h，考慮實際測試難以捕捉獲取，為提高短期測試的可行性，減少測試成本，故典型工況在選取時應進行合理取舍，北京市宜將Ⅰ工況區間合并入Ⅱ工況區間。

圖3 北京市供暖季ASHP機組實際負荷率分布      圖4 北京市不同機組負荷率測試工況分布

       為使典型工況能夠測試出ASHP的結除霜性能，進一步根據不同負荷率工況區間在ASHP結霜圖譜^[16]上的分布，調整典型工況區間的選取。從圖5可以看到，Ⅱ區間工況分布相對分散，67%的工況主要分布在結霜區，因此測試Ⅱ工況區間確定為Ta≤-1℃、RH>60%；Ⅲ工況主要分布在-4℃~4℃之間的非結霜區，故測試Ⅲ工況區間選取-4≤Ta≤4℃、RH<45%；Ⅳ工況主要分布在結露區，故測試Ⅳ工況區間選取6<Ta<12℃，相對濕度不限?？梢?，北京市ASHP短期典型測試工況不僅覆蓋了不同負荷率，并覆蓋了不同結霜工況，能夠較全面地測試出ASHP供暖實際性能。

     
a）北京市Ⅱ工況區間分布        b）北京市Ⅲ工況區間分布

c）北京市Ⅳ工況區間分布
圖5 北京市不同測試工況在結霜圖譜的分布

       綜上所述， 基于“溫濕頻法”的ASHP供暖系統短期測試典型工況選取步驟如下：

       （1）基于典型氣象年供暖季數據，構建供暖季逐時室外溫濕度“Ta-RH”所對應的特征參數Ta分布圖，分析不同溫濕頻段的供暖小時數；

       （2）計算不同溫濕頻段所對應的ASHP機組負荷率，將供暖季全工況Ta分為機組實際負荷率平均值為100%、75%、50%、25%的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個工況區間；

       （3）以高頻易取為原則，統計不同工況區間的出現頻率，對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ工況進行取舍優化；

       （4）以典型全面為原則，分析不同工況區間在結霜圖譜中的分布情況，考慮測試工況應覆蓋不同結霜工況，調整確定ASHP供暖系統短期測試典型工況。

5 不同地域的ASHP短期測試典型工況

       圖6給出位于不同氣候區的4個代表城市短期測試典型工況在結霜圖譜上的分布，各城市的典型工況區間均基本涵蓋了供暖季全工況分布范圍。嚴寒地區的沈陽市和寒冷地區的北京市均選取了3個典型工況，機組負荷率分別為75%、50%和25%，沈陽市典型工況包含了低溫結霜工況與非結霜工況，北京市典型工況相比沈陽增加了結露工況；夏熱冬冷地區的上海市與溫和地區的貴陽市也選取了3個典型工況，機組負荷率分別為100%、75%和25%，涵蓋了高濕重霜工況、一般結霜工況和結露工況?？梢?，基于“溫濕頻法”的ASHP供暖系統短期測試典型工況選取方法具有高頻易選、典型全面的特點，為ASHP供暖實際運行性能評價奠定了良好基礎。

a）沈陽市測試工況結霜圖譜分布            b）北京市測試工況結霜圖譜分布

         c）上海市測試工況結霜圖譜分布               d）貴陽市測試工況結霜圖譜分布        
圖6 不同氣候區代表城市測試工況結霜圖譜分布

       由于不同地域供暖季的室外溫濕度工況分布規律不同，ASHP機組負荷率分布也不同，不同地域的典型工況選取有明顯差異，ASHP供暖系統短期測試典型工況應根據各個城市典型氣象年的供暖季數據，按照本文提出的“溫濕頻法”典型工況選取方法確定，表1給我國不同地域部分代表城市的短期測試典型工況選取結果。

表1 我國主要城市短期測試典型工況分布

6 結論

       ASHP供暖性能受到室外溫濕度的耦合影響，因此ASHP供暖系統短期測試典型工況的選取應考慮室外濕度參數，并具有“以點帶面”特性，才更為科學合理。本文借鑒IPLV“溫頻法”評價思想，提出基于“溫濕頻法”的ASHP供暖系統短期測試典型工況選取方法。采用等效溫降法對室外溫濕度二維參數進行降維重構，為準確描述不同地域的供暖季溫濕度分布規律提供有效方法；基于室外溫濕度特征參數頻率分布，以平均負荷率為100%、75%、50%和25%，初步劃分工況區間；并結合不同負荷率工況的供暖時長和結霜圖譜分布，最終確定典型工況區間。通過嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區及溫和地區的4個代表城市應用研究，并給出我國不同地域的典型代表城市短期測試典型工況選擇結果，驗證了基于“溫濕頻法”的ASHP供暖系統短期測試典型工況選取方法可適用于不同地域，具有高頻易選、以點帶面的優勢，通過有限測試可評價ASHP在不同負荷率、不同結霜工況的實際運行性能。本文研究為科學選取ASHP供暖系統短期測試典型工況提供了理論依據，為空氣源熱泵后評估提供了技術支撐，并希望為空氣源熱泵供暖系統短期測試方法的制定提供參考。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。