热泵供暖机组的优化配置

时间：2024-08-31

文_李军北京节能环保中心

热泵作为一种消耗部分高位能，使热量从低温热源流向高温热源的装置，可以把不能直接利用的低位热能转换为可以利用的较高品位热能，达到节约部分高位热能的目的。热泵因其具有清洁、高效、节能、环保、可再生等特点，成为一种替代燃煤供暖的重要技术。然而，在实际应用过程中，有些用户发现热泵的节能效果并非如宣传那样突出，甚至有的用户得出热泵根本就不节能的结论。

影响热泵节能效果的因素有很多，但其中建筑负荷指标大、机组容量大、机组容量搭配不当，系统适应负荷变化的能力差等原因，是影响热泵节能效果的一个重要因素。

1 安装负荷与供暖热负荷的关系

热泵供暖设备容量配置的依据是采暖设计热负荷，即在采暖室外计算温度条件下，为保持室内计算温度，单位时间需要由热泵提供给建筑的热量，是确定供热设备容量的重要指标。采暖室外计算温度是将统计期内的历年日平均温度进行升序排列，按历年平均不保证5天时间的原则对数据进行筛选计算得到的。可以说，在整个采暖季，除了这5天之外，采暖设备的容量均可满足建筑对热负荷的需求。

而建筑实际的供暖热负荷随着室外温度的变化不断变化，绝大多数时间，热泵系统工作在部分设计负荷状态下。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）规定：“集中空调系统的冷水（热泵）机组台数及单机制冷量（制热量）选择，应能适应空调负荷全年变化规律，满足季节及部分负荷要求。”

供暖热负荷的大小主要取决于当地的室外温度，与室内、外温差成正比关系，即：

式中：Qn－室外温度tw时的供暖热负荷；tn－供暖室内计算温度；供暖室外计算温度；－供暖设计热负荷。

对北京市典型气象年气象资料的整理分析，得出北京地区建筑不同室外温度下的负荷率与延续时间，见表1。

可见，供暖设备配备容量绝大多数时间大于建筑实际需求，供暖设备根据室外温度调节供热量对节能降耗就显得尤为重要。

2 不同容量机组搭配能耗分析

GB50736-2012规定，集中空调系统的冷水（热泵）机组不宜少于两台。实际工程中，通常选用2～3台热泵机组，机组类型、容量一般均不超过2种。

当选用多台机组时，涉及到两方面的问题：一方面各机组容量的大小，即各机组承担建筑设计热负荷的比例为多少；另一方面涉及机组的运行策略，即当有两台以上机组同时运行时，有两种运行方式:一是各机组平均承担建筑负荷；二是部分机组满负荷运行，部分机组按需运行。通常情况下，以第一种策略运行较为节能，这也是本文分析的运行方式。

表1 北京地区不同温度下的负荷率与延续时间

2～3台机组的容量搭配方案有8种，见表2。

表2

表2中各种方案供暖季热泵机组总能耗按下式计算：

式中:Qn－某一室外温度下的建筑热负荷；xi－某台机组负担建筑负荷百分比；COPi－机组该工况下的性能系数；Ti－温度累计小时数；N－同时运行的机组台数；M－整个供暖季不同负荷率的时段数。

可以看出，上式的计算结果由热泵机组不同负荷率下的COPi值决定。而COPi受机组蒸发温度、冷凝温度、水流量和负荷率等多种因素的影响。一般情况下，机组COPi都随着负荷降低先增加然后减小，80%负荷时机组COPi最高，50%负荷以下时，机组性能会大幅降低。相同类型不同容量机组在相同负荷率时的COPi值会有所不同，为计算方便，本文假定它们的COPi值相等。

在北京市典型气象年条件下，经计算，2台机组不同容量搭配时能耗排序如表3。其中，方案1能耗最大，方案3能耗最小。

表3

3台机组不同容量搭配时能耗排序如表4,可以看出，方案6能耗最大，方案5、8能耗相等且最小。

表4

2台机组能耗均大于3台机组的能耗，其中2台相同容量机组（即方案1）的能耗最大，2台机组容量各为设计容量30%、70%的组合方式最节能。3台机组组合方式中，方案5、8的能耗相同，且能耗最小。但相较方案5，方案8更具优势，该方案配置两台容量相同，且容量较大的机组，可以间歇运行，利于低温热源温度场的恢复，有利于机组性能系数的提高。