空气源热泵集中供暖系统调节理论分析

空气源热泵集中供暖系统调节理论分析

翟明铭

国家电投集团东北电力有限公司大连大发能源分公司  辽宁省大连市  116000

摘要：对于供暖而言，是作为一个综合性的系统工程，空气源热泵机组的高效并不等同于空气热源泵系统的高校，除了热泵机组自身的效率及可靠性，也是需要对工程系统应用的经济性进行考虑，才可以提高系统供暖效率。当空气源热泵用于集中供暖时，为使机组产生的热量与用户侧热负荷相匹配，需要对系统进行集中调节。目前有较多研究人员针对户式空气源热泵供暖系统进行了昼夜分时运行、峰谷分时运行、变流量运行及预测控制等调节方式的研究，但对于集中供暖的调节方式研究较少。由于热负荷在整个供暖季中变化幅度较大，在低负荷阶段通常会利用机组启停调节制热量，因此需要考虑机组启停损失对系统能耗的影响。

关键词：空气源；热泵；集中供暖；调节；分析

引言：随着我国经济的高速发展，为全面实施清洁能源供暖，促进了能源消费革命的进步，带动能源清洁化的发展，减少大气污染，以空气源热泵为代表的新型能源，为人们带来了清洁、舒适、高效、安全、节能的冷热源系统。此外对于空气热源泵而言，主要是一种通过采用电能等高品位能，是蕴藏在空气中低品位热源流向高品位热源的一种节能装置，在我国华北等地的“煤改清洁能源”工程中，空气源热泵供暖系统得到了广泛应用。为了能够在2060你那实现我国碳中和目标，提高了对环境空气质量的要求，在全国各个地区也是出台了一些政策，积极的鼓励采用可再生能源和清洁能源，因此在我国北方地区中，低温空气热源泵具有着十分广泛的应用。

1.分析空气源热泵集中供暖系统概述

    针对于空气源热泵而言，在实际运行的过程中，需要遵守着逆卡诺循环原理，通过压缩机的工作，使其冷媒吸热和放热，可以实现利用空气中的低温热量转变成为高温热量，让冷却水逐渐的升到目标温度。在进行制冷的过程中，液态制冷剂在空气换热器中进行汽化，是可以吸收空气中的热量，因为制冷剂的温度是高于水的温度，制冷剂从气态冷却成为液态，液体制冷剂在经过膨胀阀节流之后，在压力下可以进入到空气换热器中，低压气体制冷剂被汽化，从而完成了一次循环。在循环中，随着制冷剂状态进行改变，实现了热量从空气侧向水侧进行转移。

2.分析空气源热泵集中供暖系统调节理论

2.1分析空气源热泵控制方程

为了研究空气源热泵系统的调节方式，需要建立起完善的空气源热泵的稳态模型，该模型通常情况下包括压缩机和冷凝器以及蒸发器、节流阀等组成，为了提高计算的速度，将其节流阀的工作过程简化成为一维绝热流动，同时假定其蒸发器中的制冷器和空气是处于在错流的状态下，那么在冷凝器中，制冷剂和水位逆流的一个状态，并且护理换热器和其他管道的压降和热损失，压缩机通常情况下是采用的是变频压缩机，其容积效率和等熵效率在不同转速下会发生变化，当压缩机在非额定工况下运行时，根据推荐的方法进行修正。

2.2分析结除霜损失修正模型

为了考虑结霜所带来的影响，通过合理的采用结霜除霜损失系数对空气源热泵除霜中制冷量进行修正，对于该系数而言，其定义主要是为机组在一个结除霜周期内因为结除霜所损失的制热量和相同工况之下无霜时制热量的一个比值。

2.3分析机组启停损失修正模型

针对于变频空气源热泵，机组通过变频调节制热量，但是如果频率降低到最低的时候，其制热量依然是高于热负荷，那么需要进行启停控制，在开启热泵之后，是需要经过一段时间之后才可以让制热量达到稳定的状态中。所以在进行开启的过程中，机组性能会随之下降，而在长时间运行之后功耗会随之增加。为了考虑机组的启停损失，需要结合科学的计算方式，对负荷系数进行计算，同时评估热泵启动所带来的损失。

2.4分析调节方式

采取效率最好的变频机组群控的措施，结合室外的气象条件和供回水的温度，机组具有良好的运行频率，可以让机组运行效率最优，根据实际的负荷大小情况，科学的设置空气源热泵的数量，其中倒数的机组根据最优效率运行，剩余的一台机组通过间歇运行，使其制热量可以达到负荷要求。对于传统的集中供暖系统而言，调节方式包括了质调节、量调节以及等温差调节等等。然而针对于空气源热泵集中供暖工作而言，因为机组的性能将会受到外界气候带来的不同影响，同时气象参数在一天中会出现改变，要让机组供水温度处于不变的情况下存在难度，因此不适合采取量调节的方式。此外在工程中供暖季的跨度相对较长，建筑物的负荷也会存在不同的变化，为了使其可以处于良好的节能效果，需要采取多种调节方式组合应用，结合空气源热泵集中供暖系统中最小水流量比40%和最低供水温度30℃，可以采取以下的方式进行调节：调节方式一，质调节和间歇调节的组合，在建筑的负荷较大情况下，可以采用质调节，伴随着建筑的负荷降低，在供水温度降低到30℃，开始选择使用简写调节。调节方式二。分阶段的去改变流量的质调节和间歇调节组合。一般情况下需要结合负荷的大小，将其质调节可以分为三个阶段或两个阶段，各阶段保持水流量不变，改变供回水温度；随着建筑负荷的降低，供水温度降至30℃时，开始采用间歇调节。笔者采用分２阶段改变流量的质调节方式。三是调节方式3，等温差调节－质调节－间歇调节：在高负荷阶段采用等温差调节；随着建筑负荷减小，供回水温度与水流量同时降低，当相对流量降至最小流量比时，采用质调节，当供水温度降至30℃时，进入间歇调节。在此之外空气源热泵集中供暖系统热源站以及供热管网、供暖末端都是采用直接连接的方式，管网采用理想简单支状管网，既设计工况之下根据推荐比摩阻60Pa/m确定主干线尺寸和阻力，按照等压降原则确定支线管径。为简化计算，水泵输配能耗为理论功耗，仅考虑流量、扬程和水泵效率的影响，其中水泵效率取值0.8。当调节流量时，管道沿程阻力与流量的平方成反比，局部阻力取沿程阻力的0.2倍。

2.5分析调节方法评价指标

在空气源热泵集中供暖系统之中，除空气源热泵及组合，输配系统的能耗占据相对比较大，为了评价不同调节方式下机组和系统运行的表现，需要科学的采用季节性能系数（SCOP）和系统季节性能系数（HSPF）作为评价指标。

总结：总而言之，为了充分的去研究集中供暖空气热源泵的调节方式，需要完善空气热源泵集中供暖的数字模型，该模型考虑了结除霜损失和机组的启停损失，为了提高供暖系统在严寒和寒冷地区运行的能效，国内外学者提出了许多具有良好低环境温度适应性的空气源热泵产品及高效除霜策略。但不可避免的是，机组在部分寒冷地区城市仍存在较严重的结霜问题，因此在对供暖系统能耗进行研究的同时需要考虑机组结除霜损失。在此之外对于空气热源泵管理和运行的成本相对较低，并且能源利用效率很高，对环境没有污染，具有着良好的清洁效果。

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