靳成成王如竹翟曉強(qiáng)金哲權(quán)

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學(xué)能源與過程工程系 特隆赫姆）

采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究

靳成成1王如竹1翟曉強(qiáng)1金哲權(quán)2

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學(xué)能源與過程工程系 特隆赫姆）

為了提高空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能，研究了一套采用變回水溫度控制策略的空氣源熱泵機(jī)組的制冷性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，變回水溫度工況可滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求。與傳統(tǒng)采用定12℃回水溫度的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相比，COP更高，耗電量更小，是一種高效節(jié)能的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制方法。此外，所建立的Dymola模型從理論上驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上模擬實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)的能耗，模擬結(jié)果表明，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

空氣源熱泵；變回水溫度；Dymola模擬；制冷性能實(shí)驗(yàn)；性能系數(shù)（COP）

隨著人民生活水平的提高，建筑能耗在全國總能量中的比例日益加大，2014年我國建筑能耗占全國能源消費(fèi)總量約為25%。而在歐洲發(fā)達(dá)國家，建筑能耗已經(jīng)占總能耗的40%和CO2排放量的36%［1］。中國提出到2020年單位GDP碳排放下降40%～45%的減排目標(biāo)［2］，根據(jù)預(yù)測，到2020年，我國建筑能耗消費(fèi)總量還會有較顯著的提升。而在建筑能耗中，空調(diào)能耗占50%［3］。因此，降低空調(diào)能耗對建筑節(jié)能具有重要意義。Jenkins D等［4］對空氣源熱泵進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得出空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)更加節(jié)能，且在減少辦公室CO2排放量方面有顯著優(yōu)勢。空氣源熱泵冷熱水機(jī)組可以與風(fēng)機(jī)盤管結(jié)合形成比較高效的建筑樓宇空調(diào)系統(tǒng)，對解決舒適性供暖和高效制冷具有積極意義。

目前一些文獻(xiàn)已就提高空氣源熱泵性能進(jìn)行了研究，齊亞茹等［5］提出引入強(qiáng)化補(bǔ)氣技術(shù)，在低溫環(huán)境下使系統(tǒng)COP提高7.7% ～25.0%。楊亮等［6］提出一種外繞微通道冷凝器，通過仿真分析指出增大冷凝器可以提高系統(tǒng)COP，王志華等［7］、郝鵬飛等［8］提出了新型無霜空氣源熱泵。對于供回水溫度對空調(diào)系統(tǒng)的性能影響一些學(xué)者也進(jìn)行了研究。Bertsch S S等［9］、Li Y等［10］提出雙級壓縮熱泵在低溫環(huán)境下仍能達(dá)到較高的COP。王剛［11］提出優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況、系統(tǒng)阻力損失等因素來確定冷凍水的供回水溫度。楊曉敏［12］通過空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對小流量大溫差與大流量小溫差的運(yùn)行工況的節(jié)能性能進(jìn)行了對比分析，表明小溫差（5～7℃）下的系統(tǒng)節(jié)能率比大溫差（8℃）的節(jié)能率高。吳海平［13］通過擬合公式得出制冷量和溫差不變時，機(jī)組供水溫度由5℃升高至10℃時，COP提高約15%。鄭東林等［14］對不同運(yùn)行模式（定流量、定溫差、調(diào)節(jié)流量、調(diào)節(jié)末段開啟臺數(shù)控制）下的系統(tǒng)能耗進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用不同供回水溫差的控制方式可達(dá)到能耗最小的效果。吳偉等［15］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出當(dāng)夏季供10℃的冷水時，可實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組節(jié)能13%。從以上可以看出，已有研究集中于對10℃以下的供水溫度和5℃以上的較大供回水溫差的系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。此外，對供回水溫度的控制方式比較模糊，未明確如何通過具體的物理參數(shù)對其進(jìn)行控制。而本文對工況為13℃以上的供水溫度，3℃以下的小供回水溫差，回水溫度隨室外溫度變化的控制策略下的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與分析。通過對定、變回水溫度兩種控制策略下的系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬對比分析，得到具有實(shí)際應(yīng)用價值的結(jié)論。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

基于上海交通大學(xué)中意綠色能源實(shí)驗(yàn)樓的一套空氣源熱泵冷熱水空調(diào)系統(tǒng)，開展了系列實(shí)驗(yàn)研究，空調(diào)區(qū)域的總建筑面積為292 m2。室外機(jī)組為渦旋式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組，額定制冷量為39.2 kW，額定制熱量為39.5 kW，壓縮機(jī)額定功率為12.2 kW，所采用的制冷劑為R410A。冷凍水供回水設(shè)計溫度為7℃ /12℃。制冷機(jī)組有兩臺壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)啟停來控制供回水溫度，室內(nèi)末端的啟停來控制室內(nèi)溫度。

圖1所示為測試系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)共包含11個風(fēng)機(jī)盤管末端，通過調(diào)節(jié)末端的數(shù)量來控制系統(tǒng)的冷負(fù)荷。在空氣源熱泵換熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)放置溫度記錄儀，每隔2 min采集一次數(shù)據(jù)作為室外溫度，存儲24 h的數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入Excel表格進(jìn)行分析處理。供回水溫度采用Pt1000熱電阻進(jìn)行測量，耗電量采用電流互感器進(jìn)行測量，在數(shù)據(jù)采集儀上每隔2 min讀取數(shù)據(jù)，其測試精度與測試范圍如表1所示。實(shí)驗(yàn)中共測試了4個工況，如表2所示。

圖1　測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

表1　測試系統(tǒng)中不同傳感器的測試精度與測試范圍Tab.1 Specification of the sensors used in test system

表2　4種測試工況Tab.2 4 kinds of test condition

2　系統(tǒng)性能評價方法

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到機(jī)組總制冷量Q:

式中:c為水的比熱容，取4200 kJ/（kg·℃）；ρ為水的密度，取103kg/m3；v為空氣源熱泵機(jī)組的水流量，m3/h；Tin為回水溫度，℃；Tout為供水溫度，℃。

制冷機(jī)組平均COP為:

機(jī)組負(fù)荷率定義為一段時間內(nèi)機(jī)組實(shí)際耗電量與滿負(fù)荷運(yùn)行時的機(jī)組耗電量之比，即:

3　空調(diào)運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1定回水溫度控制策略

如圖2所示，本次實(shí)驗(yàn)選擇了氣候條件相似的兩天，比較回水溫度為12℃時兩種工況下機(jī)組的性能。

圖2　室外溫度隨時間變化曲線Fig.2 Variation of outdoor air temperature w ith time

圖3（a）和（b）分別表示末端開啟個數(shù)不同時的供回水溫度變化，定回水溫度策略時供回水溫差約為5℃。工況1負(fù)荷率較大，壓縮機(jī)切換了30次，工況2負(fù)荷率較小，運(yùn)行一個壓縮機(jī)即可在短時間內(nèi)達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度，造成壓縮機(jī)切換次數(shù)較多，切換了64次，對應(yīng)的是供回水溫度變化的次數(shù)，所以工況1供水溫度變化較平穩(wěn)，工況2供水溫度在6～12℃間劇烈變化。

圖3　供回水溫度隨時間變化曲線Fig.3 Variation of inlet and outlet tem perature w ith time

定回水溫度策略時兩種工況，流量為3.0 m3/h，工況1的平均制冷量為18.08 kW，負(fù)荷率為60%，COP為2.98；工況2的平均制冷量為15.46 kW，負(fù)荷率為40%，COP為3.80。由圖4可知，壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不同，對應(yīng)的COP不同。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)過程中，負(fù)荷相同時，相對于一個壓縮機(jī)連續(xù)運(yùn)行，工況1的COP為3.19，工況2的COP為3.49；在機(jī)組處于不停地切換運(yùn)行狀態(tài)時，能效降低，工況1的COP降低了6.6%，工況2的COP降低了4.6%，并且機(jī)組頻繁啟停會造成潤滑油發(fā)熱，壓縮機(jī)摩擦阻力變大，所以采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗员苊鈾C(jī)組頻繁啟停對降低機(jī)組能量損失有重要意義。

圖4　兩種工況機(jī)組功率隨時間變化曲線Fig.4 Variation of unit power consum ption w ith time under two conditions

3.2變回水溫度控制策略

根據(jù)熱泵的理論循環(huán)，供水溫度的提升可以優(yōu)化運(yùn)行工況，COP將有較大提升，所以可以設(shè)想在滿足室內(nèi)負(fù)荷的情況下適當(dāng)提高供水溫度，水溫提高除濕能力降低，建議在實(shí)際應(yīng)用中配置獨(dú)立除濕機(jī)組，例如固體吸附材料除濕［16］，形成溫濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)。隨著供水溫度提高，室內(nèi)末端與空氣的換熱量降低，在冷負(fù)荷較大時，若供水溫度設(shè)置過高，有可能不滿足室內(nèi)冷負(fù)荷需求，因此需要根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供回水溫度。

圖5所示為變回水溫度實(shí)驗(yàn)下的室外溫度隨時間的變化曲線，認(rèn)為是在相似的氣候條件下，對系統(tǒng)性能進(jìn)行對比。

如圖6所示，室外溫度較高時，供回水溫度同時下降，且回水溫度的下降速度高于供水溫度的下降速度，導(dǎo)致供回水溫差增大。系統(tǒng)全天運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，工況1的供回水溫差為2.69℃，是定回水溫度的54.7%，工況2的供回水溫差為2.38℃，是定回水溫度的53.8%。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)擬合得如下公式:

圖5　室外溫度隨時間變化曲線Fig.5 Variation of outdoor air temperature w ith time

圖6　供回水溫度隨時間變化曲線Fig.6 Variation of inlet and outlet temperature w ith time

式中:Tin為回水溫度，℃；Toutdoor為室外溫度，℃。實(shí)驗(yàn)期間，室內(nèi)負(fù)荷基本固定，所以，此擬合關(guān)系適用于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

變回水溫度策略時供回水溫差較小，流量為3.8 m3/h。工況1的制冷量為15.95 kW，負(fù)荷率為40%，COP為3.68；工況2的制冷量為15.29 kW，負(fù)荷率為28%，COP為5.43。由圖7可知，功耗的大小主要體現(xiàn)在壓縮機(jī)運(yùn)行時間和停機(jī)時間的比例，停機(jī)時間長，平均功耗較小。工況1壓縮機(jī)停機(jī)6 h，工況2壓縮機(jī)停機(jī)11 h，所以工況2負(fù)荷率較小。

圖7　兩種工況機(jī)組功率隨時間變化曲線Fig.7 Variation of unit power consumption w ith time under two conditions

3.3定回水溫度策略與變回水溫度策略比較

定回水溫度與變回水溫度控制策略均能使室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)，衡量這兩種控制策略的節(jié)能性就表現(xiàn)為機(jī)組COP。

圖8　定回水溫度策略與變回水溫度策略系統(tǒng)性能比較Fig.8 System performance comparison of fixed inlet water temperature strategy and variable inlet water tem perature strategy

如圖8所示，采用定回水溫度控制策略時，工況1的COP為2.98，工況2的COP為3.80；采用變回水溫度控制策略時，對應(yīng)工況的COP分別為3.68和5.43，與前者相比，工況1的COP提高了23%，工況2的COP提高了43%，所以變回水溫度控制策略在工況2下耗電量更小，COP更高。

4　系統(tǒng)性能仿真

4.1建立模型

Dymola是一種較好的模擬熱泵的軟件，采用Modelica語言編寫程序，可調(diào)用多種模型庫，圖9中模型建立在TIL庫的基礎(chǔ)上，為以R410a為制冷劑的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)?？諝鈧?cè)室外風(fēng)機(jī)是在最大風(fēng)量的限制下，根據(jù)冷凝器進(jìn)口處，制冷劑和室外空氣最小溫差，采用PI控制。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)包含壓縮機(jī)，板式蒸發(fā)器，翅片盤管冷凝器，膨脹閥等。壓縮機(jī)根據(jù)回水溫度進(jìn)行PI控制；膨脹閥根據(jù)熱力膨脹閥的原理，使用3℃的過熱度進(jìn)行閥門開度控制。根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況下所測得數(shù)據(jù)，包括冷負(fù)荷、室外空氣溫、濕度為邊界條件，模擬出某一夏季工況下的熱泵運(yùn)行特性。主要模擬結(jié)果包括:機(jī)組COP，供回水溫度以及機(jī)組功耗隨時間的變化情況。

圖9　空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷循環(huán)模型圖Fig.9 M odel diagram of air source heat pum p cooling system

4.2模型驗(yàn)證與預(yù)測

以定回水溫度策略的工況2和變回水溫度策略的工況2中室外溫濕度、制冷量作為邊界條件驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。表3所示為模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較。

由圖10（a）可知，室外溫度升高時，模擬的COP降低，與理論相符。但在室外溫度較低時，實(shí)際測試中使用的雙壓縮機(jī)啟停，機(jī)組的啟停較為頻繁，造成機(jī)組損耗較大。全天COP模擬值與實(shí)測值相差7%以內(nèi)，工程上滿足精度要求。

表3　模擬與實(shí)測全天平均制冷量、耗電量、COP比較Tab.3 Com parison of average cooling consum ption，power consum ption and COP all day

以定回水溫度策略的工況2所測室外溫濕度、制冷量為邊界條件，導(dǎo)入回水溫度與室外空氣溫度擬合關(guān)系式公式（4）測得變回水溫度控制策略模擬結(jié)果，消除了實(shí)驗(yàn)中室外溫度變化和流量變化的影響，確保與定回水溫度策略比較時結(jié)果的可信性。由表4和圖11可知，室外溫度較高時，回水溫度降低，供水溫度降速更快，對應(yīng)的供回水溫差變大，與實(shí)驗(yàn)所測趨勢一致。

表4　回水溫度模擬值與實(shí)測值比較Tab.4 Comparison of simulated and experimental inlet water temperature

輸入制冷量為15.46 kW，模擬得變回水溫度控制策略的耗電量為3.52 kW，COP為4.39。在相同的邊界條件下，設(shè)定回水溫度為12℃，即為表3中定回水溫度工況2所示，定回水溫度控制策略的COP 為3.99，變回水溫度控制策略較定回水溫度控制策略COP提高了10%。

5　結(jié)論

本文對采用了變回水溫度控制策略的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，可得出如下結(jié)論:

圖10　兩種工況的COP模擬值與實(shí)測值比較Fig.10 Com parison of simulated and experimental COP under two conditions

圖11　變回水溫度策略下模擬供回水溫度Fig.11 Simulated inlet and outlet water tem perature w ith variable inlet water tem perature strategy

1）實(shí)驗(yàn)表明，采用變回水溫度控制策略較定回水溫度控制策略COP更高，在部分末端運(yùn)行時效果更好，COP的提高更加明顯；

2）系統(tǒng)模擬表明，典型日變回水溫度工況優(yōu)于定回水溫度工況，COP由3.99提高至4.39，提高了10%。

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Wang Ruzhu，male，Ph.D.，professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn.Research fields:air source heat pump，building energy saving，absorption refrigeration.

Analysis of an Air Source Heat Pum p Space Cooling System under Variable Inlet W ater Tem perature Condition

Jin Chengcheng1Wang Ruzhu1Zhai Xiaoqiang1Jin Zhequan2

（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China；2.Institute of Energy and Process，Norwegian University of Science and Technology，Trondheim）

In order to enhance the operating performance of air source heat pump，the performance of air source heat pump（ASHP）system with the variable inletwater temperature strategywas experimentally studied.As field testshows，the condition of variable outletwater temperature could satisfy the indoor cooling demmand.Compared with traditional ASHP cooling system adopting fixed 12℃ inlet water temperature，this kind of system is proved to bewith higher COP and lower power consumption，and therefore is an obvious energy saving system.In addition，the Dymolamodelwas established to verify the experimental results，and the simulation of energy consumption ofactual air conditioning system was conducted based on themodel.The results indicated that COPwould improve 10 percent from 3.99 to 4.39. Keywords air source heat pump；variable inletwater temperature；Dymola simulation；refrigeration performance test；COP

About the

TQ051.5；TU831.3；TP391.9

A

0253-4339（2016）05-0075-07

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.075

2016年2月25日

簡介

王如竹，男，博士，教授，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，（021）34206548，E-mail:rzwang@sjtu.edu.cn。研究方向:空氣源熱泵、建筑節(jié)能、吸附制冷。