空气源热泵8℃供暖能耗分析.pdf

2 8 暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期热泵技术引用本文:张晓萌,李天普,倪龙.空气源热泵8供暖能耗分析J.暖通空调,2 0 2 3,5 3(1 1):2 8 3 4.D O I:1 0.1 9 9 9 1/j.h v a c 1 9 7 1.2 0 2 3.1 1.0 5空气源热泵8供暖能耗分析*张晓萌1,2 李天普3 倪 龙1,2(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨;2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,哈尔滨;3.山东福德新能源设备有限公司,枣庄)摘要:集中供暖一般在日平均温度低于5时进行,但随着人们对热舒适的更高追求,逐渐出现了8供暖的呼声,多地也实质上进行了提前供暖。近几年,空气源热泵供暖系统的发展为部分用户个性化供暖提供了条件。为探究空气源热泵8供暖模式的能耗增幅,结合气象参数建立和验证了5供暖模式单位设计热负荷耗电量计算模型和8供暖模式耗电量增幅计算模型。结果表明:5供暖模式空气源热泵机组耗电量主要受供暖室外平均温度、平均相对湿度和供暖期时长的影响;8供暖模式的能耗增幅则主要取决于供暖季增加天数内的室外平均温度和供暖季增加天数,几乎不受相对湿度的影响,当供暖增加天数百分率在2 0%以下时,耗电量增加百分率比供暖增加天数百分率低6%1 1%,而当供暖增加天数百分率为2 0%3 0%时,空气源热泵耗电量增加百分率为1 2%2 0%,对空气源热泵系统的运行经济性产生明显影响。关键词:空气源热泵;8供暖;5供暖;耗电量;室外平均温度;供暖期时长;能耗增幅E n e r g yc o n s u mp t i o na n a l y s i so fa i r-s o u r c eh e a tp u mph e a t i n ga t 8Z h a n gX i a o m e n g1,2,L iT i a n p u3,N iL o n g1,2(1.H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,H a r b i n;2.K e yL a b o r a t o r yo fC o l dR e g i o nU r b a na n dR u r a lH u m a nS e t t l e m e n tE n v i r o n m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,M i n i s t r yo f I n d u s t r ya n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,H a r b i n;3.S h a n d o n gF u d eN e wE n e r g yE q u i p m e n tC o.,L t d.,Z a o z h u a n g)A b s t r a c t:C e n t r a l h e a t i ngi sge n e r a l lyc a r r i e do u tw h e nt h ea v e r aged a i lyt e mpe r a t u r e i s l o w e r t h a n5,b u tw i t hpe opl e sh igh e rpu r s u i to ft h e r m a l c o m f o r t,t h ec a l l f o rh e a t i nga t8 h a sgr a d u a l lyap pe a r e d,a n dm a nypl a c e sh a v ee s s e n t i a l lyc a r r i e do u ta d v a n c eh e a t i ng.I nr e c e n tye a r s,t h ed e v e l opm e n to fa i r-s o u r c eh e a tpu mph e a t i ngsys t e m sh a spr o v i d e dc o n d i t i o n s f o rpe r s o n a l i z e dh e a t i ngf o r s o m eu s e r s.I no r d e r t oe xpl o r et h ee n e rg yc o n s u mpt i o ni n c r e m e n t i n8 h e a t i ngm o d eo fa i r-s o u r c eh e a tpu mps,c o m b i n e dw i t hm e t e o r o l ogi c a lpa r a m e t e r s,t h ec a l c u l a t i o nm o d e l o fpo w e r c o n s u mpt i o npe ru n i td e s ignh e a t i ngl o a d i n5 h e a t i ngm o d ea n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fpo w e rc o n s u mpt i o ni n c r e a s ei n8 h e a t i ngm o d ea r ee s t a b l i s h e da n dv e r i f i e d.T h er e s u l t s s h o wt h a tt h epo w e rc o n s u mpt i o no ft h ea i r-s o u r c eh e a tpu mpu n i ti n5 h e a t i ngm o d ei sm a i n lya f f e c t e dbyt h eo u t d o o ra v e r aget e mpe r a t u r e,a v e r ager e l a t i v eh u m i d i tya n dh e a t i ngpe r i o d.T h ee n e rg yc o n s u mpt i o ni n c r e m e n ti n8 h e a t i ngm o d e m a i n lyd epe n d so nt h eo u t d o o ra v e r aget e mpe r a t u r ei nt h ea d d i t i o n a ld aysa n dt h en u m b e ro fa d d i t i o n a l d ays i nt h eh e a t i ngs e a s o n,a n di sa l m o s tn o ta f f e c t e dbyr e l a t i v eh u m i d i ty.Wh e n t h epe r c e n t age o f h e a t i ngi n c r e a s e d aysi sl e s st h a n 2 0%,t h epe r c e n t agei npo w e rc o n s u mpt i o n i n c r e a s e i sge n e r a l lyl o w e r t h a n t h a t o fh e a t i ngi n c r e a s ed ays by6%t o1 1%.Wh e n t h epe r c e n t ageo fh e a t i ngi n c r e a s ed ays i sb e t w e e n2 0%a n d3 0%,t h epe r c e n t ageo fpo w e rc o n s u mpt i o ni n c r e a s eo ft h ea i r-s o u r c eh e a tpu mpi sb e t w e e n1 2%a n d2 0%,w h i c hh a sas ign i f i c a n t i mpa c to nt h eope r a t i nge c o n o myo ft h ea i r-s o u r c eh e a tpu mpsys t e m.K eyw o r d s:a i r-s o u r c eh e a tpu mp;h e a t i nga t 8;h e a t i nga t5;po w e rc o n s u mpt i o n;o u t d o o ra v e r aget e mpe r a t u r e;h e a t i ngpe r i o d;e n e rg yc o n s u mpt i o ni n c r e m e n t*国家重点研发计划项目(编号:2 0 2 1 Y F E 0 1 1 6 1 0 0)张晓萌,女,1 9 9 8年生,在读博士研究生倪龙(通信作者)1 5 0 0 9 0黑龙江省哈尔滨市南岗区哈尔滨工业大学建筑学院E-m a i l:n i l o n g g n 1 6 3.c o m收稿日期:2 0 2 3 0 3 3 1修回日期:2 0 2 3 0 5 3 10 引言传统集中供暖一般在日平均温度5 时进行(本文简称5供暖),但相关调查表明,供暖开始前与供暖结束后的2个阶段内分别有4 7.5%和2 0 2 3(1 1)张晓萌,等:空气源热泵8供暖能耗分析2 9 4 7.1%的受试者希望室温升高1,维持更好的室内热舒适性。我国部分地区也通过行政手段要求供热企业提前供暖、延后停暖,满足人民对美好生活的需要。2 0 2 02 0 2 1年供暖季,纳入监测的7 6个城市中有6 4个延长供暖,平均延长1 4d,其中6 0个城市提前、4 5个延后,天津市更是已经连续6年提前启动集中供暖2。在日平均温度8 时开启供暖(简称8供暖),可提高室内热舒适性。为此,我国现行规范分别给出了主要城市室外气温5 和8 的起止日期、天数、相对湿度等参数3,便于设计人员选用。但是否采用8供暖的主要影响因素为经济性,8供暖比5供暖会延长供暖期天数,给供热企业或用户带来一定的经济负担。随着供暖热源的小型化和灵活性增强,小型分布式集中供暖系统和户式供暖系统(如空气源热泵供暖系统)对经济性较好的用户实施8供暖有较大的吸引力。目前,空气源热泵供暖成为“煤改清洁能源”的主要方式之一。随着压缩机技术的发展,空气源热泵单机大型化的趋势明显4,由空气源热泵机组群组组成的分布式空气源热泵集中供暖系统也有较多的工程应用5。但总体而言,空气源热泵供暖系统多为户式或小型系统,集中供暖系统的热源站也仅为几栋楼或住宅小区服务,可灵活实现供暖,在收费上也容易实现8供暖。但与传统化石能源供暖的热源出力稳定不同,空气源热泵在实际应用过程中,供暖系统性能受到室外环境温度6、结霜程度7、应用规模8等众多因素的影响。研究表明,在分布式集中供暖系统中,结霜会使电力消耗增加3.8 5%1 7.4 1%,季节性C O P值下降3.7 2%1 4.8 3%,机组启停能耗增加0.6 8%3.1 9%8。对空气源热泵供暖系统而言,8供暖虽会导致运行时间增加,能源消耗和运行费用受到影响,但增加运行的时段内负荷较小,室外气温较高,一般结霜不重,热泵机组能效较高,对空气源热泵供暖十分有利9。为探究空气源热泵8供暖的经济性,本文建立了逐时制热量和耗电量的计算模型,考虑室外环境温度和结霜程度对空气源热泵制热能力的影响,以4个严寒地区城市和7个寒冷地区城市为例,计算得出8供暖与5供暖相比的能耗增幅,分别建立了5供暖模式单位热负荷耗电量计算模型和8供暖模式耗电量增幅计算模型,并对模型进行了验证,以此评估8供暖的经济性。1 空气源热泵机组耗电量计算模型考虑到计算简便性,作如下假设和说明:1)供暖为连续供暖。2)不考虑围护结构等蓄热对逐时负荷的影响。3)热泵机组的制热量与逐时负荷相等,不考虑输配等因素的影响。4)热泵供暖系统不设置辅助热源。5)耗电量计算模型中仅考虑热泵机组能耗,未计算水泵等设备的输配能耗。一方面,空气源热泵供暖系统的能耗中热泵机组能耗占比最大;另一方面,水泵能耗与输配调节方式等有关,差异较大,是重要的节能点8,如水泵配合机组频率变流量运行或室外气温较高机组间歇调节时水泵可连续、间歇、低频运行等。6)热泵机组能耗的计算仅考虑室外气象参数的影响,不考虑压缩机调节、启停、供电等其他影响因素,也未考虑供回水温度调节对机组能耗的影响。供暖季内空气源热泵总耗电量Q计算式为Q=Ni=12 4j=1Wi,j(1)式中 N为供暖季总天数,d;i为供暖季的日期序号;j为供暖日的小时数序号;Wi,j为空气源热泵在供暖季第i天第j小时的耗电功率,kW。Wi,j的计算式为Wi,j=Qi,ji,j(2)式中 Qi,j为供暖季第i天第j小时的热负荷,kW;i,j为考虑结、除霜因素后的供暖季第i天第j小时的性能系数。假设供暖室内温度在供暖季维持不变,为1 8,则供暖季第i天第j小时的热负荷为Qi,j=Q0tn-ti,jtn-tw n(3)式中 Q0为设计热负荷,kW;tn为供暖室内设计温度,取1 8;ti,j为供暖季第i天第j小时的室外干球温度,;tw n为供暖室外计算温度,。为满足建筑设计热负荷Q0,考虑低温衰减和结霜影响后,空气源热泵机组名义工况制热量可按式(4)计算:Q*=Q0(2 7 3.1 5+tr)/(2 7 3.1 5+tw n)m11-i,j(4)3 0 暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期热泵技术式中 Q*为机组的名义工况制热量,k W;tr为名义工况室外环境干球温度,参考G B/T1 8 4 3 0.12 0 0 7 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组 名义工况室外环境干/湿球温度为7/6;m1为环境因子指数,根据文献1 0 的拟合公式,取6.9 2 14;i,j为供暖季第i天第j小时的结、除霜损失系数,与相对湿度和室外气温有关,计算公式见文献8。将式(4)中的Q0代入式(3)可得式(5):Qi,j=Q*(2 7 3.1 5+tw n2 7 3.1 5+tr)m1(tn-ti,jtn-tw n)(1-i,j)(5)供暖期间室外气象参数随时间而发生变化,从而影响空气源热泵的C O P。一般而言,空气源热泵的C O P随着室外气温的降低而降低,室外气温和相对湿度会影响结霜程度,从而影响C O P。供回水温度的变化也会对C O P产生一定的影响,一方面考虑到调节模式的复杂性,另一方面,空气源热泵供水温度一般不高,变化的幅度不太大,其影响较室外参数变化的影响小。为简化计算,本文未考虑供回水温度变化的影响。考虑室外温度修正和结、除霜因素后供暖季第i天第j小时的C O P如式(6)所示:i,j=rE t(i,j)(1-d(i,j)(6)式中 i,j为供暖季第i天第j小时的C O P;r为额定工况下的性能系数;E t(i,j)为不同室外温度下的性能系数环境因子;d(i,j)为结霜引起的性能系数降低修正,可参考文献8 计算。在室外环境干球温度为7时,我国空气源热泵机组的C O P在2.54.5之间1 1,本文取3.5。在额定出水温度下,室外环境干球温度为ta时空气源热泵的性能系数与其名义工况(本文按干球温度7考虑)性能系数的比值定义为名义工况性能系数环境因子E t,其值与室外环境干球温度ta、名义工况对应的室外环境干球温度tr的关系可用性能系数环境因子指数m2来衡量1 2,可通过对空气源热泵产品制热性能状态点进行拟合来确定m2的值,拟合结果如图1所示。由拟合结果可知性能系数环境因子指数m2的值为5.6 5,因此可得性能系数环境因子计算式:E t(i,j)=(2 7 3.1 5+ti,j2 8 0.1 5)5.6 5(7)式中 2 8 0.1 5为对应7室外温度的热力学温度,K。注:图中不同图例代表不同产品的性能。图1 空气源热泵性能系数关系式拟合结果将式(5)、(6)代入式(2)可计算供暖季第i天第j小时的耗电量。2 结果分析建立空气源热泵机组耗电量的计算模型后,可结合逐时气象数据计算出空气源热泵机组单位设计热负荷的逐时制热量和耗电量,从而分别得出5供暖和8供暖的耗电量,并据此作比较和评估。2.1 空气源热泵供暖气象参数计算根据G B5 0 7 1 62 0 1 6 民用建筑热工设计规范1 3的建筑热工分区一级和二级区划指标,分别从严寒B区、严寒C区、寒冷A区和寒冷B区4个区域内各选择24个典型城市。严寒A区由于冬季极为寒冷,全供暖季应用空气源热泵供暖的挑战较大,故暂不考虑选取严寒A区的代表城市。典型城市的选取原则是不同城市的距离相隔较远(距离3 5 0k m以上),且每个典型城市都能各自代表不同的地理区域,最大程度覆盖整个热工分区。因此,严寒B区选取哈尔滨和锡林浩特;严寒C区选取沈阳和呼和浩特;寒冷A区选取大连、太原、兰州;寒冷B区选取北京、济南、郑州和西安。各典型城市的供 暖室外计算 温 度 等 参 数 按 照G B5 0 7 3 62 0 1 2 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范3取值,如表1所示。8供暖相对于5供暖增加的天数用式(8)计算:N8-5=N8-N5(8)式中 N8-5为8供暖相对于5供暖增加的供暖天数,d;N8为日平均温度8 的天数,d;N5为日平均温度5的天数,d。增加天数的平均温度按式(9)计算:t8-5=t8N8-t5N5N8-N5(9)式中 t8-5为增加天数的平均温度,;t8为日平均温度8 期间内的平均温度,;t5为日平均温度5期间内的平均温度,。2 0 2 3(1 1)张晓萌,等:空气源热泵8供暖能耗分析3 1 表1 严寒、寒冷地区典型城市日平均气温5和8的起止日期和气象参数热工分区 供暖室外计5供暖8供暖算温度/起止日期天数/d平均温度/起止日期天数/d平均温度/锡林浩特严寒B区-2 5.21 0月1 1日至次年4月1 7日1 8 9-9.71 0月1日至次年4月2 7日2 0 9-8.1哈尔滨严寒B区-2 4.21 0月1 7日至次年4月1 0日1 7 6-9.41 0月8日至次年4月2 0日1 9 6-7.8呼和浩特严寒C区-1 7.01 0月2 0日至次年4月4日1 6 7-5.31 0月1 2日至次年4月1 3日1 8 4-4.1沈阳严寒C区-1 6.91 0月3 0日至次年3月3 0日1 5 2-5.11 0月2 0日至次年4月9日1 7 2-3.6太原寒冷A区-1 0.11 1月6日至次年3月2 6日1 4 1-1.71 0月2 3日至次年3月3 1日1 6 0-0.7大连寒冷A区-9.81 1月1 6日至次年3月2 7日1 3 2-0.71 1月6日至次年4月6日1 5 20.3兰州寒冷A区-9.01 1月5日至次年3月1 4日1 3 0-1.91 0月2 0日至次年3月2 8日1 6 0-0.3北京寒冷B区-7.61 1月1 2日至次年3月1 4日1 2 3-0.71 1月4日至次年3月2 7日1 4 40.3济南寒冷B区-5.31 1月2 2日至次年3月3日1 0 21.41 1月1 3日至次年3月1 4日1 2 22.1郑州寒冷B区-3.81 1月2 6日至次年3月2日9 71.71 1月1 2日至次年3月1 6日1 2 53.0西安寒冷B区-3.41 1月2 3日至次年3月2日1 0 01.51 1月9日至次年3月1 5日1 2 72.6 增加天数的平均相对湿度按式(1 0)计算:8-5=8N8-5N5N8-N5(1 0)式中 8-5为增加天数的平均相对湿度;8为日平均温度8期间内的平均相对湿度;5为日平均温度5期间内的平均相对湿度。中国建筑热环境分析专用气象数据集1 4中给出了不同城市的逐时含湿量,由此可计算逐时相对湿度。相对湿度是实际水蒸气分压力pq和该干球温度下饱和水蒸气分压力pq b(采用文献1 5的经验公式计算)的比值,计算式见式(1 1):=pqpq b1 0 0%(1 1)实际水蒸气分压力pq的计算式为pq=B d6 2 2+d(1 2)式中 B为大气压力,P a,通常取1个标准大气压,即1 0 13 2 5P a;d为含湿量,g/k g。将式(1 2)代入式(1 1)即可计算出逐时相对湿度,从而计算出8供暖和5供暖时的平均相对湿度。8供暖和5 供暖增补气象参数如表2所示。2.2 5供暖热泵机组耗电量表2 8供暖和5供暖增补气象参数热工分区平均相对湿度/%8供暖相对5供暖5供暖8供暖增加天数/d增加天数的平均温度/增加天数的平均相对湿度/%锡林浩特严寒B区7 4.37 3.02 07.06 0.9哈尔滨严寒B区6 8.36 7.52 06.36 0.8呼和浩特严寒C区5 9.05 7.51 77.74 2.5沈阳严寒C区6 6.36 4.72 07.85 2.2太原寒冷A区5 9.25 9.81 96.76 4.1大连寒冷A区5 7.95 7.72 06.95 5.9兰州寒冷A区6 9.26 9.13 06.66 8.8北京寒冷B区4 5.64 5.62 16.24 5.6济南寒冷B区5 5.65 3.72 05.74 4.4郑州寒冷B区6 1.16 3.52 87.57 1.5西安寒冷B区6 8.06 8.92 76.77 2.1 根据所选典型城市的气象数据,计算热泵机组承担单位设计热负荷时的名义工况制热量,结果如表3所示。计算得到的空气源热泵机组承担的单位设计热负荷供暖季内的耗电量如图2所示。从图2可以看出,不同城市由于室外干湿球温度分布和供暖期长短不同,空气源热泵供暖时单位设计热负荷机组能耗差异很大,但总体随着供暖室外平均温度的降低而增大。一般而言,供暖室外平均温度越低,供暖期越长,双重作用下对空气源热泵耗电量的影响越大。但当供暖室外平均温度相差不大时,结、除霜能耗对总体能耗影响较大。如兰州的供暖室外计算温度高于大连,供暖期也略短,但兰州的供暖室外平均温度低于大连,因此单位设计热负荷耗电量反而较大连高;济南、郑州和西安供暖室外平均温度相差不大,但单位设计热负荷耗电量却依次增加。根据 中国建筑热环境分析专用气象数据集1 4,采用文献1 6 的方法计算得到的结霜区时3 2 暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期热泵技术表3 单位设计热负荷空气源热泵名义制热量热工分区供暖室内设计温度/供暖室外计算温度/单位设计热负荷机组名义制热量/(k W/k W)锡林浩特严寒B区1 8-2 5.23.4 8 7哈尔滨严寒B区1 8-2 4.23.3 8 5呼和浩特严寒C区1 8-1 7.02.8 1 2沈阳严寒C区1 8-1 6.92.7 9 9太原寒冷A区1 8-1 0.12.2 7 7大连寒冷A区1 8-9.82.3 4 5兰州寒冷A区1 8-9.02.2 7 8北京寒冷B区1 8-7.62.1 8 1济南寒冷B区1 8-5.32.0 5 2郑州寒冷B区1 8-3.81.9 8 7西安寒冷B区1 8-3.41.9 2 1间如表4所示。从表4可知,兰州易结霜区占比为5 5.1%,显著高于大连的3 6.2%,而重霜区占比更是大连的近2倍;西安、郑州和济南的易结霜区占比分别为6 2.9%、5 3.3%和3 7.6%,导致了耗电量的增加。同样从表2的5供暖平均相对湿度亦能看出,兰州的供暖期平均相对湿度高于大连,西安、郑州和济南平均相对湿度依次降低。图2 5供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量表4 结霜区比例统计%易结霜区不易结霜区重霜区哈尔滨2 3.07 7.07 7.0锡林浩特3 4.56 5.53.9沈阳3 6.16 3.92.9呼和浩特2 2.27 7.88.3大连3 6.26 3.83.6太原3 9.06 1.09.8兰州5 5.14 4.91 0.5北京2 4.07 6.01 7.3济南3 7.66 2.44.5郑州5 3.34 6.71 3.3西安6 2.93 7.12 2.1 由此可见,影响5供暖模式空气源热泵机组耗电量的主要因素有3个:供暖室外平均温度、平均相对湿度和供暖期时长。供暖室外平均温度越低、供暖期越长,机组耗电量越大。供暖室外平均温度的影响最大,当供暖室外平均温度相差不大时,供暖季内的平均相对湿度越大,整体结霜越严重,结、除霜能耗越大,机组耗电量越大。如前所述,供暖期室外干球温度、供暖期时长及相对湿度会对热泵机组耗电量产生影响。一般而言,室外干球温度越低、供暖期越长、相对湿度越大,机组耗电量越高。因此,为了更直观地定量表示气象参数对耗电量的影响,选取合适的唯象拟合公式进行拟合,得到单位设计热负荷耗电量W、5供暖的平均温度t5和平均相对湿度5,以及供暖期天数N5的关系式:W=C1(2 7 3.1 5+t52 7 3.1 5+tr)n1(51 0 0%)n2(N53 6 5)n3(1 3)式中 C1、n1、n2、n3为拟合值,如表5所示。表5 单位热负荷耗电量模型拟合参数R2(决定系数)C1n1n2n30.9 8 5018 0 2.1 8-4.4 00.2 60.7 42.3 8供暖空气源热泵耗电量增幅根据式(1)分别计算出5供暖和8供暖时供暖季内空气源热泵单位设计热负荷总耗电量,并得出空气源热泵在8供暖时相比5 供暖时的耗电量增加百分率,如式(1 4)所示。计算结果如图3所示。P=W8-W5W51 0 0%(1 4)式中 P为耗电量增加百分率;W5为5供暖空气源热泵单位设计热负荷耗电量,kWh/kW;W8为8 供暖空气源热泵单位设计热负荷耗电量,kWh/kW。图3 8供暖模式空气源热泵耗电量增加百分率和供暖增加天数百分率由图3可知,空气源热泵耗电量增加百分率与供暖增加天数百分率基本呈正相关关系,供暖增加天数百分率越大,空气源热泵耗电量增幅越大。其中,供暖增加天数百分率为1 0.1 8%2 8.8 7%,耗电量增加百分率为2.9 1%1 9.7 4%,耗电量增幅2 0 2 3(1 1)张晓萌,等:空气源热泵8供暖能耗分析3 3 小于供暖天数增幅。当供暖增加天数百分率在2 0%以下 时,空 气 源 热 泵 耗 电 量 增 加 百 分 率 在1 0%以下,比供暖增加天数百分率低6%1 1%;当供暖增加天数百分率为2 0%3 0%时,空气源热泵耗电量增加百分率为1 2%2 0%,如兰州能耗增幅达到1 2%,郑州和西安的能耗增幅为1 8%左右,对空气源热泵系统的运行经济性已经产生明显影响。因此在供暖增加天数较长、纬度较低的城市,需要评估改为8供暖而产生的能耗和运行电费的额外增加值。此外,由表2和表3可知,济南、郑州和西安增加天数的平均相对湿度依次升高,易结霜区和重霜区比例依次增大,但郑州的耗电量增加百分率却高于西安,这是因为西安的供暖增加天数百分率较大。由此可以看出,天数增幅对8供暖能耗增幅的影响更大,远超过室外干球温度和相对湿度的影响。与2.2节类似,为了更直观地定量表示气象参数对耗电量增加百分率的影响,对单位设计热负荷耗电量增加百分率P与增加天数的平均温度t8-5、平均相对湿度8-5及供暖增加天数百分率的关系建立计算模型,如式(1 5)所示。P=C2(2 7 3.1 5+t8-52 7 3.1 5+t5)n4(8-51 0 0%)n5(N8-N5N5)n6(1 5)式中 C2、n4、n5、n6为拟合值,如表6所示。表6 8供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率拟合参数R2C2n4n5n6拟合值10.9 4 621.1 7-8.1 00.0 91.3 6拟合值20.9 4 581.2 0-7.0 101.4 2 拟合结果如图4所示。在式(1 5)中,相对湿度的指数n5仅为0.0 9,远远小于温度项的指数n4,说明8 供暖模式空气 源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率受相图4 8供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率关系式拟合结果对湿度影响较小,也就是说,8 供暖导致的供暖季延长期间结霜不严重,这是因为8供暖模式增加天数的室外气温较高,能有效阻碍结霜,为此,将n5设置为0,重新拟合后的参数值和结果也示于表6和图4中。从表6和图4可以看到,其拟合结果也能接受。因此,8供暖模式的能耗增幅主要取决于室外平均温度和供暖季增加天数,几乎不受相对湿度的影响,可不考虑相对湿度的影响。3 模型验证与推广考虑到现阶段缺乏5供暖和8供暖的完整实测数据,尤其是8供暖,此外,实际工程运行模式、运行条件复杂,不同工程之间的差异较大,如第1章所述,本文的模型有诸多简化,尚不能完全刻画这种复杂性。虽然如此,本文的5供暖的计算结果与中国制冷学会收集的实际工程项目案例的能耗数据大体一致1 7。为进一步验证5供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量模型和8供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率模型的可靠性和通用性,分别在严寒B区、严寒C区、寒冷A区和寒冷B区4个区域内各选择1个典型城市进行分析,相关气象参数如表7所示。采用式(1)(7)计算逐时模拟累加值和式(1 3)(1 5)计算拟合值,计算结果如图5和表8所示。表7 模型验证城市日平均气温5和8的天数和气象参数热工分区供暖室外计5供暖8供暖8供暖相对5供暖算温度/天数/d平均温度/平均相对湿度/%天数/d平均温度/平均相对湿度/%增加天数/d增加天数平均温度/齐齐哈尔严寒B区-2 3.81 8 1-9.55 6.01 9 8-8.15 5.11 76.8大同 严寒C区-1 6.31 6 3-4.85 8.21 8 3-3.55 6.42 07.1承德 寒冷A区-1 3.31 4 5-4.15 1.01 6 6-2.95 0.92 15.4徐州 寒冷B区-3.69 72.06 6.41 2 43.06 6.82 76.6 从表8和图5可以看出,模型拟合值与逐时模拟累加值的误差较小,模型预测结果基本准确,该模型可以较为准确地计算出5供暖模式空气源热 泵单位设计热负荷耗电量和8供暖模式空气3 4 暖通空调H V&A C 2 0 2 3年第5 3卷第1 1期热泵技术图5 模型验证结果表8 模型验证误差%热工分区5供暖耗电量拟合误差8供暖耗电量拟合误差齐齐哈尔严寒B区0.9 8-0.1 7大同 严寒C区5.4 0-0.4 0承德 寒冷A区-1.6 7-0.2 6徐州 寒冷B区6.7 71.4 1源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率。4 结论1)5 供暖模式下,供暖室外平均温度对空气源热泵机组耗电量影响最大,当供暖室外平均温度相差不大时,供暖季内的平均相对湿度越大,结、除霜能耗越大,机组耗电量越大。2)从空气源热泵能耗增幅来看,8 供暖模式的能耗增幅主要取决于增加天数内的室外平均温度和供暖季天数增幅,几乎不受相对湿度的影响。其中,供暖季天数增幅对8供暖模式的能耗增幅影响更大,供暖季天数增幅越大,能耗增幅越大,但耗电量增幅小于天数增幅。3)采用8供暖模式时,当供暖增加天数百分率在2 0%以下时,耗电量增加百分率在1 0%以下,比供暖增加天数百分率低6%1 1%;当供暖增加天数百分率为2 0%3 0%时,空气源热泵耗电量增加百分率为1 2%2 0%,对空气源热泵系统的运行经济性产生明显影响。4)为验证本文建立的5供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量模型和8供暖模式空气源热泵单位设计热负荷耗电量增加百分率模型,选取严寒B区、严寒C区、寒冷A区和寒冷B区4个区域的城市进行了验证。结果表明,模型拟合值与逐时模拟累加值的误差较小,可用于空气源热泵5供暖模式和8供暖模式的能耗计算。参考文献:1 王昭俊,宁浩然,任静,等.严寒地区人体热适应性研究(1):住宅热环境与热适应现场研究J.暖通空调,2 0 1 5,4 5(1 1):7 3 7 9.2 周闻韬,王皓,孙亮全,等.“提前供暖”背后的那些事N.新华每日电讯,2 0 2 1-1 0-2 8(8).3 中国建筑科学研究院.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范:G B5 0 7 3 62 0 1 2S.北京:中国建筑工业出版社,2 0 1 2:1 0 2 1 7 7.4 赵恒谊.空气源热泵供暖市场发展与展望J.中国建筑金属结构,2 0 2 0(1 0):1 7 1 9.5 中国节能协会热泵专业委员会.分布式空气源热泵集中供暖白皮书R.上 海:出版 者 不详,2 0 2 0:4 3 5 3.6 WE IW Z,N IL,Z HOU C H,e ta l.T e c h n i c a l,e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nh e a t i n gp e r f o r m a n c e o f q u a s i-t w o s t a g e c o m p r e s s i o n a i rs o u r c eh e a tp u m pi ns e v e r ec o l dr e g i o nJ.E n e r g ya n db u i l d i n g s,2 0 2 0,2 2 3:1 1 0 1 5 2.7 WE IWZ,N IL,L ISY,e t a l.An e wf r o s t i n gm a po fv a r i a b l e-f r e q u e n c ya i rs o u r c eh e a tp u m pi ns e v e r ec o l dr e g i o nc o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no fh e a t i n gl o a dJ.R e n e w a b l ee n e r g y,2 0 2 0,1 6 1:1 8 4 1 9 9.8 WE IWZ,WAN GBL,HA OG,e t a l.I n v e s t i g a t i o no nt h er e g u l a t i n g m e t h o d so fa i rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m u s e d f o r d i s t r i c t h e a t i n g:c o n s i d e r i n g t h ee n e r g y l o s sc a u s e db yf r o s t i n ga n do n-o f fJ.E n e r g ya n db u i l d i n g s,2 0 2 1,2 3 5:1 1 0 7 3 1.9 董重成,李立,刘元芳.空气源热泵供暖技术J.供热制冷,2 0 1 6(1 2):6 0 6 4.1 0王荣环,王吉进,李俊,等.供暖室外计算温度下空气源热泵 容量 选 型研 究J.暖 通 空 调,2 0 2 3,5 3(1):1 2 5 1 3 0.1 1合肥通用机电产品检测院有限公司,清华大学,珠海格力电器股份有限公司,等.低环境温度空气源热泵(冷水)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的热泵(冷 水)机 组:G B/T2 5 1 2 7.12 0 2 0S.北京:中国标准出版社,2 0 2 0:2 7.1 2刘家有,黄逊青.基于额定制热性能的空气源热泵热水器制热特性计算C2 0 1 4年中国家用电器技术大会 论 文 集.北 京:中 国 轻 工 业 出 版 社,2 0 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