清华同方热泵维修(空气源热泵在北京地区存在的问题及对策探讨)

Posted 2023-06-01

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清华同方热泵维修(空气源热泵在北京地区存在的问题及对策探讨)

胡繁昌，李德英，张帅，杨茜

北京建筑大学

摘要

对北京地区某农宅安装空气源热泵采暖系统来进行测试。根据测试后的结果，发现了空气源热泵所存在的一些问题。本文先从理论分析该系统的运行原理，然后分别探讨了系统能耗较高、系统COP 较低、系统噪音以及系统结霜问题，并且对这些问题提出了相应的改进措施。

关键词

供暖；空气源热泵；测试；改进

0 引言

随着我国人民居住条件的改善，对生活热水的需求量迅速上升。环境保护意识的增强，促进了空气源热泵热水器的发展。这种以生产55℃ 生活热水为目的的产品，在我国广东、浙江一带发展很快，并且有逐渐向北方发展的趋势。随着南方冬季采暖问题的提出，有的厂家开始研究和生产在冬季用于房间采暖的空气源热泵热水系统。而这一趋势，也在影响着华北寒冷地区的冬季采暖[1]。

近几年来，我国多地遭遇严重雾霾天气，PM2.5 持续“爆表”，北京地区尤为严重。雾霾中的可吸入颗粒物进入人体呼吸道后，可能引发人体呼吸道和心血管疾病，严重者甚至会导致死亡。而空气源热泵是一种高效的清洁能源，以电能驱动，可将低品位能源转换为高品位能源，具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点。北京农村“煤改电”的工作中，空气源热泵作为一种清洁能源被大力推广。

空气源热泵是众多热泵技术中的一种，它以电能为驱动，夏季以室外空气作为冷源，将冷量由系统输送至室内；冬季以室外空气为热源，将热量由系统输送至室内。

北京在我国属于典型的冬冷夏热型天气，空气源热泵在北京应用时夏天是比较可行的，但是由于其受天气的影响冬天在北京使用时节能效果不明显、能耗不是很低，加热效果不是很好，同时机组在温度过低的情况下十分易坏，易结霜。虽然空气源热泵存在以上缺陷，但是其性能优点也是相当明显的，比如其节能环保，尤其是其节水性能特别适合北京，其结构系统简单，易安装维护，无需机房，除投资少的特点，比较适合小型工程或者改造工程。正是鉴于此，应该对空气源热泵开展研究，进一步研究完善空气源热泵系统，解决相关问题，使之在适应北京的气候条件下，使机组的效率不断提高，更好地满足北京地区冬夏季空调运行的需求，给北京的节能环保真正的带来实惠[2]。

1 研究对象

1.1 研究对象参数

该测试农宅位于北京海淀郊区，其室外设计温度为-9℃，室内设计温度为18℃，农宅的建筑平面图如图1 所示，此次的模拟对象以该农宅的客厅为主，客厅的整体尺寸是6m×4.5m×3m，北墙与室外相连，西墙东墙与采暖房间相连。围护结构为普通混凝土，墙面内粉刷，东西两侧为卧室，墙体厚度约370mm，外墙贴有约50mm 的保温板，门窗皆采用铝合金材料，建筑整体保温性能良好，并且在建筑顶部装有玻璃顶棚，用空气源热泵作为热源。

图1 农宅建筑平面图

1.2 空气源热泵的理论分析

空气源热泵热水器（机组）是运用逆卡诺循环原理，通过热泵做功使热媒（冷媒）产生物理相变（液态—气态—液态）利用往复循环相变过程中不间断吸热与放热的特性，由吸热装置（蒸发器）吸取低温热源空气中的热量，通过专用热水交换器（冷凝器）向冷水中不断放热，使水逐渐升温，达到制热水的目的。制热过程中的电热能量转换效率最高可达450% 以上。热泵只需要消耗一小部分的电能满足空气压缩机和风机等设备做功，就可将处于低温环境空气中的热量转移到高温环境下的热水。空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成[3]。

冬季供暖时，工质经过蒸发器，从室外空气中吸收热量，工质蒸发后经过压缩机压缩，变成高温高压气体，在冷凝器中向热水放出热量，经节流阀节流后再次进行循环。制取的热水进入室内散热器系统进行循环，不断向室内释放热量，从而对建筑物取暖。其工作原理图见图2。

图2 空气源热泵供暖原理图

1.3 设备选择

该测试农宅中采用热源是的是清华同方人工环境有限公司研发制造的分体式强热型空气源热泵机组，型号为HSYR–DG–15C(D)E，机组的名义制热量为14.2kW，机组内置１台循环水泵，额定流量为2m3/h，额定扬程为12m，水泵额定功率为400W。室内采暖的热媒仍然为热水，由于低温空气源热泵能提供的热水不超过50℃，属于低温热水。

为了研究测试期内空气源热泵—散热器供暖系统供热性能及其对室内环境的影响，分别采用热量表、电量测量仪和温度传感器对系统的供热量、机组耗电量及室内外温度进行测量。所选择热量表型号为JYRL–25，精度2 级，每隔1h 记录一次数据，可自动测量水流量、供回水温度、瞬时热量及总热量。耗电量采用W400 型智能电量测量仪测量，精度±0.4%，每隔1h记录一次数据[4]。

2 测试系统问题及探讨

2.1 系统能耗较高

测试期间室外气温波动较大，最低气温为-5℃左右，最高气温为10℃ 左右，整个测试期间平均气温为1℃ 左右。根据测试数据计算可得耗热量指标为24.16W/m2。查阅北京市三步节能标准知，第一步节能的采暖设计热指标为25.3W/m2，第二步节能的采暖设计热指标为20.6W/m2。因此可知本次测试中已经达到第一步的节能标准，但是离第二步的节能标准还有一定距离。

虽然本次测试中已经对该农宅做过节能保温等措施，但是建筑耗热量指标仍然较大。分析其原因，是因为只是给建筑物外墙做了保温措施，而屋顶和门窗并没有进行改造，并且有部分围护结构为老式砖墙，保温性能差。庭院顶部的玻璃虽然具有一定温室效应的效果，但是由于采用的是单层玻璃，传热系数仍然较大。该建筑物靠近山区附近，所处地区在冬季时多风，冷风渗透和冷风侵入耗热量大。

因此，为了减少建筑物的耗热量指标，降低建筑物的能耗，必须采取有效的节能措施。除了对墙体做保温措施以外，对屋顶及门窗等围护结构也要进行保温措施，把单层玻璃改为双层保温玻璃，减少散热量。并且应该减少门窗开启的时间。

2.2 系统COP 较低

经过测试后分析可知，整个系统的平均COP 在2 左右。探其原因，是由于水泵的选型不合理，输配能耗过大，使得系统的COP 降低，从而增加了能耗。

空气源热泵热水机组选型不当是最容易出现的问题，当所选热泵机组总制热能力过小时，就会造成小马拉大车现象，既容易因机组负荷过重造成机组故障又不能满足使用要求；当所选热泵机组总制热能力过大时，又会造成投资浪费[5]。解决这个问题的办法就是根据用户的特点合理选型。在满足不超压的前提下，保证每个房间的供水量。其次要为水泵做好变频，可以让用户自己调节，从而达到节能的目的。另外，尽量采取措施来增大供回水温度差，实现系统大温差、小流量的运行方式。

2.3 系统噪音

根据本次所测试农宅主人反映，该系统在运行的过程中，存在一定的噪音问题。尤其在晚上的时候，影响人们休息。

空气源热泵供暖系统在运行过程中产生的噪音，既有设备自身的原因，也有安装工艺的原因。对于设备本身来说，噪音可能从空气源热泵的主机上发出或者管路系统的震动而发出。检查此次测试对象供热系统后发现主要是室内水体的流动声，也就是水流在循环过程中产生的噪音。这种情况通常是由于管道内出现了气体，导致水在管内不能畅流引起；对于安装工艺方面来说，安装方法的不正确以及安装位置不合适也会产生噪声。在安装空气源热泵供暖系统的过程中，机器如果安装得不牢固，机器的稳定性不足，就会产生噪音。另外，如果机器的底部没有放置减震垫，或者减震垫的材质、厚度、牢固度和放置位置不能起到减震效果，也会产生噪音。

本次测试系统中，通过排出管道内的气体以及清除管道内的杂质，同时在管道系统中增加减震材料，使得建筑内的系统噪音明显减小，降低了对住户工作、休息的影响。

2.4 系统结霜问题

结霜是空气源热泵在供暖季运行过程中不可避免的关键问题。当室外换热器表面温度低于环境空气的露点及冰点温度时，空气源热泵机组就会结霜，并逐渐封堵气流通道，降低空气流量，增大换热热阻，导致制冷剂蒸发不充分、制冷剂流量降低、吸气压力降低、排气温度升高、制热量衰减等一系列问题，甚至会引起压缩机低压报警停机及损坏事故，影响空气源热泵的运行[6]。目前，国内很多学者对于空气源热泵的结霜控制措施及除霜技术做了许多的研究工作。

对于空气源热泵在寒冷地区工作不稳定的情况，大多可以采用辅助热源锅炉等，在空气源热泵无法正常工作时替代其向室内供暖，也可以作为空气热源使用的低温热源，化霜设备等。但此种方法不够经济合理，同时也存在一定的一次能源的使用，对环境造成了压力，加大了经济支出。

3 结论

本文结合北京市某农宅采暖现状，提出空气源热泵代替燃煤锅炉的供暖方式，建立某农宅的建筑模型，通过理论分析和实际测试两个方面来探讨空气源热泵供暖技术存在的问题：

（1）系统能耗较高。对屋顶及门窗等围护结构要进行保温措施，把单层玻璃改为双层保温玻璃等其他措施，来减少散热量，降低系统的能耗。

（2）系统的COP较低。对此需要合理的选型相应的机组，另外，通过改进来实现系统大温差、小流量的运行方式。

（3）系统噪音。可通过排出管道内的气体以及清除管道内的杂质，同时在管道系统中增加减震材料来使得噪音的影响减弱。

（4）系统结霜。当空气源热泵在寒冷地区工作时，会出现不稳定、结霜等问题，大多可以采用辅助热源锅炉等，在空气源热泵无法正常工作时代替其向室内供暖。

参考文献

[1] 李素花, 代宝民, 马一太. 空气源热泵的发展及现状分析[J].制冷技术,2014,(01):42–48.

[2] 王建民. 基于北京地区的空气源热泵能耗分析及节能改造[D]. 天津：天津大学,2012

[3] 耿浩, 慈鹏. 空气源热泵热水机组工作原理及特点[J]. 科技传播,2011,(09):72+157.

[4] 张帅, 胡文举, 李德英, 杨茜, 王梦圆. 空气源热泵-散热器供暖系统用于北京地区某农村住宅的实测分析[J]. 暖通空调,2015,(08):80–83+79.

[5] 贺海建. 浅析空气源热泵热水机组应用常见问题及对策[J]. 铁路节能环保与安全卫生,2011,(02):72–76.

[6] 王伟, 刘景东, 孙育英, 吴旭, 白晓夏, 朱佳鹤.空气源热泵在北京地区全工况运行的关键问题及应对策略[J]. 暖通空调,2017,(01):20–27.