北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室 高成,孙育英,王伟,段德星
【摘 要】由于空气源热泵实际运行性能受室外温湿度环境耦合影响，导致不同地域难以选择典型测试工况，无法通过短期测试全面评价空气源热泵在该地域的实际供暖性能。本文借鉴IPLV“温频法”评价思想，提出基于“温湿频法”的空气源热泵供暖系统短期测试典型工况选取方法。采用等效温降法将“Ta-RH”耦合因素降维重构为综合室外环境温度Ta一维因素，准确描述不同地域空气源热泵供暖工况分布频率；根据机组负荷率在不同温湿频段的分布、不同负荷率工况的供暖时长与结霜图谱分布，确定不同地域短期测试典型工况区间。本文提出的基于“温湿频法”的供暖系统短期测试典型工况选取方法适用于不同地域，具有高频易选、以点代面的特点，为完善空气源热泵供暖系统短期测试方法提供参考。
【关键词】空气源热泵、短期测试、工况选取、温湿频法、等效温降法
【基金项目】 国家重点研发计划项目(2016YFC0700100)；北京市优秀人才培养资助青年拔尖团队项目（2017000026833TD02）
0 引言
近年来，在我国“清洁取暖”政策的推动下，空气源热泵（Air Source Heat Pump，以下简称ASHP）因其节能环保、能源的可再生性等优势，应用地域和供暖面积迅速扩大 [1-3]开展ASHP供暖系统的实际运行性能测试，为ASHP生产、设计与规划提供准确反馈，对保障ASHP技术的可持续发展有重要意义。
由于ASHP应用项目的建筑规模一般较小，大多数ASHP项目没有安装自动监测系统，宜使用短期测试方法测试ASHP供暖系统实际运行性能。我国在近年颁布的《空气源热泵供暖工程技术规程》[4]、《空气源热泵供暖系统监测和评价规则》[5]和《空气源热泵系统现场测试规程》[6]等中给出了ASHP供暖系统实际运行性能的现场短期测试方法，规定“测试工况宜在系统负荷率大于60%、机组制热能力达到机组额定值的80%以上”。
现有短期测试方法在测试工况选择上，仅考虑系统负荷率，忽视了ASHP机组性能受室外温、湿度参数耦合影响，造成测试结果因环境工况不同而有很大差异性，很难通过不同地域典型工况的短期测试评价该地域ASHP供暖季实际运行性能。因此，迫切需要根据ASHP运行特性，科学选取不同地域典型测试工况，完善ASHP供暖系统在我国不同地域应用的短期测试方法。
1 不同地域基于“温湿频”法典型测试工况选取的研究思路
我国冷水机组/热泵产品性能标准[7-13]广泛使用综合部分负荷性能系数IPLV（Integrated Part Load Value）评价机组季节综合性能系数，其评价思想采用“温频法”，基于供冷/暖季室外温度各温频段的建筑负荷率（BLR）分布，选择不同负荷率的4个室外温度频段作为测试工况，通过有限的实测性能测试和运行在该负荷率下的时间分布，推导得到机组的季节综合性能。“温频法”对于ASHP短期测试工况研究有很好借鉴意义，通过有限典型工况的测试数据预测供暖季全工况性能，有利于合理评价ASHP供暖实际运行性能，但测试工况选取还应考虑室外湿度对ASHP机组性能影响，研究室外气象温湿度工况的分布规律，从典型工况易于实际测试且具有全面代表性出发，探寻典型工况的选取原则。
为科学选取不同地域ASHP供暖系统短期测试典型工况，本文借鉴IPLV“温频法”评价思想，考虑室外温湿度耦合因素对ASHP机组性能的影响，提出基于“温湿频法”的ASHP供暖系统性能短期测试典型工况选取方法。采用结除霜等效温降法[14]，对室外温湿度两维参数进行降维重构，解决了ASHP供暖工况温湿度分布规律难以描述问题；基于室外温湿度特征参数频率分布，从高频易选、典型全面等原则出发，考虑不同机组负荷率、不同结霜区，选取不同地域ASHP供暖系统短期测试典型工况。
2 室外温湿度特征参数的重构方法
由于不同地域供暖季室外温湿度二维工况的分布规律复杂、难以描述，本文采用文献[14]中的“结除霜等效温降法”，将室外相对湿度对ASHP性能的影响等效转化为降低室外环境温度产生的影响，实现将室外温湿度二维参数“Ta-RH”降维重构为综合室外环境温度Ta单一参数，该特征参数综合反映了影响ASHP性能的室外温湿度工况特性。
图1 ASHP结除霜等效温降方法示意图
图1给出结除霜等效温降法原理，在无霜工况时，ASHP机组性能仅与室外环境温度有关，如直线L1所示，当室外温度由名义工况Tan降低到Ta时，机组性能由名义工况性能Qhn降低为Qh1，性能损失ΔQTa是由环境温降ΔTa1造成的；当室外环境相对湿度RH上升，机组运行到结霜工况时，机组性能受室外环境温湿度耦合影响，如曲线L2所示，结霜工况运行点的性能下降到Qh2，相对于无霜工况运行点的性能损失ΔQRH是由相对湿度（结除霜）因素影响造成的；在无霜工况性能曲线L1上找到与结霜工况点性能Qh2相同的点，该点相比结霜工况的室外温度降低了ΔTa2。对于结霜工况运行点，相对湿度（结除霜）对机组制热性能的影响和环境温度降低ΔTa2的影响是等效的。
根据上述原理，可将结霜工况室外温湿度“Ta-RH”二维参数降维为室外温湿度特征参数，综合室外环境温度（Ta），其计算表达式如公式（1）所示：
Ta=Ta-ΔTa2 （1）
其中，ΔTa2可依据文献[[[]吴旭. 空气源热泵最佳除霜控制点及除霜控制策略研究[D]. 北京工业大学, 2017.]]研究结果，通过公式（2）计算得到。
（2）
3 不同地域的供暖季温湿频数分析
从供热安全性考虑，本文采用ASHP在整个供暖季连续运行模式。因此，基于ASHP应用地域的供暖季典型年气象数据，根据公式（1），计算得到室外温湿度特征参数Ta数据，以1℃间隔划分整个供暖季的温湿度特征参数频段，考察各温湿频段的供暖小时数，从而得到供暖季的室外温湿度工况分布规律。
本研究以阳、北京、上海及贵阳4座城市为例开展研究，这四座城市分别位于我国严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区及温和地区。图2给出以上4个城市的综合室外就环境温度Ta各频段的供暖小时数分布，从中可以看出不同城市的供暖季综合室外环境温度分布有显著差异，沈阳和北京呈现近似单峰正态分布，上海和贵阳则呈现双峰分布。各城市Ta分布的期望μ值、标准差σ值明显不同。因此，为合理准确选择不同地域ASHP供暖短期典型测试工况，需对不同地域供暖季的综合室外环境温度分布规律进行分析。
a）沈阳市 b）北京市
c）上海市 d）贵阳市
图2 不同城市供暖季室外气象各温湿频段的供暖小时数分布
4 基于“温湿频法”的典型工况选取方法
“温频法”以室外温度Ta为工况特征参数，认为建筑负荷率与室外环境温度呈线性关系，故典型工况可依据建筑负荷率分析选取。而“温湿频法”考虑室外温湿度对ASHP的耦合影响，以综合室外环境温度Ta为工况特征参数。由于建筑负荷与Ta不一定具有单调性，本文提出根据ASHP机组实际负荷率φ选取典型工况。
ASHP机组负荷率φj为第j温湿频段的平均建筑负荷与机组制热能力之比。其中，第j温湿频段的平均建筑负荷根据公式（3）计算；第j温湿频段的机组制热能力计算方法参考文献[14]，见公式（4）；最后得到φj的计算方法，如公式（5）所示。
（3）
（4）
（5）
式中：DL——建筑设计负荷，kW；
BLRj——第j温湿频段的建筑负荷率，%；
Qbj——第j温湿频段的建筑实际负荷，kW；
Qj——第j温湿频段的ASHP实际制热能力，kW；
Taj——第j温湿频段的综合室外环境温度，℃；
——第j温湿频段的平均环境温度，℃；
Tai——建筑室内设计温度，研究选为20℃；
Tad——建筑室外采暖设计温度，℃；
Tad——供暖设计工况所对应的综合室外环境温度，℃。
以北京市为例详细说明，图3给出北京供暖季ASHP机组负荷率分布图。随着Ta的升高，近似呈现线性下降趋势。依据ASHP机组实际负荷率分布情况，将供暖季全工况Ta分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工况区间，平均负荷率分别为100%、75%、50%和25%。图4给出四个不同负荷率工况区间的运行小时数统计，四个区间时间占比分别为3.5%、43.4%、31.9%和21.2%。由于Ⅰ工况在典型气象年供暖季出现概率仅为3.5%，出现小时数仅为102h，考虑实际测试难以捕捉获取，为提高短期测试的可行性，减少测试成本，故典型工况在选取时应进行合理取舍，北京市宜将Ⅰ工况区间合并入Ⅱ工况区间。
图3 北京市供暖季ASHP机组实际负荷率分布 图4 北京市不同机组负荷率测试工况分布
为使典型工况能够测试出ASHP的结除霜性能，进一步根据不同负荷率工况区间在ASHP结霜图谱[16]上的分布，调整典型工况区间的选取。从图5可以看到，Ⅱ区间工况分布相对分散，67%的工况主要分布在结霜区，因此测试Ⅱ工况区间确定为Ta≤-1℃、RH>60%；Ⅲ工况主要分布在-4℃~4℃之间的非结霜区，故测试Ⅲ工况区间选取-4≤Ta≤4℃、RH<45%；Ⅳ工况主要分布在结露区，故测试Ⅳ工况区间选取6<Ta<12℃，相对湿度不限。可见，北京市ASHP短期典型测试工况不仅覆盖了不同负荷率，并覆盖了不同结霜工况，能够较全面地测试出ASHP供暖实际性能。
a）北京市Ⅱ工况区间分布 b）北京市Ⅲ工况区间分布
c）北京市Ⅳ工况区间分布
图5 北京市不同测试工况在结霜图谱的分布
综上所述， 基于“温湿频法”的ASHP供暖系统短期测试典型工况选取步骤如下：
（1）基于典型气象年供暖季数据，构建供暖季逐时室外温湿度“Ta-RH”所对应的特征参数Ta分布图，分析不同温湿频段的供暖小时数；
（2）计算不同温湿频段所对应的ASHP机组负荷率，将供暖季全工况Ta分为机组实际负荷率平均值为100%、75%、50%、25%的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工况区间；
（3）以高频易取为原则，统计不同工况区间的出现频率，对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ工况进行取舍优化；
（4）以典型全面为原则，分析不同工况区间在结霜图谱中的分布情况，考虑测试工况应覆盖不同结霜工况，调整确定ASHP供暖系统短期测试典型工况。
5 不同地域的ASHP短期测试典型工况
图6给出位于不同气候区的4个代表城市短期测试典型工况在结霜图谱上的分布，各城市的典型工况区间均基本涵盖了供暖季全工况分布范围。严寒地区的沈阳市和寒冷地区的北京市均选取了3个典型工况，机组负荷率分别为75%、50%和25%，沈阳市典型工况包含了低温结霜工况与非结霜工况，北京市典型工况相比沈阳增加了结露工况；夏热冬冷地区的上海市与温和地区的贵阳市也选取了3个典型工况，机组负荷率分别为100%、75%和25%，涵盖了高湿重霜工况、一般结霜工况和结露工况。可见，基于“温湿频法”的ASHP供暖系统短期测试典型工况选取方法具有高频易选、典型全面的特点，为ASHP供暖实际运行性能评价奠定了良好基础。
a）沈阳市测试工况结霜图谱分布 b）北京市测试工况结霜图谱分布
c）上海市测试工况结霜图谱分布 d）贵阳市测试工况结霜图谱分布
图6 不同气候区代表城市测试工况结霜图谱分布
由于不同地域供暖季的室外温湿度工况分布规律不同，ASHP机组负荷率分布也不同，不同地域的典型工况选取有明显差异，ASHP供暖系统短期测试典型工况应根据各个城市典型气象年的供暖季数据，按照本文提出的“温湿频法”典型工况选取方法确定，表1给我国不同地域部分代表城市的短期测试典型工况选取结果。
表1 我国主要城市短期测试典型工况分布
6 结论
ASHP供暖性能受到室外温湿度的耦合影响，因此ASHP供暖系统短期测试典型工况的选取应考虑室外湿度参数，并具有“以点带面”特性，才更为科学合理。本文借鉴IPLV“温频法”评价思想，提出基于“温湿频法”的ASHP供暖系统短期测试典型工况选取方法。采用等效温降法对室外温湿度二维参数进行降维重构，为准确描述不同地域的供暖季温湿度分布规律提供有效方法；基于室外温湿度特征参数频率分布，以平均负荷率为100%、75%、50%和25%，初步划分工况区间；并结合不同负荷率工况的供暖时长和结霜图谱分布，最终确定典型工况区间。通过严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区及温和地区的4个代表城市应用研究，并给出我国不同地域的典型代表城市短期测试典型工况选择结果，验证了基于“温湿频法”的ASHP供暖系统短期测试典型工况选取方法可适用于不同地域，具有高频易选、以点带面的优势，通过有限测试可评价ASHP在不同负荷率、不同结霜工况的实际运行性能。本文研究为科学选取ASHP供暖系统短期测试典型工况提供了理论依据，为空气源热泵后评估提供了技术支撑，并希望为空气源热泵供暖系统短期测试方法的制定提供参考。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
