文章推荐丨CO2 复叠式空气源热泵供暖运行测试-热泵在线

文

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信

息

题目

CO2 复叠式空气源热泵供暖运行测试

作者

李效禹1,2,3 马骊3 史琳2 徐伟1,3 王天生1,3

单位

1 建科环能科技有限公司 ;2 清华大学能源与动力工程系;3 中国建筑科学研究院有限公司

摘要

CO2空气源热泵因其优秀的环保和热工性能，具有广阔的应用前景。本文以CO2复叠式空气源热泵分布式集中供暖系统为研究对象，依据JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》和JGJ/T 132—2009《居住建筑节能检测标准》对秦皇岛某公共建筑和石家庄某居住建筑的CO2复叠式空气源热泵供暖系统开展运行测试研究，探究在低温环境下系统运行过程中检测不确定度及实际运行效果。通过不确定度分析，秦皇岛项目2#机组和石家庄项目2#机组制热性能COP在不同运行环境温度下相对合成标准不确定度范围分别为4.27%~5.87%及1.90%~4.36%，测试结果可信度高。测试结果表明：秦皇岛项目在室外日均温度-10.9~2.5 ℃的工况下，1#和2#机组实测日均COP范围分别为2.75~3.09和2.76~3.15。在室外最低温度-18 ℃时，1#和2#机组热COP仍可达到2.19及2.88。石家庄项目在室外日均温度-6.6~12.5 ℃的工况下，1#和2#机组实测日均COP范围分别为2.32~3.38和2.21~3.06；分析两个项目的检测结果可得，CO2复叠式空气源热泵机组在低温环境下COP受室外环境温度影响依然较小。

关键词　CO2 复叠式空气源热泵;分布式集中供暖;系统测试;不确定度;性能系数

图文导读

随着国家北方冬季清洁取暖范围不断扩大以及 “双碳”目标的提出,空气源热泵以其环保、节能、安全和便捷等优点得到了广泛推广。CO2空气源热泵因其优秀的环保和热工性能,在相关新技术的推动下,具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。其中,CO2 复叠式空气源热泵采用了CO2(R744)与R134a 复叠系统,低温部分采用R744作为工质,高温部分采用R134a作为工质。相对于其它常规制冷剂,即使处于低温,CO2的黏度也非常小,传热性能良好,效率衰减慢。利用 CO2这一独特特性,可通过蒸发器从室外低温空气中吸收大量的热量,经由蒸发冷凝器将热量传给系统高温部分,高温部分的R134a工质通过循环将从低温侧吸收的热量传递给用户供采暖和热水使用。

项目概况

秦皇岛某公共建筑采暖面积共 2.9万m2 ;石家庄某居住建筑采暖面积共5.5万m2 。两个项目均采用CO2 复叠式空气源热泵分布式集中供暖系统,系统原理及测点分布如图1所示,每个项目均配备2台CO2复叠式空气源热泵主机,每台主机配备3台室外机,并联接入供暖管网。1#机组除日常供暖外兼顾除霜功能,2#机组主要负责日常供暖。2 台循环泵,一用一备。 设备现场如图 2 所示。

CO2 复叠式空气源热泵循环中,通过压缩机压缩的R744 高温气体,先通过换热器对采暖供水进行第一次加热,随后将剩余热量传递给 R134a,冷凝后的R744经过节流装置、室外蒸发器,从室外环境吸收热量,再回到压缩机实现R744循环;从R744循环中吸取热量的R134a 经由压缩机压缩成高温气体,通过换热器对采暖供水进行第二次加热,冷凝后经过节流回到与R744 换热的板式换热器实现R134a循环。项目测试依据 JGJ/ T 132—2009《居住建筑节能检测标准》和 JGJ/ T 177—2009《公共建筑节能检测标准》中的测试方法和要求,对室内外温湿度、机组供回水温度及流量、机组输入功率及耗电量进行了测试。

测试结果不确定度分析

基于秦皇岛项目 2#机组,选取室外温度为(-15± 0. 5)℃ 、(-10±0. 5)℃ 、( -5±0. 5)℃ 、(0±0. 5)℃ 和 (5±0. 5)℃工况下的各测量参数进行不同运行温度下不确定度计算,机组制热性能系数(COP) 的测试不确定度如表3所示,秦皇岛项目2#机组COP合成标准不确定度在 0. 12 ~ 0. 17 之间,相对合成标准不确定度为 4. 27%~5. 87%。按照相同的不确定度方法分析,石家庄项目 2#机组在其主要工作工况下(室外环境温度-10~15 ℃ ),COP 合成标准不确定度在0. 05~0. 12 之间,相对合成标准不确定度为 1.90%~4.36%,两个项目测试结果可信度均较高。

测算结果分析

秦皇岛项目最冷时间段测试结果

最冷时段测试中,系统1#机组由于除霜控制出现阶段性COP波动现象(图3),尤其在06:23—06:35 期间,进行了间断性除霜工作,每次时间1~2 min, 虽然除霜会消耗一部分机组制热量去融霜,减少了室内的供暖量,但在维持室内温度不低于设定值的同时,系统 1#机组最冷时段的平均制热性能系数仍为2.82,比不参与除霜的2 #机组平均制热性能系数2.94 仅降低了 4.1%,机组间断性除霜过程对平均制热性能系数影响较小。在室外最低温度为-18 ℃ 、湿度为64.4%时, CO2热泵机组仍具有较高的制热性能,1#机组制热COP为2.19,2#机组制热COP为2.88。1#机组在-18 ℃环境温度下制热性能系数偏低的主要原因是受到除霜工作的影响,根据测试数据显示前一时间步长(1 min)的机组制热 COP 为 1. 52,属于典型除霜工作状态,因此在-18 ℃ 室外环境的时刻下,1#机组仍未完全结束除霜工作,导致该时刻机组制热性能系数稍偏低。

秦皇岛项目长期测试结果

如图4所示,通过逐日COP的分析,1#和2#机组实测日均COP范围分别为2.75~3.09和2.76~3.15。在冬季室外环境温度变化幅度为12 ℃的实际运行工况下,机组制热性能保持着较高水平。在室外环境温度低于0 ℃ ,CO2热泵机组制热COP随温度波动的变化较小,主要分布在2.8~3.0,且与温度波动相关度低。当室外环境温度高于0 ℃ ,CO2 热泵机组制热COP明显随室外环境温度的升高而升高。

石家庄项目测试结果

通过对CO2复叠式空气源热泵机组最冷时段逐时制热 COP分析(图5),1#机组和 2#机组分别在 06: 12—06: 30、07: 12—07: 30 和 06: 23—06: 36、07:28—07:40 四个时间段里出现了明显的除霜过程,因此受除霜过程影响最冷时段机组平均制热COP偏小。在明显除霜工作时间以外,1#机组制热COP维持在约 2.5,2#机组COP维持在约 2.7。

石家庄项目长期测试天数为 87 d(2021 年12月1 日00:00—2022年2月25日08:53),测试期间日均环境温度为-6. 6~12. 5 ℃ ,环境湿度为30. 0%~97. 4%,典型房间日均室内温度为17. 6~24. 8℃ ,室内湿度为 17.5%~58. 4%。通过逐日制热COP的分析(图 6),在冬季室外环境温度变化幅度为 19 ℃ 的实际运行工况下,1#和 2#机组日均制热COP分别维持在2.32~3.38和 2.21~3.06 之间。

长期测试结果对比分析

通过对比秦皇岛与石家庄两个项目长期测试的逐时 COP(测试间隔 10 min) (图 7),可知秦皇岛项目机组在室外温度-15~-5 ℃区间,COP 随室外温度无明显波动,石家庄项目机组在室外温度-10~15 ℃ 区间,COP 明显随室外温度的升高而升高。在测试期间,秦皇岛日均环境湿度大于 60%的天数为3 d,占总测试天数的 23%,而石家庄日均环境湿度大于 60%的天数为42 d,占有效总测试天数的 58%,甚至日均环境湿度大于 80%的天数高达 22 d,占比 30%。因此石家庄项目系统会出现繁重的除霜工作,且除霜期间机组 COP 偏低。从CO2热泵机组逐时COP的图中可知,秦皇岛项目机组除霜负荷小,同一室外温度下制热COP相对集中,而石家庄项目由于除霜负荷大,尤其低温高湿度的工况下,因此同一室外温度下制热 COP 较分散。

结论

通过对秦皇岛市某公共建筑及石家庄市某居住建筑的 CO2 复叠式热泵分布式集中供暖系统进行制热性能的实测分析,得到如下结论:

1)通过对两个项目2#机组测试数据不确定度分析,秦皇岛项目制热性能COP合成标准不确定度在0. 12~0. 17之间,相对合成标准不确定度在4.27%~5.87%;石家庄项目制热性能 COP 合成标准不确定度在 0. 05~0. 12之间,相对合成标准不确定度在1.90%~4.36%。测试相对合成标准不确定度较低, 能够保证测试结果的准确度,测试结果可信度高。

2)秦皇岛项目测试结果表明在较低室外环境温度下,CO2 复叠式空气源热泵机组仍具有较高的制热性能。在平均室外环境温度为-14. 8 ℃ 、平均室外环境湿度为 52. 5%的最冷时段,1#机组实际制热COP为 2. 82;2#机组实际制热 COP 为 2. 94;系统整体制热COP为 2. 53。在室外最低温度-18 ℃ 时,1#机组制热 COP 为 2. 19,2#机组制热 COP 为 2. 88,CO2 复叠式空气源热泵机组在低温环境下仍有较高的制热 COP。

3)石家庄项目测试结果表明在较高室外环境湿度下,CO2 复叠式空气源热泵机组难以维持较高的制热性能。在平均室外环境温度为-9. 21 ℃ 、平均室外环境湿度为77. 51% 的最冷时段,1 #机组实际制热 COP 为2. 47;2#机组实际制热性 COP 为 2. 33,较名义值明显偏低。制热 COP 偏低的主要因素是源于繁重的除霜工作,消耗掉大量系统的制热量。