北京工业大学建筑环境与能源应用工程系博士梁士民
内容提要
12月22日，北京工业大学建筑环境与能源应用工程系博士梁士民出席“热立方杯”第六届中国空气源热泵供暖高峰论坛，发表题为《空气源热泵在京津冀地区应用问题及对策》的演讲，他介绍到，空气源热泵已成为我国京津冀“煤改电”利用、长江流域解决供暖问题的重要节能技术。然而，空气源热泵实际运行工况偏离名义工况，在实际应用过程中存在结除霜、脏堵等运行问题和机组选型不当、控制策略不佳等设计问题，他针对典型问题进行分析并提出应对策略。以下为演讲实录。
我所在课题组以HVAC系统高效运行与优化控制、绿色建筑可再生能源利用关键技术与能效评价为主要研究方向，以空气源热泵高效利用和良性发展为目标，致力于解决结除霜、脏堵等关键问题。我们课题组曾负责北京地区首批“煤改电”空气源热泵工程的测评工作，主编国内首部空气源热泵专著《空气源热泵技术与应用》，还编制了行业标准《空气源热泵供暖工程技术规程》和一些地方标准。我们团队主要有两个研究方式，即现场工程实测和模拟，进行现场实测的工程中，最长的工程已经检测了八个供暖季，这一块的数据是相当丰富的。
空气源热泵应用及典型问题
空气源热泵作为一个高效节能的技术，在名义工况下非常高效，并且相关的规范、标准要求也相当明确。但看上面两张图，这个图是北京和石家庄的图片，可以看到空气源热泵在运行过程中的实际工况严重偏离了名义工况，这个也会造成机组在设计和运行中出现一定的问题。
针对这个问题，我们做了以下总结：空气源热泵在设计工况（名义工况）下是高效的，但实际运行中存在一些问题，主要有结霜导致COP衰减，下降35%～55%；除霜也会引起室内环境温度的波动，当然如果除霜逻辑不准确，还会造成误除霜，COP出现18%～28%的衰减。
设计问题包括设计工况偏离实际运行工况，造成机组选型不合理；控制策略不佳，系统与用户的供需不同步；热损控制不当，水箱、输配管道热损过大等。
空气源热泵的典型问题分析
这几张图片是针对北京、石家庄、天津以及张北地区的实际运行工况做了一个分析，蓝色点是典型年的实际运行工况，白色的区域是结霜区，下面代表非结霜区。可以看到这四个地方的结霜区占比都在40%以上，也就是它的结霜工况是非常多的。如果机组在运行过程中除霜策略控制不准确，就会带来一系列的问题。
目前理想的除霜控制策略应该是遵循这样的工作流程：感知霜层存在→监测霜层增长→判定最佳除霜控制点→除霜。目前第一阶段感知霜层存在做得非常好，第二阶段监测霜层生长这一块可能不是非常准确，对于最佳除霜控制点目前也基本是靠经验判断，缺少理论研究，我们针对这一块也开展了相应的研究。
我们针对常规的除霜策略、温度—时间除霜控制方法也做了一个分析，针对不同的工况，也针对不同地区的误除霜做了一个统计。通过对寒冷地区一些典型的代表性城市所做的统计发现，在寒冷地区主要是以无霜除霜为主；而对于夏热冬暖地区，主要是有霜不除，因为湿度比较大。
另一个运行问题是脏堵问题，这个问题非常常见，但特别容易被忽略。我们在实际工程中发现脏堵情况还是挺严重的，脏堵形成过程复杂，脏堵劣化影响被忽视，多数机组没有脏堵故障诊断功能，仅提示“定期清洁和维护”。
我们针在供冷季针对机组的脏堵问题进行了测试，发现机组在脏堵状态下引发机组软故障和硬故障。另外，相比于没有脏堵情况的机组，有脏堵带来的制热量损失大概是5%～18%，供冷季脏堵故障未及时清除，机组日平均COP逐渐下降，最低仅1.92。
在供暖季脏堵还会带来另一个影响，就是促进结霜。机组在供暖季没有清垢，发现本来不结霜的工况下换热器的表面出现了结霜现象，说明脏垢会促进结霜。测试发现，在脏堵状态下机组频繁出现脏霜共存现象，运行性能劣化严重，平均COP仅2.08。
另外是设计问题，第一个问题是机组选型问题。常用方法一是根据干球温度、融霜、相对湿度，但这个方法还是存在一定缺陷的，融霜系数并不是根据实际的除霜情况选取，这样必然造成修正不准确，最终造成选型的问题。常用方法二是根据干球温度和化霜的修正系数，问题是没考虑机组结霜损失，导致选型超配。
设计问题中的第二个问题是控制策略设计不当，热水机组简单改型，冷凝器位于水箱内，机组启停根据水箱温度控制，水泵启停根据回水温度控制，存在水泵频繁启停问题。测试期内水泵日平均启停65次，最高可达184次。典型日的6个小时内机组启停47次，水温波动明显。
设计问题之三是系统漏热比较明显，水箱保温性差、管路未保温导致系统漏热严重。
空气源热泵问题的应对策略
针对上述问题，我们已经开发了相关的应对策略，针对机组开发，应当从改善换热条件、改进压缩机技术、抑制机组结霜、提升低温性能等方面入手。
然后是开发一些高效的控霜策略，受环境温度、湿度、风速、空气清洁度等多种因素的影响。我们开发了三种除霜策略，第一种是“光-电转换”测霜技术，第二种是THT控霜技术，第三种是TTT控霜技术。
首先是“光-电转换”测霜技术，光电控制器装在分叶管上，没有霜的情况下电压信号是无遮挡的，随着霜高的不断增加，电源情况是逐渐增加的，达到一定程度后进行除霜，除霜是依据霜的实际生长高度进行的，所以这个技术可以实时检测霜的生长。再就是THT控霜技术，依据环境温度、湿度、时间这三个参数进行开发的。还开发了TTT控霜技术，根据盘管温度、进风温度、出风温度反映换热器的效率，运行效果也非常好。
针对脏堵问题我们开发了相关脏堵的诊断方法。空气源热泵性能劣化受脏堵程度和环境温度共同影响，脏堵程度增加使运行参数发生1%～121%不同程度劣化，除垢点为脏堵程度超过40%。我们要开发这个策略就是把空气、环境温度的影响屏蔽掉，就开发了TTT脏堵故障诊断法。利用TTT方法可合理指导脏堵故障清除，使COP提升了10%；相比于未使用诊断方法，使机组供冷季的平均COP提升了11%。
对于系统优化我们也提倡系统合理配置、末端合理设计、能源合理利用。总之，空气源热泵是高效的可再生能源利用技术，具有广阔的应用空间和价值，其设计问题（机组选型、控制设计、系统漏热等）不可忽视，典型应用问题（机组结霜、误除霜、脏堵等）不可避免，要从机组开发、设计优化、技术应用等层面入手，发挥其巨大的节能潜力。
未来，需要开发、设计、运行多方面的协同合作以及政府、企业、高校、科研院所、协会多层面的协同合作，共同推动空气源热泵技术在京津冀地区的高效应用和良性发展。
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