9 / 11

a 新風過濾器模型 b 換熱芯體模型

圖 9 模型訓(xùn)練和驗證情況

3 供暖季性能模擬分析

若以新風過濾器阻力增長為初始值的 2 倍作為更換標準，根據(jù)建立的ERV 模型，臨界更換工況下，新風過濾器的容塵量為 34.2 g，機組送風量 Qsu降低為初始設(shè)計值的85%。在此工況下，由式（9）、（10）可知，ERV 的顯熱交換效率εs 和潛熱交換效率εd略有提高（<4%），然而，熱回收量（可由 Qsu和εs/εd的乘積相對表征）降低了約 12%。此外，送風量和排風量間的不平衡將導(dǎo)致無組織滲風，熱回收量的降低及無組織滲風的溫濕度處理需求共同導(dǎo)致供暖季建筑新風負荷的增加。為簡化計算，滲風量取為送、排風量的差值。分析北京供暖季運行性能，如圖 10 所示。其中，氣象參數(shù)采用典型年數(shù)據(jù)，室外顆粒物濃度數(shù)據(jù)來自北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，室外干球溫度、相對濕度、PM10 質(zhì)量濃度平均值分別為 0.2 ℃、43%、65 μg/m3。

10 / 11

圖 10 北京供暖季新風熱回收系統(tǒng)運行性能模擬

經(jīng)模擬求得，供暖季需對新風過濾器進行一次更換，單次使用時長為71 天，顆粒物污染導(dǎo)致供暖季新風負荷增加 13%。

4 結(jié)論

1）實際運行中，室外顆粒物污染導(dǎo)致新風過濾器積塵，送風量降低，新風熱回收系統(tǒng)運行在送風量低于排風量的非平衡工況下，性能偏離設(shè)計值，且可能導(dǎo)致額外的無組織滲風，對建筑能耗和室內(nèi)環(huán)境造成不利影響。

2）對北京一實際系統(tǒng)進行了 3 個月的運行監(jiān)測，監(jiān)測期間室外PM10 平均質(zhì)量濃度為99 μg/m3，送風量由初始潔凈狀態(tài)下的 251 m3

/h 降低至 183 m3

/h，下降約27%，而排風量相對穩(wěn)定，隨著新風過濾器積塵量增加，風量不平衡情況加劇；換熱效率增大，但因送風量降低，熱回收量無增益。長期運行中的送風量衰減值得關(guān)注。

3）整合新風過濾器、換熱芯體、風機等主要部件模型，建立了新風熱回收系統(tǒng)模型。經(jīng)樣機實驗室檢測數(shù)據(jù)訓(xùn)練及驗證，新風過濾器和換熱芯體模型的誤差均在±10%以內(nèi)，為研究室外動態(tài)氣象條件和顆粒物污染下的長效性能提供了可靠平臺。4）以北京供暖季為研究對象，考慮新風過濾器阻力增長為初始值的2 倍為更換條件，供暖期間需進行一次更換。臨界更換工況下，機組送風量、熱回收量分別降低15%、12%。熱回收量的降低及無組織滲風的溫濕度處理需求導(dǎo)致供暖季新風負荷增加13%，需制定合理的維護策略以保證系統(tǒng)良好運行。

參考文獻：

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高乃平 1

李以通 2 季亮 3 瞿燕 4 吳妍 1 莊智 1 周海珠 2 叢旭日 5 楊英霞 2 胡國霞 4 方舟 3 張永煒 2

(1. 同濟大學(xué) ，上海 200092；2. 中國建筑科學(xué)研究院有限公司 ，北京 100013；3. 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，

上海 201108； 4. 華東建筑設(shè)計研究院有限公司， 上海 200011；5. 際高科技有限公司， 北京 100102)

[ 摘要 ] 城市住區(qū)熱環(huán)境問題日益嚴重，建筑內(nèi)部空氣污染與環(huán)境質(zhì)量提升迫在眉睫，通風關(guān)鍵技術(shù)是室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)

量的重要保障。項目圍繞建筑通風領(lǐng)域中環(huán)境場仿真技術(shù)不完善、快速模擬分析工具缺失等瓶頸問題，開展基礎(chǔ)理

論與應(yīng)用技術(shù)研究。攻克了城市住區(qū)“風 - 熱 - 濕”多場耦合精確計算關(guān)鍵技術(shù)；首次建立了建筑風環(huán)境分析用風參

數(shù)統(tǒng)一確定方法；揭示了建筑環(huán)境氣載污染物的傳輸規(guī)律，首次實現(xiàn)了高精度的暴露風險預(yù)測技術(shù)；突破了非穩(wěn)態(tài)

自然通風波動型邊界條件生成關(guān)鍵核心技術(shù)；提出了典型建筑自然通風協(xié)同設(shè)計方法。研發(fā)了住區(qū)和建筑通風模擬

軟件各一套，開發(fā)了基于蒸發(fā)冷卻技術(shù)的垂直降溫系統(tǒng)和雙板雙冷源新風機組，制定了多部地方標準和通風設(shè)計導(dǎo)則。

依托本項目所開發(fā)的通風技術(shù)、軟件工具和節(jié)能產(chǎn)品在綠色住區(qū)和建筑的設(shè)計與建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，取得良好的

社會、環(huán)境、經(jīng)濟效益。

Key Technologies and Applications of Ventilation Control in Urban Communities and Built

[ 關(guān)鍵詞 ] 風環(huán)境；熱環(huán)境；建筑通風；自然通風；污染物傳播；設(shè)計分析軟件

Environments

Gao Naiping 1

, Li Yitong 2

, Ji Liang 3

, Qu Yan 4

, Wu Yan 1

, Zhuang zhi 1

, Zhou Haizhu 2

, Cong Xuri 5

, Yang Yingxia 2 , Hu Guoxia 4

,

Fang Zhou 3

, Zhang Yongwei 2

(1. Tongji University, Shanghai, 200092; 2. China Academy of Building Research Co., Ltd., Beijing, 100013; 3. Shanghai Research Institute

of Building Sciences Co., Ltd., Shanghai, 201108; 4. East China Architectural Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai, 200011; 5.

Jigao Technology Co., Ltd., Beijing, 100102）

Abstract: The problems of thermal environment in urban residential areas and the air pollution inside buildings are becoming increasingly serious,

and it is urgent to improve the environmental quality inside buildings. Key ventilation technologies are important guarantees for the improvement of

indoor and outdoor environmental quality. This project focuses on the bottlenecks in the field of building ventilation such as imperfect environmental

field simulation technology and lack of rapid simulation analysis tools, and conducts research on basic theory and application technology. The key

technology of precise calculation of \"wind-heat-humidity\" multi-field coupling in urban residential areas is broken through. The unified determination

method of wind parameters for building wind environment analysis is established for the first time. The transmission law of airborne pollutants in the

building environment is clarified, and the high-precision exposure risk prediction technology is realized for the first time. A method for generating

fluctuating boundary conditions for unsteady natural ventilation is proposed. Natural ventilation collaborative design technologies are proposed

for some typical buildings. Two ventilation simulation software for residential areas and buildings are developed. Vertical cooling system based on

evaporative cooling technology and double-plate double-cooling source fresh air units are also developed. A number of local standards and ventilation

design guidelines have been formulated. The ventilation technology, software tools and energy-saving products developed by this project have been

widely used in the design and construction of green residential areas and buildings, which have achieved good social, environmental and economic

benefits.

Keywords: wind environment, thermal environment, building ventilation, natural ventilation, pollutant transmission, design analysis software

城市住區(qū)與建筑環(huán)境通風控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

我國城市面臨住區(qū)熱島效應(yīng)、人居環(huán)境品質(zhì)、建筑

能耗等多重挑戰(zhàn)。日均氣溫每升高 1℃，居民非意外死

亡率上升 2%。自然通風可以營造相對舒適宜居的住區(qū)

環(huán)境。綠色建筑、零能耗建筑、被動式建筑等發(fā)展提升

了建筑的氣密性等級，室內(nèi)空氣中化學(xué)和生物污染物等

難以及時排出。自然通風也可以大幅降低室內(nèi)污染物濃

度，同時減少過渡季空調(diào)使用。必要時機械通風技術(shù)可

以彌補自然通風可控性差的缺點，全時段保障室內(nèi)環(huán)境。

因此，通風關(guān)鍵技術(shù)是室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量的重要保障。

室外通風和住區(qū)要素布局的設(shè)計和優(yōu)化依賴于快速

準確的風熱環(huán)境模擬技術(shù)與工具；室內(nèi)通風與環(huán)境質(zhì)量

評估離不開污染物濃度分布與暴露風險預(yù)測技術(shù)。環(huán)境

場仿真技術(shù)不完善、快速模擬分析工具缺失等已成為我

國建筑通風領(lǐng)域的瓶頸問題。

項目圍繞城市住區(qū)植被傳熱傳濕精確模擬和城市風

參數(shù)統(tǒng)一確定、氣載污染物暴露風險時空分布預(yù)測和脈

動來流風參數(shù)等難題，展開城市住區(qū)與建筑環(huán)境通風控

制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究，建立新技術(shù)、開發(fā)新軟件、研

發(fā)新產(chǎn)品、制定新標準。研究成果已應(yīng)用于一大批綠色

健康建筑，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)與工程實踐的緊密結(jié)合，對

于高效低耗提升人居環(huán)境質(zhì)量，提高人民健康水平和舒

適度具有重要意義。

1 城市住區(qū)風熱環(huán)境調(diào)控機理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 城市住區(qū)“風 - 熱 - 濕”耦合機理與準確計算關(guān)鍵

技術(shù)

圖 1 建筑群植被冠層風熱效應(yīng)耦合計算流程圖

針對住區(qū)內(nèi)多影響因素、多尺度的復(fù)雜耦合傳熱問

題以及國內(nèi)外建筑群植被效應(yīng)模擬研究中無法準確真實

反映植被冠層流域的空氣動力學(xué)特性等難題，量化了樹

木冠層的垂直葉面積密度分布、葉片傾角和方位角修正、

樹冠子流域體積修正等因素的影響，分析了樹冠對太陽

輻射的截獲、葉片的蒸騰作用等關(guān)鍵物理過程，建立了

植被冠層流動曳力計算模型和完善的穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)住區(qū)

植被傳熱傳濕理論模型。首次攻克了基于植被特征和微

氣候參數(shù)的植被“減速 - 降溫 - 增濕”綜合源項模擬的

關(guān)鍵技術(shù)，大幅提升住區(qū)“風 - 熱 - 濕”的預(yù)測精度，

實現(xiàn)了對樹木冠層流動、傳熱傳質(zhì)等多尺度、多物理場、

復(fù)雜傳熱問題的全面解析（見圖 1）。

1.2 建筑風環(huán)境分析用風參數(shù)統(tǒng)一確定方法

針對綠色建筑風環(huán)境設(shè)計及評估過程中風參數(shù)邊界

標準化難題，對比分析了不同氣象數(shù)據(jù)庫以及季節(jié)劃分

法對室外風參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的不確定影響，首次創(chuàng)立了建

筑風環(huán)境分析用風參數(shù)統(tǒng)一確定方法。以上海市為例，

考察總結(jié)了全市各區(qū)風氣象參數(shù)的分布特征和區(qū)域發(fā)展

形態(tài)，首次提出了風氣候分區(qū)概念，編制了各風氣候區(qū)

各季節(jié)風參數(shù)數(shù)據(jù)庫，彌補了現(xiàn)有相關(guān)標準中風參數(shù)與

實際城市各區(qū)域風氣象特征存在偏離的弊端，形成了

上海市地方標準《建筑風環(huán)境氣象參數(shù)標準》（DG/TJ

08-2328-2020），目前該標準已被本領(lǐng)域上海各設(shè)計院

采用（見圖 2）。

圖 2 上海全年各季節(jié)主導(dǎo)風參數(shù)矢量圖

2 建筑環(huán)境通風控制理論與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 非穩(wěn)態(tài)自然通風波動型邊界條件生成關(guān)鍵技術(shù)

針對外部風場邊界條件的不確定性和不穩(wěn)定性造成

的通風效果計算值與工程實際值偏差過大的問題，創(chuàng)立

了非穩(wěn)態(tài)自然通風波動型邊界條件生成核心關(guān)鍵技術(shù)，

利用 Markov 鏈方法對自然風風向建模，并基于該模型

生成隨機時間序列，構(gòu)建了自然風風向變化的轉(zhuǎn)移概率

矩陣模型。建立了方便工程設(shè)計應(yīng)用的風量修正速查表，

攻克了自然通風風量準確計算的難題（見圖 3）。

圖 3 非穩(wěn)態(tài)自然通風波動型邊界條件生成方法

以及人工反演結(jié)果

2.2 建筑環(huán)境氣載污染物的戶 - 戶傳輸規(guī)律與暴露風險

預(yù)測技術(shù)

揭示了自然通風建筑中氣載污染物豎向和水平向的

戶 - 戶傳播路徑與規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了建筑內(nèi)部的煙囪效應(yīng)和

建筑外立面的熱羽流驅(qū)動的污染物由下往上逐層傳播的

現(xiàn)象，定義其為“級聯(lián)傳播”。闡明了自然通風熱氣流、

水平環(huán)境風和太陽輻射引起的建筑外表面整體熱羽流的

相互耦合作用，引入以建筑高度為特征長度的理查森數(shù)

Ri 表征該耦合作用。提出了建筑陽臺等外立面和各層

排風機的合理聯(lián)動設(shè)計策略，以遏制甚至消除氣載污染

物的跨戶傳播。

攻克了高精度的病毒氣溶膠傳播的感染概率時空分

布預(yù)測技術(shù)，完善了傳播風險的預(yù)測機制。創(chuàng)新性地將

呼吸道傳染病病毒濃度的時空分布與人員的暴露劑量聯(lián)

系起來，使得傳統(tǒng)的 Wells-Riley 模型不再依賴于完全

均勻假設(shè)，首次實現(xiàn)了考慮濃度場分布和累積暴露劑量

的感染概率預(yù)測技術(shù)，預(yù)測結(jié)果比傳統(tǒng)模型更加精確（見

圖 4）。

圖 4 高層居住建筑氣載污染物垂直跨戶傳播

2.3 典型建筑自然通風的協(xié)同設(shè)計技術(shù)

針對公共建筑功能復(fù)雜、大空間通風困難的難題，

通過研究設(shè)計要素與通風效果的關(guān)聯(lián)性，在兼顧多種設(shè)

計因素的基礎(chǔ)上，提出了集結(jié)構(gòu)承重、空間營造、采光、

通風于一體的傘狀通風塔、邊庭垂直綠化圍護結(jié)構(gòu)一體

化等構(gòu)造與空間設(shè)計，形成整套兼顧空間、體形、采光、

遮陽等設(shè)計的改善公共建筑通風的設(shè)計方法與要點，大

幅提升公共建筑室內(nèi)舒適性、降低建筑整體能耗。

將被動式通風結(jié)構(gòu)結(jié)合到現(xiàn)代低層住宅設(shè)計中，

提出了可有效改善自然通風效果的通風塔和建筑設(shè)計要

點，并提出了風塔和開窗結(jié)合的被動式通風建議。研究

成果可應(yīng)用于中國新農(nóng)村住宅或別墅式住宅的建筑設(shè)計

和通風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

針對游藝類開口建筑空調(diào)通風能耗高、氣流組織設(shè)

計難的問題，提出了游藝類開口建筑內(nèi)運動車輛引起的

活塞風通風量計算方法和公式，填補了游藝類開口建筑

節(jié)能設(shè)計領(lǐng)域的空白。

3 氣候適應(yīng)型綠色建筑風熱環(huán)境與形體設(shè)計仿

真工具

針對目前建筑場地室外風熱環(huán)境模擬存在建模復(fù)

雜、邊界條件設(shè)置繁瑣、計算時間長等本領(lǐng)域公認的難

題。項目組基于植被風熱濕源項精準計算和風參數(shù)統(tǒng)一

確定等關(guān)鍵技術(shù)的突破，開發(fā)了國內(nèi)首款氣候適應(yīng)型綠

色建筑風環(huán)境與熱環(huán)境耦合計算軟件 GPBMCD V1.0，

具有操作簡單、計算快捷的優(yōu)勢，可實現(xiàn) 10 平方公里

以內(nèi)的建筑群風熱環(huán)境耦合計算（見圖 5）。

圖 5 氣候適應(yīng)型綠色公共建筑微環(huán)境設(shè)計分析軟件架構(gòu)

針對我國綠色建筑領(lǐng)域建筑設(shè)計與建筑綠色性能分

析相割裂等問題。項目組基于建筑通風環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)的

突破，以面向建筑師和建筑設(shè)計過程為導(dǎo)向，開發(fā)了國

內(nèi)首款氣候適應(yīng)型綠色建筑形體設(shè)計分析工具 GPBSD

V2.0，聚焦建筑內(nèi)部流場，可將 GPBMCD V1.0 的室

外風熱環(huán)境模擬結(jié)果生成室內(nèi)自然通風模擬的邊界條

件，快速量化分析建筑形體、窗戶設(shè)計、內(nèi)部空間等對

通風效果的影響，大幅度提升設(shè)計優(yōu)化效率。

4 基于蒸發(fā)冷卻技術(shù)的垂直降溫系統(tǒng)和雙板雙

冷源新風機組

研發(fā)了垂直降溫通風系統(tǒng)和多款智能新風機組，充

分利用蒸發(fā)冷卻、余熱回收、相變儲冷等技術(shù)，實現(xiàn)了

高效節(jié)能的通風效果。

基于自然通風和通風塔的拔風效應(yīng)，研發(fā)了一種垂

直降溫通風系統(tǒng)，通過合理規(guī)劃循環(huán)降溫水池的方位，

可有效改善建筑的整體通風效果。提出了一種調(diào)濕型全

熱回收通風系統(tǒng)，通過回收利用排風中的余熱或冷量以

及濕負荷，在滿足室內(nèi)良好空氣品質(zhì)要求的同時降低了

空調(diào)設(shè)備能耗。研發(fā)了雙板雙冷源新風機組，采用間接

蒸發(fā)冷卻方式回收排風中的冷量對新風進行預(yù)處理，達

到節(jié)能的目的。采用獨特的雙板式換熱器組合結(jié)構(gòu)技術(shù)，

實現(xiàn)新風與排風完全物理隔離，達到潔凈和避免交叉污

染的目的。產(chǎn)品應(yīng)用于上海、北京等多地建筑，實現(xiàn)節(jié)

能率 30% 以上。

5 制定多部地方標準和通風設(shè)計導(dǎo)則

地方標準《建筑風環(huán)境氣象參數(shù)標準》（DG/TJ

08-2328-2020）彌補了國內(nèi)外工程應(yīng)用領(lǐng)域中針對建筑

風環(huán)境參數(shù)相關(guān)標準的缺乏，對規(guī)范統(tǒng)一上海地區(qū)建筑

項目的風環(huán)境設(shè)計與評估中風參數(shù)選取等具有重要的指

導(dǎo)作用和應(yīng)用價值，也為其他城市或地區(qū)風環(huán)境參數(shù)確

定提供了指導(dǎo)。標準已正式批準發(fā)布，并被上海市各大

相關(guān)設(shè)計院廣泛采用。

地方標準《海南省住宅建筑節(jié)能和綠色設(shè)計標準》

（DBJ 46-039-2016）結(jié)合海南省氣候特點，明確了海

南省住宅建筑不同季節(jié)條件下場地內(nèi)風環(huán)境的風速和風

壓指標；在建筑設(shè)計方面，給出了加強住宅建筑內(nèi)部自

然通風措施，并且針對居住房間通風開口和通風路徑提

出了相應(yīng)設(shè)計要求。標準已正式批準發(fā)布，促進了海南

地區(qū)住宅建筑綠色化發(fā)展。

地方標準《天津市綠色建筑評價標準》（DB/T 29-

204-2015）明確提出了室外風環(huán)境設(shè)計要求和指標，對

植被以及構(gòu)筑物等的遮陰面積計算提供了建議。建筑群

風熱環(huán)境機理、方法以及模擬工具開發(fā)等研究成果有力

地支撐了標準中的“室外風環(huán)境”部分。標準已正式批

準發(fā)布，助推了天津市綠色建筑發(fā)展。

海南省建筑節(jié)能協(xié)會標準《海南省建筑室外微環(huán)境

設(shè)計導(dǎo)則》結(jié)合海南省海陸風和山谷風等氣候特點，為

營造良好的建筑室外微環(huán)境，從建筑規(guī)劃布局、綠化種

植、水景設(shè)置以及環(huán)境遮陽等方面給出了明確的設(shè)計建

議以及相應(yīng)的量化參數(shù)，從而方便設(shè)計人員選擇和參考。

海南省建筑節(jié)能協(xié)會標準《海南省建筑自然通風設(shè)

計導(dǎo)則》對場地規(guī)劃設(shè)計和建筑設(shè)計提出要求，從建筑

形體設(shè)計、開口設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計、輔助設(shè)計等方面給出

了明確的設(shè)計手法以及相應(yīng)量化參數(shù)，細化了自然通風

設(shè)計要求。

基于迪士尼游藝類開口項目編制的《上海迪士尼主

題樂園項目建筑設(shè)計導(dǎo)則》和《上海市迪士尼主題樂園

項目游藝類開口建筑節(jié)能設(shè)計導(dǎo)則》，一定程度上解決

了游藝類開口建筑節(jié)能設(shè)計沒有借鑒和標準的問題，也

為相關(guān)開口建筑節(jié)能設(shè)計提供了參考和依據(jù)。研究成果

具有創(chuàng)新性、先進性和可操作性，填補了游藝類開口建

筑領(lǐng)域的空白。

《克拉瑪依防風設(shè)計導(dǎo)則》從城市角度進行建筑群

的合理規(guī)劃，引導(dǎo)通風和防風設(shè)計，促進建筑場地風環(huán)

境營造。確定了生態(tài)風廊道尺度控制指標，并提出了街

坊和綠地生態(tài)風廊道設(shè)計方法。

6 成果應(yīng)用支撐建筑的高品質(zhì)綠色健康發(fā)展

項目成果應(yīng)用于全國范圍寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、

夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)四個氣候區(qū)內(nèi)一批高性能綠色

建筑的設(shè)計和優(yōu)化中，實現(xiàn)了規(guī)模化推廣。項目類型涵

蓋住宅類項目、公共建筑類項目、地標及示范類項目等。

多個項目獲得綠色建筑三星級運行標識和健康建筑三星

級運行標識，其中，揚州市藍灣國際項目獲得“亞太地

區(qū)聯(lián)盟綠色建筑先鋒獎”，是“可持續(xù)設(shè)計和性能先鋒

獎”國內(nèi)唯一住宅類項目。廈門市國貿(mào)金融中心項目獲

得“碳中和”證書，成為廈門市首個“零碳大廈”。海

南省三亞海棠灣亞特蘭蒂斯酒店項目獲得 LEED 金獎?wù)J

證。綠智匯項目獲得 WELL 健康建筑標準金級認證。

通過項目成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品銷售，近三年

累計新增產(chǎn)值 8.59 億元、新增利潤 1.80 億元。項目成

果為城市住區(qū)和建筑室內(nèi)的舒適健康環(huán)境營造提供了理

論依據(jù)和技術(shù)支撐，推動了綠色建筑的高質(zhì)量發(fā)展，改

善居民居住環(huán)境，提升居民幸福感。項目成果獲得同行

認可，具有顯著的國際影響力，推動了建筑環(huán)境和建筑

節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)進步，解決了行業(yè)技術(shù)難題。

開式空氣循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)性能仿真分析戰(zhàn)斌飛 1,2 王智超 1,2,* 孫郁 3,* 徐策 1,2 邵雙全 4 徐昭煒1,2 楊英霞1,2

（1 建筑安全與建筑環(huán)境國家重點實驗室 北京 100013； 2 中國建筑科學(xué)研究院有限公司 北京100013；3 中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190；4 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院武漢430074）摘 要 與傳統(tǒng)干燥技術(shù)不同，提出以空氣為工質(zhì)的空氣循環(huán)熱泵干燥（ACHPD）系統(tǒng)新技術(shù)，旨在解決能源使用效率低、HCFC/HFC 等非環(huán)保制冷劑使用等問題。建立了數(shù)學(xué)仿真模型，通過所構(gòu)建試驗臺的實驗結(jié)果進行驗證，干燥速率誤差在±0.01%以內(nèi)，系統(tǒng)功率誤差在±7%以內(nèi)。與傳統(tǒng)的電加熱器干燥（EHD）系統(tǒng)相比，當水質(zhì)量蒸發(fā)率從0.75 kg·h

-1 增加到3.45kg·h

-1時，ACHPD 系統(tǒng)的節(jié)能率達到約 15~27%。進氣溫度 10°C 至 40°C 和相對濕度 30%至80%的增加分別使除濕能效比（MER）降低了約 7%和 21%。膨脹機 0.55 至 0.8 和壓縮機 0.4 至 0.9 的效率提高會使系統(tǒng)的能效分別降低17%和36%。研究結(jié)果為該空氣循環(huán)熱泵技術(shù)在干燥領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 開式循環(huán)；空氣循環(huán)；熱泵；干燥系統(tǒng)

中圖分類號：TK124 文獻標識碼：A

Simulation Analysis of Open-loop Air cycle Heat Pump DryingSystemPerformance

Zhan Binfei1,2 Wang Zhichao

1,2,* Sun Yu

3,* Xu Ce

1,2 Shao Shuangquan

4 Xu Zhaowei1,2 YangYingxia

1,2

(1 State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment, Beijing 100013, China; 2 China AcademyofBuilding Research, Beijing 100013, China; 3 CAS Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physicsand Chemistry; 4 School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China)

Abstract Different from conventional drying technology, the novel technology of an air cycle heat pump drying (ACHPD) system, using air as its working medium, is proposed to solve the problems of low energy efficiency, HCFC refrigerant use, and soon. Amathematical simulation model was established, its verification via experimental results from a constructed test bench producederrors of drying rate within ±0.01%, and of system power within ±7%. Compared with a conventional electric heater drying(EHD)system, the energy-saving rate of the ACHPD system reaches about 15~27% when the water mass evaporation rate increases from0.75kg·h-1 to 3.45kg·h-1. The increase of inlet air temperature 10°C-40°C and relative humidity 30%-80% reduced energy efficiencyratio of dehumidification (MER) by about 7% and 21% respectively. The efficiency improvements of expander 0.55-0.8andcompressor 0.4-0.9 can deteriorate the energy efficiency of system by 17% and 36% respectively. The research results providenewtechnical references for the application of heat pump technology in the drying field. Keywords Open loop; Air cycle; Heat Pump; Drying System干燥可能是許多行業(yè)中最古老、最常見和最多樣化的過程，由于水汽化潛熱非常高，這是最耗能的過程之一[1]，并廣泛應(yīng)用于食品加工[2-4]、污泥干燥[5-7]、水產(chǎn)品加工[8-10]、服裝干燥[11,12]、木材干燥[13-15]等。目前，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用的干燥技術(shù)主要有熱風干燥[16]、冷凍干燥[17]、真空干燥[18]、微波干燥和超聲波干燥[19]

等。工業(yè)領(lǐng)域中使用的干燥技術(shù)主要包括電加熱、燃料/氣體加熱、真空蒸發(fā)干燥、熱泵（HP）干燥[20-22]

等。電加熱和燃料/氣體加熱干燥方法能效極低、存在潛在安全風險[23,24]，真空干燥和微波干燥具有初始投

資高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和能耗高的缺點[25,26]。相比之下，熱泵干燥（HPD）技術(shù)具有能效高、溫度調(diào)節(jié)范圍寬、干燥效率高、可控性好和干燥質(zhì)量優(yōu)良的優(yōu)點[27-32]，是實現(xiàn)“綠色工業(yè)”的較好方案[33,34]。近年來，對全球變暖的日益關(guān)注導(dǎo)致人們更加關(guān)注環(huán)境保護；空氣是一種天然安全的制冷劑。因此，使用空氣作為工作流體的逆布雷頓循環(huán)是傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的潛在替代方案。除了空氣循環(huán)熱泵本身的優(yōu)點外，與需要通過熱交換器向外部環(huán)境供熱的常規(guī)干燥系統(tǒng)設(shè)計不同，系統(tǒng)中循環(huán)的工作介質(zhì)可以直接用于干燥物料，減少了常規(guī)換熱器等二次換熱環(huán)節(jié)，以避免通過熱交換器進行熱交換的熱損失?？諝庋h(huán)熱泵系統(tǒng)因其在一定條件下的優(yōu)異性能和環(huán)保工質(zhì)的特點，可以有效地替代普通熱泵技術(shù)，在干燥領(lǐng)域具有很大的潛在價值和前景。然而，迄今為止，還沒有人對空氣循環(huán)熱泵系統(tǒng)在干燥領(lǐng)域的直接應(yīng)用進行仿真和實驗研究。

本文提出了一種新型的空氣循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)，構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型和實驗測試平臺，并根據(jù)實驗測試結(jié)果驗證了模型的有效性。

1 系統(tǒng)模型的建立

1.1 空氣循環(huán)熱泵干燥和電加熱器干燥兩種系統(tǒng)模型的組成

ACHPD 系統(tǒng)包括膨脹機（1-2）、熱回收熱交換器（2-3）、空氣壓縮機（3-4）和干燥室（4-5）。ACHPD系統(tǒng)的原理如圖 1（a）所示。環(huán)境空氣通過膨脹機流入系統(tǒng)，隨著膨脹機的絕熱膨脹過程，空氣的溫度和壓力下降。然后，空氣流經(jīng)熱回收熱交換器冷側(cè)吸熱，接下來，空氣通過壓縮機壓縮后，成為高溫高壓空氣，然后進入干燥室進行吸濕，接著進入熱交換器的熱側(cè)冷卻和冷凝，最后返回大氣環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)點體現(xiàn)在：（1）如果經(jīng)膨脹機膨脹后的溫度低于該狀態(tài)下的空氣露點溫度，將在該點產(chǎn)生冷凝，可以完美地解決高濕度環(huán)境條件對系統(tǒng)干燥性能的影響；（2）系統(tǒng)中的換熱器實際上起到了回熱器的作用，一方面適度增加了膨脹后低溫低壓空氣的溫度和壓力，另一方面，來自干燥室的濕熱空氣在此處冷凝，產(chǎn)生的相變潛熱將提高換熱器的整體換熱效率。

EHD 系統(tǒng)主要由電加熱器（7-8）和干燥室（8-9）組成。EHD 系統(tǒng)的原理如圖1（b）所示。環(huán)境空氣通過電加熱器流入系統(tǒng)，然后進入干燥室進行吸濕，最后返回到環(huán)境狀態(tài)。1.2 ACHPD 系統(tǒng)模型

(1) 膨脹機中的膨脹過程

采用總等熵效率模擬空氣循環(huán)熱泵除濕系統(tǒng)中的實際膨脹過程，效率系數(shù)。發(fā)電功率可按以下公式計算[35]：

(1)

入口和出口濕空氣的焓可根據(jù)獨立的物理量（如壓力、溫度和相對濕度）確定。應(yīng)考慮兩種工作條件：1）干膨脹；2）濕膨脹。

濕膨脹過程中的除濕量計算如下：

圖 1 兩種干燥系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of two types of drying system

(2)

(2) 空氣壓縮機的壓縮過程

總等熵效率用于模擬壓縮機，效率系數(shù) ，所需輸入功率可計算如下：(3)

(3) 熱回收換熱器的換熱過程

換熱器中必須考慮顯熱交換和總熱（包括顯熱和潛熱）交換，可以使用傳熱效率計算總換熱效率，如下所示：

(4)

(5)

(4) 干燥室中的干燥過程

離開干燥室的空氣含水量計算如下：

(6)

經(jīng)實驗測試得到，穩(wěn)態(tài)下的水蒸發(fā)率為 3.5kg·h

-1。

圖 2 系統(tǒng)壓焓圖

Fig. 2 Schematic diagram of system pressureand enthalpy

為了方便表達系統(tǒng)各部件的運行情況，繪制了系統(tǒng)壓焓圖，如圖 2 所示。選取的工況為：進氣流量設(shè)置為 250kg·h

-1，進氣溫度設(shè)置為 25℃，進氣濕度設(shè)置為 60%，膨脹機效率設(shè)置為0.75，壓縮機效率設(shè)置為 0.6，熱交換器效率設(shè)置為 0.3。

1.3 EHD 系統(tǒng)模型

對于電干燥器，可以根據(jù)能量守恒定律獲得電加熱器所需的功率。經(jīng)過加熱器后，空氣的含水量不變。(7)

1.4 模型分析與調(diào)試

兩臺干燥器的性能可以通過整個系統(tǒng)的輸入功率和除濕能量利用系數(shù)來評估。穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)的總輸出功率可以表示為：

(8)

其中 是驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)的能量功率。

干燥器的能效由除濕能效比（MER）表示。MER 定義為每單位質(zhì)量干燥濕材料所需的能量輸入，如下所示：

(9)

2 模型驗證

為了驗證上述數(shù)學(xué)模型，根據(jù)圖 3 所示的示意圖設(shè)計和搭建了試驗臺。試驗臺由膨脹機、空氣熱回收換熱器、空氣壓縮機和干燥室組成。

在試驗臺上，溫度和壓力由高精度傳感器測量，風量由高精度皮托管測量，測試數(shù)據(jù)由安捷倫采集器收集。不同實驗組件和測試設(shè)備詳細信息如表 1 所示。各成分相互獨立，因此合成標準不確定度為0.13%，其結(jié)果如下[36]：

(10)

為了驗證模型的有效性，選擇了兩組不同的工作條件（案例 1 和案例 2），將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行比較，如表 2 所示。結(jié)果從四個方面進行了比較：從比較結(jié)果可以看出，壓縮機出口溫度誤差在±3.1%以內(nèi)，干燥速率誤差在±0.01%以內(nèi)，系統(tǒng)功率誤差在±7%以內(nèi)，MER 誤差在±7%以內(nèi)。表 1. 實驗部件和測量裝置的主要信息

Tab.1 Main information of experimental components and measuring devices設(shè)備 類型 范圍 誤差不確定度溫度傳感器 Rtd-100 type -50 ~ 250 °C ±0.1 °C 0.03 %0.13%壓力傳感器 CYYZ08 0~2 MPa ±0.1 % 0.1 %濕度傳感器 VAISALA HM 34 0~100 % ±0.1 % 0.1 %電測表 AN16015H 0~500 W ±0.1 % 0.1 %控制器 Variable voltage 0~1000 W ±0.5 % 0.5 %電子秤 ZG-TP203 0~2 kg ±0.01 g 0.0005 %空氣流量計 Pitot tube 0-150 kg·h

-1 ±0.2 % 0.2 %表 2 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的比較

Tab. 2 Comparison between experimental results and simulation results類別

壓縮機出口溫度

Ta /°C

干燥速率

kg·h

-1

系統(tǒng)電功率kW

MERkWh·kg

-1

案例 1 案例 2 案例 1 案例 2 案例 1 案例2 案例1 案例2實驗值 54.34 59.36 0.74 1.04 0.6342 0.7286 0.1423 0.1625模擬值 52.67 60.27 0.74 1.04 0.6085 0.7802 0.1365 0.1740誤差 -3.07 % 1.53 % 0.01 % 0.01 % -4.05 % 6.98 % 4.06 %6.92%3 兩種干燥系統(tǒng)的比較

基于驗證的模型，研究了兩個系統(tǒng)在不同水質(zhì)量蒸發(fā)量（MEVAP）下的MER 和節(jié)能率，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 兩種干燥系統(tǒng)的性能比較

Fig. 4 Performance comparison of the two types of drying systems從兩個系統(tǒng)的比較結(jié)果可以看出，在不同的 MEVAP 條件下，空氣循環(huán)熱泵干燥系統(tǒng)始終比EHD系統(tǒng)更節(jié)能，并且隨著蒸發(fā)量的增加，其節(jié)能效果更加明顯。例如，當 MEVAP 從0.75kg·h

-1增加到3.45kg·h-1時，系統(tǒng)的節(jié)能率提高了約 44%。當蒸發(fā)率達到 3.4kg·h

-1時，系統(tǒng)的節(jié)能率達到約27%。在計算條件下，即使最壞的條件也會產(chǎn)生約 15%的節(jié)能率。

4 多工況下的系統(tǒng)性能

4.1 不同進氣流量的工況

不同空氣流量對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 5 所示。隨著空氣流量的增加，膨脹除濕率顯著降低，但出口熱風除濕率顯著增加，會產(chǎn)生不利影響，如壓縮機出口溫度的降低和壓縮機出口濕度的增加。系統(tǒng)的單位除濕能耗隨風量的增加而增加，僅增加 0.93%。

圖 5 不同空氣流量條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig. 5 Changes in system performance under different air flow rate conditions

4.2 不同的進氣相對濕度工況

圖 6 不同進氣相對濕度條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig. 6 Changes in system performance under different inlet air relative humidity conditions進氣相對濕度對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 6 所示。進氣相對濕度發(fā)生35~85%的變化時，膨脹除濕率顯著增加，但出口熱風除濕率顯著下降，換熱器的換熱能力降低 21.72%，該系統(tǒng)的單位除濕能耗降低了 6.62%。

4.3 不同進氣溫度工況

不同進氣溫度對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 7 所示。進氣溫度發(fā)生10~40°C 的變化時，隨著空氣溫度的升高，膨脹除濕率顯著降低，但出口熱風除濕率顯著增加，換熱器的換熱能力降低57.88%，并且系統(tǒng)的單位除濕能耗降低了 20.95%。

圖 7 不同進氣溫度條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig 7 Changes in system performance under different inlet air temperature conditions 4.4 不同膨脹機效率工況

膨脹機效率對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 8 所示。膨脹機效率從0.55 變化至0.8 時，膨脹除濕率顯著增加，換熱器的換熱能力增加了 9.96%，單位除濕能耗總體下降了 16.54%。圖 8 不同膨脹機效率條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig. 8 Changes in system performance under different expander efficiency conditions 4.5 不同壓縮機效率工況

圖 9 不同壓縮機效率條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig 9. Changes in system performance under different compressor efficiency conditions不同壓縮機效率對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 9 所示。壓縮機效率從0.4 變化至0.9 時，膨脹除濕率顯著增加，但出口熱風除濕率顯著下降，在規(guī)定效率范圍內(nèi)，換熱器的換熱能力增加了44.40%，系統(tǒng)

的單位除濕能耗增加了 35.74%。

4.6 不同換熱器效率工況

不同熱交換器效率值對 ACHPD 系統(tǒng)性能的影響結(jié)果如圖 10 所示。換熱器效率從0.3 變化至0.8時，膨脹除濕和熱風除濕的比率顯著降低，但換熱器的除濕比率顯著增加，換熱器的換熱能力增加138.97%，系統(tǒng)的單位除濕能耗總體增加了 19.54%。

圖 10 不同換熱器效率條件下系統(tǒng)性能的變化

Fig. 10 Changes in system performance under different heat exchanger efficiency conditions 5 結(jié)論

本文提出了一種新型的 ACHPD 系統(tǒng)，描述了相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型和實驗測試平臺，并根據(jù)實驗測試結(jié)果驗證了模型的有效性。將 ACHPD 系統(tǒng)模型與傳統(tǒng) EHD 系統(tǒng)進行了比較，并研究了系統(tǒng)在多種工況下的性能變化。相關(guān)結(jié)論總結(jié)如下：

（1）提出了一種新型的 ACHPD 系統(tǒng)，并建立了仿真計算模型，干燥速率計算誤差在±0.01%以內(nèi)，系統(tǒng)功率計算誤差在±7%以內(nèi)。

（2）與傳統(tǒng) EHD 系統(tǒng)相比，ACHPD 系統(tǒng)的節(jié)能率約為 15~27%。

（3）將系統(tǒng)的進氣流量從 150 kg·h

-1 增加到 400 kg·h

-1 可以使 MER 增加約1%。將進氣溫度從10°C增加到 40°C，空氣相對濕度從 35%增加到 85%，可以分別減少約 7%和 21%的MER。（4）膨脹機 0.55-0.8 和壓縮機 0.4-0.9 的效率提高會使系統(tǒng)的能效分別降低17%和36%。參考文獻

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戰(zhàn)斌飛（1991-）男，博士，科研助理/中級工程師，中國建筑科學(xué)研究院有限公司，010-64517154，E-mail: zhanbf@emcso.com。研究方向：制冷與暖通空調(diào)新技術(shù)。

王智超（1972-），男，博士，博導(dǎo)/研究員，中國建筑科學(xué)研究院有限公司，010-64517154，E-mail: wangzc@emcso.com。研究方向：綠色建筑、空調(diào)通風凈化系統(tǒng)與設(shè)備的性能檢測與評價、熱網(wǎng)控制及其供熱系統(tǒng)的計量收費。About the authors：

Zhan Binfei (1991-), male, doctor, research assistant/intermediate engineer, China Academy of Building Sciences Co., Ltd., 010-64517154, E-mail: zhanbf@emcso.com. Research fields: new technologies of refrigeration and HVAC. Wang Zhichao (1972-), male, doctor, doctoral advisor/researcher, China Academy of Building Sciences Co., Ltd., 010-64517154, E-mail: wangzc@emcso.com. Research fields: green buildings, performance testing and evaluation of air conditioning ventilationand purification systems and equipment, heating network control and metering and charging of heating systems.基金項目：中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點實驗室開放課題（CRYO202211）；北京市科協(xié)金橋工程種子資金（ZZ22041）；中國建筑科學(xué)研究院青年研究基金項目（20210109331030027）。(The Opening Funds of CAS Key Laboratory of Cryogenics, TIPC(NO. CRYO202211); and the Seed Fund of the Golden Bridge Project of Beijing Association for Science and Technology(NO. ZZ22041); the Youth Research Fund Project of China Academy of Building Research (NO. 20210109331030027))

基金項目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2021 年科學(xué)計劃項目（2021-K-161）。

回差設(shè)定對空氣源熱泵運行性能的影響分析徐策，徐昭煒，王智超，孫曉雨（建科環(huán)能科技有限公司，北京市 朝陽區(qū) 100013）Analysis of influence of return difference setting on Operation performance of

Air source heat pump

XU Ce, XU Zhaowei, WABG Zhichao, SUN Xiaoyu

(Jianke EET Co.,Ltd., Beijing, 100013)

ABSTRACT: The air-to-water heat pump (AWHP) is one of the best approaches for clean energy heating in the “coal-to-electricity”project among rural areas of northern China, and system start-stop is a key factor affecting its performance. Taking a typical

household air source heat pump in Beijing as the object, this paper conducted an experimental study on the effect of the water sidereturn difference setting on the unit start-stop times and heating performance. Taking the variable frequency air source heat pumpsystem of a farmer in Beijing as an example, the results show that under the premise of ensuring the heating effect, adjusting?T-s,set and set can improve COPsys, and the higher the outdoor temperature, the better the optimization effect. The increase of ?T-s,set candecrease the on-off cycling times, reduce the total running time and increase the proportion of the high-load-rate running period. Forthe 2019-2020 heating season, the seasonal power consumption could be reduced by 7%-15% and the seasonal COPsys couldbeincreased by 8%-17%. This paper provides a convenient and feasible low-cost energy-saving optimization scheme for the existingair-water heat pump system, and has an important reference value for improving the energy efficiency of air source heat pumpinclean heating in northern China. Key words: air-source heat pump; back difference setting; operation performance; actual measurement

摘要: 空氣源熱泵是中國北方農(nóng)村冬季清潔供暖的理想方式之一，而系統(tǒng)啟停是影響其性能的關(guān)鍵因素。該文以北京市某典型戶用空氣源熱泵為對象，進行了水側(cè)回差設(shè)定對機組啟停次數(shù)和供熱性能影響的試驗研究。以北京一農(nóng)戶的變頻空氣源熱泵系統(tǒng)為例進行了相關(guān)試驗，結(jié)果表明在保障供暖效果的前提下，調(diào)節(jié)?T-s,set 可以提高 COPsys，并且室外溫度越高，優(yōu)化效果越好。?T-s,set 的增加可以減少系統(tǒng)的啟停次數(shù)和主機運行時間，增加主機高負荷率運行周期的比例。在2019—2020供暖季節(jié)，供暖季耗電量降低 7%~15%，供暖季 COPsys 增加 8%~17%，為既有空氣-水熱泵系統(tǒng)提供了一種便捷可行的低成本節(jié)能優(yōu)化方案，對提高空氣源熱泵在中國北方地區(qū)清潔供暖中的能效提升具有重要的參考價值。關(guān)鍵詞: 空氣源熱泵；回差設(shè)定；運行性能；實測

0 引言

中國北方冬季燃煤供暖，特別是農(nóng)村地區(qū)的散煤燃燒造成了嚴重的環(huán)境污染[1-2]。為改善大氣環(huán)境，中國推動了北方地區(qū)的清潔取暖工作，而其難點與重點都在農(nóng)村[3]?？諝庠礋岜镁哂懈咝Ч?jié)能、安裝和操作便捷、運行可靠等特點。經(jīng)過北京市 2013—2015 年的試點驗證以及 2016—2018 年的大規(guī)模推廣實施，空氣源熱泵被認為是中國北方農(nóng)村地區(qū)中主要和理想的清潔能源方式[4-7]?，F(xiàn)有空氣源熱泵的研究主要從熱泵

機組方式選擇、熱泵機組容量和建筑負荷配比、供暖系統(tǒng)配置等方面進行，更多地是適用于新系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和運行。對既有系統(tǒng)的運行優(yōu)化提升，特別是對因使用情況發(fā)生變化而帶來的容量負荷配置比發(fā)生改變的系統(tǒng)鮮有針對性的研究。該文通過實際監(jiān)測對比分析的方法和改變機組控制回差設(shè)定的方法，探討性能提升的可能，以期為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供參考。并選取北京“煤改電”工程中一典型農(nóng)村住宅配備的空氣源熱泵系統(tǒng)，于 2019—2020 供暖季進行運行監(jiān)測，并考察其效果，為運行節(jié)能提供參考。

1 實例研究

1.1建筑情況

該文選取北京郊區(qū)一配備空氣源熱泵系統(tǒng)的典型農(nóng)村住宅，進行運行監(jiān)測與回差設(shè)定試驗研究。建筑信息見表1。

表 1 建筑信息

Tab.1 Construction information項目 參數(shù)

建筑面積 120m2實際供暖面積 90m2層高 2.8m外窗形式 鋁合金窗

外墻形式 磚墻+北墻外保溫

1.2 供暖系統(tǒng)情況

由于農(nóng)村住宅為戶主自建房，難于準確定量評估建筑的熱負荷[8]。在北方各省推廣清潔取暖時，為了保障供暖效果，一般確定設(shè)計熱負荷指標為 80W/m2~100W/m2。

此外，該建筑在初期設(shè)備選型時選用了某額定制熱量為 13.5kW 的變頻式空氣源熱泵機組，存在機組選型偏大的情況。該空氣源熱泵系統(tǒng)詳細信息見表 2，系統(tǒng)原理圖見圖 3。供水溫度設(shè)定值Ts,set由用戶根據(jù)其所需溫度進行控制。上行回差(?T+s,set)和下行回差(?T-s,set)的初始值均為2℃，在試驗過程中?T+s,set固定在 2℃，?T-s,set可根據(jù)試驗設(shè)計進行調(diào)整。

表 2 空氣源熱泵系統(tǒng)詳細信息

Tab.1 Air source heat pump system details項目 參數(shù)

額定功率 6.00kW(1.35~7.00)

額定制熱量 13.50kW(4.50~16.00)

名義 COP 2.25

制熱能力范圍 4.50~16.00kW

IPLV（H） 2.50

壓縮機類型 渦旋壓縮機

制冷劑類型 R410A

水路 定頻水泵功率 151W

緩沖水箱位置 回水干管

緩沖水箱容積 60L

末端 末端形式 散熱器

運行時間 0:00~24:00

控制模式 供水溫度控制

運行控制 供水溫度設(shè)定值 用戶自行設(shè)置

控制回差值 根據(jù)試驗需求在機組控制模塊內(nèi)調(diào)節(jié)

注：

1.額定工況：空氣干/濕球溫度為-12.0/-14.0℃。供水溫度為 41.0℃，循環(huán)水流量為 2.40m3/h。

2.額定功率范圍和額定制熱能力范圍對應(yīng)于變頻能力范圍內(nèi)額定工況的機組性能。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)測點位置如圖 1 所示。監(jiān)測參數(shù)包括室外空氣溫度 Tout與相對濕度RHout、室內(nèi)空氣溫度Tin、機組供水溫度 Ts與回水溫度 Tr、水流量 G 與系統(tǒng)耗電量 P。基于測試結(jié)果，以建筑單位面積供熱量q與室內(nèi)空氣溫度 Tin評價建筑供熱保障水平，以系統(tǒng)耗電量 P 與能效比 COPsys等評價機組性能，相關(guān)計算如公式（1）~公式（2）所示。

( ) , ( )? ( ) ( )?

( )

p w w s r Q c G T T

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(1)

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COP

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(2)

圖 1 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運行控制示意圖

Fig.1 Operation control diagram of air source heat pump heating system

圖 2 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供水溫度回差控制示意圖

Fig.2 Air source heat pump heating system water supply temperature return difference control diagram2 監(jiān)測情況

基于上述空氣源熱泵實際項目與監(jiān)測系統(tǒng)，于 2019 年 11 月 15 日~2020 年1 月15 日進行了變回差試驗，回差上行值固定為 2℃，下行值調(diào)整不同取值。供暖初期室外溫度較高，供暖需求較低，為避免頻繁啟停，考慮較大的下行值 6℃。進而隨室外溫度降低，將下行值逐步調(diào)整為4℃、2℃，具體時間安排見表3。

表 3 各工況階段回差設(shè)定、室外溫度與相對濕度情況

Tab.3 Setting of return difference, outdoor temperature and relative humidity in each working stage序號 時間 回差設(shè)定

日均室外溫度 日均室外相對濕度COPsys范圍 平均值 范圍 平均值1 2019.11.15~2019.11.30 (+2℃,-6℃) -1.6~9.4℃ 2.7℃ 20.3%~72.4% 46.1% 2.202 2019.12.1~2020.1.1 (+2℃,-4℃) -3.3~0.8℃ -1.2℃ 27.9%~88.4% 53.4% 1.783 2020.1.2~2020.1.15 (+2℃,-2℃) -4.0~1.2℃ -1.4℃ 35.0%~73.8% 48.2% 1.58階段 -4.0-9.4℃ 0.0℃ 20.3%-88.4% 50.0% 1.813 結(jié)果與討論

3.1 氣象條件

2019 年 11 月 15 日~2020 年 1 月 15 日的室外溫度與相對濕度情況見表3?？梢?，?T-s,set=-6℃、-4℃、-2℃對應(yīng)時段的平均室外溫度分別為 2.7℃、-0.8℃、-1.5℃，呈逐漸降低趨勢。3.2 建筑供熱需求保障情況

為了評估空氣源熱泵系統(tǒng)對建筑供暖的保障水平，分析了試驗期間不同回差設(shè)置下的室內(nèi)溫度和單位面積供熱量的情況。在試驗過程中，用戶可以根據(jù)自己的需求調(diào)節(jié)供水溫度設(shè)置。當室外日平均溫度在-4.0℃~9.4℃時，室內(nèi)日平均溫度在 15.0℃~19.1℃。室內(nèi)溫度滿足 GB/T 50824—2013 中農(nóng)村住宅14.0℃的設(shè)計指標。

圖 3 運行實測期間室溫情況

Fig.3 Room temperature during operation and measurement

由于建筑熱負荷隨室外溫度的增加而減少，因此空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供熱量呈相應(yīng)的下降趨勢，如圖 4 所示。

圖 4 運行實測期間供熱量情況

Fig.4 The quantity of heat supply during the actual operation空氣源熱泵日耗電量情況如圖 5 所示。由于負載率的降低，因此單日耗電量隨室外溫度的增加而降低。此外，參考圖 7 所示的 Tout=0.0℃左右的結(jié)果，在相同的室外氣候條件下，日耗電量隨下行回差的增加而降低。

圖 5 運行實測期間系統(tǒng)耗電量情況

Fig.5 Power consumption of the system during operation and measurement

系統(tǒng) COP 情況如圖 6 所示。不同回差設(shè)置周期下的系統(tǒng) COP 數(shù)據(jù)見表4。在變回差試驗期間，COPsys隨著 Tout的增加而增加，在 1.47 到 2.79 之間變化。室外平均氣溫為 0.0℃，平均COPsys為1.81。此外，在相同的室外氣候條件下，COPsys 隨著?T-s,set 的增加而增加。如圖 6 所示，更大的?T-s,set 下的COPsys 的增長率更高。

圖 6 運行實測期間系統(tǒng)性能系數(shù)情況

Fig.6 Performance coefficient of the system during operation and measurement

綜上所述，在不同的回差設(shè)置下，空氣源熱泵系統(tǒng)的性能不同，并且系統(tǒng)的性能隨回差的增加而增加。為了理解這一現(xiàn)象，選擇了具有相似室外氣候條件的 3 個典型日進行詳細說明。3.3 典型日的性能分析和詳細說明

針對 3 種?T-s,set 設(shè)定，為詳細分析空氣源熱泵機組 COPsys 發(fā)生變化的原因，選取室外氣象條件接近的3 個典型日，從啟停、水溫變化、運行總時間與其間機組狀態(tài)等角度進行對比。根據(jù) 3 個典型日的情況可知，住戶根據(jù)實際情況自行調(diào)節(jié)供水溫度設(shè)定值Ts,set，3 個典型日均呈現(xiàn)日間供水溫度低而夜間供水溫度高的特點。隨著?T-s,set 的變化，機組呈現(xiàn)不同的啟停特性與運行狀態(tài)。統(tǒng)計3 個典型日的相關(guān)運行參數(shù)（見表 4），具體分析如下：

首先，啟停次數(shù)由 5.9h-1 降至 2.9h-1、1.2h-1，減至原有的 65.9%、27.3%，頻繁啟停現(xiàn)象得到改善，有助于避免啟停過程中的損耗。

其次，主機運行時段平均供水溫度分別為 43.2℃、43.1℃、42.3℃，為用戶設(shè)定水溫與不同回差設(shè)定共同影響的結(jié)果；平均供回水溫差分別為 2.4℃、2.9℃、3.6℃，隨?T-s,set的增大而增大。?T-s,set=6℃工況下供水溫度的降低有助于機組性能的提升，而較大的供回水溫差則在較低供水溫度下滿足了建筑供熱需求。最后，主機總運行時間由 15.6h 減至 11.9h、8.4h，而運行時段機組平均功率由3.19kW增至3.49kW、3.95kW，系統(tǒng)總耗電量由 51.95kW·h 降至 43.14kW·h、34.66kW·h，即隨?T-s,set的增大，主機運行總時間變短，工作負荷率更高，有利于系統(tǒng)能效比的提升。

結(jié)合上述分析，在相同的氣候條件下，隨著?T-s,set 的增加，COPsys 從 1.58 增加到1.76 和2.00，?T-s,set從 2℃增加到 4℃和 6℃，分別增加了 11.4%和 26.6%。此外，值得關(guān)注的是，當室外日平均氣溫在-1.8℃~-1.6℃時，在 3 個典型日均沒有觀察到結(jié)霜或除霜過程，因此該文沒有對結(jié)霜和除霜現(xiàn)象進行研究。

表 4 典型日運行參數(shù)統(tǒng)計

Tab.4 Statistics of typical daily running parameters回差設(shè)定 (+2℃,-6℃) (+2℃,-4℃) (+2℃,-2℃)

日期 2019.11.28 2019.12.12 2020.1.11平均室外溫度(℃) -1.6 -1.7 -1.8

平均室外相對濕度 43.8% 42.2% 41.5%平均室內(nèi)溫度(℃) 16.7 16.2 17.9

日耗電量(kW·h) 69.17 76.04 82.14

日供熱量(kW·h) 32.0 35.2 38.0

平均單位面積供熱量(W/m2) 34.66 43.14 51.95

COPsys 2.00 1.76 1.58

啟停次數(shù)(h-1) 1.2 2.9 5.9

平均供水溫度(℃) 42.3 43.1 43.2

平均回水溫度(℃) 38.7 40.2 40.8

平均溫差(℃) 3.6 2.9 2.4

主機開機總時長(h) 8.4 11.9 15.6

主機開機時段機組平均功率(kW) 3.95 3.49 3.19

根據(jù)上述研究內(nèi)容，提出基于供需匹配的空氣源熱泵供熱系統(tǒng)變回差水溫控制方法，并形成專利。該方法能夠隨著室外溫度的升高動態(tài)增大水溫控制回差，可改善低負荷狀態(tài)下空氣源熱泵機組的頻繁啟停問題，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)耗電量，減少啟停過程中的噪聲影響[9]。

4 結(jié)論

空氣源熱泵系統(tǒng)是中國北方農(nóng)村地區(qū)理想的清潔能源取暖方式之一。針對其在實際運行中長期工作在部分負荷工況、能效比偏離理想值的問題，該文提出隨室外溫度變化動態(tài)分段調(diào)整水溫回差控制下行差?T-s,set 的方案，并基于北京“煤改電”工程中一配備空氣源熱泵系統(tǒng)的典型農(nóng)村住宅進行運行監(jiān)測，通過實測數(shù)據(jù)考察該方法的可行性與效果。結(jié)果表明：1）在 2019 年 11 月 15 日到2020 年1 月15 日期間，隨室外溫度的降低，分別采用(+2℃,-6℃)、(+2℃,-4℃)、(+2℃,-2℃)的供水溫度控制回差設(shè)定，建筑供熱需求均可得到滿足，在-4.0~9.4℃的室外溫度下實現(xiàn)室內(nèi)溫度為 15.0℃~19.1℃。2）在相同的室外氣候條件下，當?T-s,set 增大時，可有效減少啟停循環(huán)次數(shù)，降低啟停過程中的能量損耗。運行期間平均供水溫度降低，而較大的供回水溫差滿足了建筑供暖需求?？傔\行時間減少，高負荷率下運行時間比例增加。?T-s,set的增加可以提高 COPsys，并且隨著室外空氣溫度的升高，優(yōu)化效果也變得更好。該文提出的變回差控制算法可以在保證加熱效果的前提下，提高 COPsys，并降低功耗。該文為AWHP系統(tǒng)提供了一種低成本、便捷的節(jié)能優(yōu)化方案，為建筑節(jié)能減排帶來了顯著的效益。同時基于相關(guān)研究形成基于上述研究內(nèi)容，形成了相關(guān)發(fā)明專利，可有效改善低負荷狀態(tài)下空氣源熱泵機組的頻繁啟停問題，提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)耗電量，減少啟停過程中的噪聲影響。

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徐策（1989），男，碩士研究生，主要從事空氣源熱泵系統(tǒng)能效提升的研究，xuce@emcso.com

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