1　空氣源熱泵的關鍵運行問題

　　空氣源熱泵（ASHP）以環境空氣為低溫熱源，其運行受環境空氣溫度、濕度、潔凈度等因素影響，會出現結霜、誤除霜、低溫運行、臟堵等問題，導致其運行性能嚴重劣化。

2　空氣源熱泵的典型案例分析

　　本文結合北京地區2個實際運行案例，分析ASHP機組在全工況下運行的實際性能，揭示各關鍵運行問題對ASHP運行性能的影響，并總結系統在供暖季與供冷季的運行性能及能耗。

2.1　工程簡介

　　典型案例1為北京地區一棟小型辦公建筑，含辦公室11間，總空調面積為185 m2，空調供暖系統為空氣源熱泵加地板輻射/風機盤管系統，機組額定制熱量/制冷量為14 kW/12.5 kW，額定制熱/制冷功率為4.45 kW/4.25 kW；典型案例2同樣為北京地區一棟小型辦公建筑，含辦公室10間，總空調面積為215 m2，空調供暖系統為空氣源熱泵加風機盤管系統，額定制熱量/制冷量為19.6 kW/15.6 kW，額定制熱/制冷功率為6.8 kW/5.18 kW。2個案例中使用的ASHP機組均為商用品牌機，配置常規的溫度時間控霜技術，壓縮機為定速渦旋式壓縮機，制冷劑為R22。對2個ASHP系統空氣側、制冷劑側、水側的運行參數以及能耗、室外換熱器結霜、臟堵情況等進行了連續4年（2012—2016年）的實時監測，現將運行問題整理如下。

2.2　結霜對機組運行性能的影響

　　為揭示結霜情況下ASHP機組的運行性能，選擇室外環境平均干球溫度為2 ℃、濕球溫度為1 ℃的結除霜工況對典型案例進行測試。得到在該工況下典型案例1機組的運行性能變化曲線。可以看出：結霜導致機組空氣側、制冷劑側的參數發生連鎖變化，致使空氣側壓差升高115％～120％；盤管溫度下降約14 ℃，低至－24 ℃；壓縮機吸氣溫度下降9～10 ℃，低至－19 ℃；排氣溫度升高30％～31％，達到高溫危險閾值120 ℃；吸氣壓力下降58％～62％，接近低壓報警閾值0.1 MPa；排氣壓力增加12％，壓縮比高達9.8，超過限值8.0。吸/排氣壓力的變化從另一方面說明，機組在結霜過程中，為保證吸氣過熱度，調節了節流裝置，引起制冷劑質量流量顯著降低，導致機組制熱性能衰減。以上現象直接導致機組制熱量和性能系數COP衰減35％～40％。由此可見，ASHP機組在結除霜工況下運行時，其運行特性參數已顯著偏離正常工況，并導致制熱量和COP顯著衰減，嚴重影響機組的正常運行和制熱性能。

2.3　誤除霜對機組運行性能的影響

　　為有效診斷ASHP的誤除霜事故，分區域結霜圖譜被提出并得到驗證。該圖譜基于室外環境溫濕圖，由“兩線、三區、五域”組成，即臨界結露線、臨界結霜線，非結霜區、結露區和結霜區，以及結霜區內細化的5個不同結霜程度區域——重霜區、一般結霜區（Ⅰ，Ⅱ）和輕霜區（Ⅰ，Ⅱ）。在北京地區2015—2016年供暖季ASHP的實際運行中，43％的運行工況處于結霜區，51％的運行工況處于非結霜區，僅6％的運行工況處于結露區。一般情況下，有霜不除事故常發生于重霜區，而無霜除霜事故常發生于輕霜區和非結霜區。

　　典型案例1中ASHP機組在2012—2013年供暖期內連續60 d的除霜統計結果。可以看出，機組共有31 d出現全天周期性的無霜除霜事故，平均除霜29次/d。測試期內，機組共除霜1 737次，其中1 211次為無霜除霜事故，占總除霜次數的70％，其中發生在非結霜區和輕霜區的無霜除霜事故分別占61％和9％。機組因無霜除霜事故造成的能耗損失為266 kW•h，占總能耗的4.3％；有效供熱量損失為1 950 MJ，占總供熱量的3.5％，折合成標準煤高達0.36 kg/m2。

　　典型案例1中ASHP機組在有霜不除事故下連續運行9 h的運行性能變化曲線。測試期內，室外環境工況處于重霜區（平均溫度為1.1 ℃，相對濕度為87％），機組連續發生有霜不除事故。結果顯示：有霜不除事故導致機組排氣溫度超過高溫危險閾值120 ℃，而吸氣溫度低至－20 ℃，且不斷波動，嚴重影響機組的安全穩定運行；同時引起制熱量下降49％～55％，COP衰減44％～50％（低至1.49），造成機組的供熱性能嚴重衰減，影響了ASHP機組的高效利用。

2.4　低溫對機組運行性能的影響

　　為揭示ASHP機組在實際低溫工況下的運行性能，選擇典型案例2中ASHP機組在2015—2016年供暖季內持續3 d低溫寒潮預警期內的運行情況進行分析。測試期內，室外環境溫度：工況1為－6.61～－5.09 ℃，工況2為－10.39～－8.75 ℃，工況3為－12.44～－15.2 ℃，其中工況3環境溫度低于低溫ASHP機組的名義工況－12℃，為最冷低溫工況。機組的供/回水溫度、吸氣溫度、吸/排氣壓力以及制熱量和COP均隨環境溫度的降低而整體降低，而排氣溫度和壓縮比顯著升高。最冷低溫工況下，機組的排氣溫度平均值為118.5 ℃，最高達124 ℃，壓縮比平均值為11.04，最高達11.77，機組已無法正常安全運行；制熱量平均值僅為9.89 kW，最低至8.82 kW，下降幅度達55％，COP平均值為1.71，最低僅1.46，供熱性能衰減嚴重。

2.5　臟堵對機組運行性能的影響

　　通過2015年供冷季2個典型案例中機組的室外換熱器日平均空氣側壓差及臟堵形成情況。可以得出：典型案例1中機組在供冷季逐漸形成臟堵，導致室外換熱器空氣側壓差增加29 Pa，升高118％，供冷季結束時機組的臟堵覆蓋面積達65％；而典型案例2中系統由于用戶供冷需求提前開啟，機組受“飛絮”影響，在供冷季前期迅速形成臟堵，導致室外換熱器空氣側壓差增加24 Pa，升高230％，供冷季中期時機組的臟堵覆蓋面積已高達95％，為保證機組的高效運行，需將室外換熱器臟堵被動式清除。

　　為揭示ASHP機組在臟堵問題下的運行性能，對典型案例2中機組供冷季中期的運行情況進行了監測。為對比分析非臟堵和臟堵的影響，同時監測了與該案例相同規格的非臟堵機組的運行情況。測試期內，選擇常溫（29～35 ℃）和高溫（35～37 ℃）2種典型工況進行分析，在常溫工況下對2臺機組同時進行了24 h測試，在高溫工況下對臟堵機組進行了2 h測試。臟堵機組和非臟堵機組的制冷量、壓縮機功率及COP均呈現波動性變化，這是由于機組制冷性能受室外環境溫度變化的影響，當環境溫度升高時，壓縮機功率增大，而制冷量和COP均下降；常溫工況下臟堵導致機組制冷量下降5％～18％，壓縮機功率升高13％～21％，而COP衰減18％～28％，最低降至1.8，嚴重影響了機組的制冷性能，造成能源浪費。

　　在高溫臟堵工況下，機組壓縮機排氣壓力過高，超過高壓報警閾值2.6 MPa，連續發生了5次停機事故，頻率高達2.5次/h，導致機組發生硬故障。在16：00—17：00期間，室外環境平均溫度為35.9 ℃，機組共發生2次停機事故；而在17：00—18：00期間，室外環境平均溫度為36.4 ℃，機組共發生3次停機事故。可見，高溫工況下臟堵使機組極易發生高壓報警停機事故，且環境溫度越高，事故發生頻率越高。臟堵導致的硬故障使機組失去制冷能力，嚴重影響了機組的正常供冷。

2.6　性能及能耗分析

　　ASHP性能一般隨著不同季節的室外環境溫度變化整體先下降后上升，但由于受結霜、誤除霜、低溫運行、臟堵等問題的影響，其供熱和供冷性能均處于較低水平，導致系統能耗顯著增加。給出了2015—2016年供暖季與供冷季典型案例1中機組的性能系數及系統能耗。可以看出：在供暖季，機組受結霜、誤除霜頻繁等問題的影響，日平均COP均值僅為2.32，并隨著供暖季室外環境溫度的降低而減小，在低溫工況下降至最低值1.83，系統的日平均單位面積能耗達0.58 kW•h/m2；在供冷季，機組主要受室外換熱器臟堵的影響，日平均COP均值僅為2.64，并隨著臟堵的逐漸形成而顯著下降，最低值為2.29，系統日平均單位面積能耗達0.49 kW•h/m2。

　　給出了2015—2016年供暖季與供冷季典型案例2中ASHP機組的性能系數及系統能耗。可以看出：在供暖季，機組同樣受結霜、誤除霜頻繁等問題的影響，日平均COP均值僅為2.63，并隨著供暖季室外環境溫度的降低而減小，在低溫工況下達到最低值1.71，系統的日平均單位面積能耗達0.55 kW•h/m2；在供冷季前期，機組受室外換熱器臟堵逐漸形成的影響，日平均COP逐漸下降，在高溫臟堵工況下降至最低值1.95，而在臟堵清除后，機組日平均COP顯著提高，整個供冷季機組的日平均COP均值提升至2.83，系統的日平均單位面積能耗為0.45 kW•h/m2。

3　空氣源熱泵關鍵運行問題的應對策略

　　針對ASHP實際運行中結霜頻繁、誤除霜事故頻發、低溫適用性差、臟堵下性能劣化嚴重等問題，結合結霜、誤除霜、低溫、臟堵等工況下機組的運行特性，提出以下應對策略：

　　1）有效抑霜和高效控霜技術開發和應用。基于分區域結霜圖譜，對機組設計方案進行優化，優化ASHP機組關鍵部件配比，縮小結霜區域，有效降低結霜頻率；開發直接測霜技術和準確的軟測量技術，解決誤除霜事故頻發問題，例如光電轉換（TEPS）和環境溫度、濕度、時間（THT）等控霜新技術等。

　　2）先進低溫運行技術與系統開發和應用。開發新型低溫高效壓縮機技術和耦合系統，突破ASHP在低溫環境中壓縮比過大、性能低下等技術瓶頸，可適當推廣準雙級壓縮機熱泵、雙級壓縮機熱泵、單雙級耦合熱泵系統，或利用低溫變頻、噴氣增焓技術等，有效改善ASHP的工作條件，保障ASHP低溫環境下穩定高效運行，拓寬其應用地域。

　　3）臟堵故障檢測與診斷技術開發和應用。探尋臟堵形成機理，準確掌握ASHP臟堵下性能劣化規律，判斷最佳除垢時機，開發臟堵故障檢測技術；基于臟堵形成過程易測特征參數的變化規律，開發實用型臟堵故障診斷技術，避免臟堵導致的軟故障和硬故障發生，保證ASHP供冷季穩定高效運行。

　　4）先進技術集成開發和應用示范。集成先進技術，優化ASHP系統控制，使其適應室外環境溫度、濕度等變化，動態調整運行策略，有效解決結霜、誤除霜、低溫及臟堵等關鍵問題，實現ASHP技術的全工況高效適用。