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热泵在明尼苏达州有用吗?

是的!加里·尼尔森在没有辅助加热的情况下做到了

热泵在明尼苏达州有用吗?(图中所示的房子不是尼尔森的。)

是的,热泵在明尼苏达州工作…还有阿拉斯加、佛蒙特和安大略。今天我将告诉你一个特殊的房子,在明尼苏达州的明尼阿波利斯市,它在过去的四个冬天都是用热泵供暖的。这是加里·尼尔森的家,他是能源学院该公司生产用于测试住宅和管道系统漏风的明尼阿波利斯鼓风机门和风管爆破器。

首先,修复建筑围护结构

正如你所期望的,作为一个花了几十年时间来量化渗透率的人,尼尔森的房子是相当密封的。他在同一栋房子里住了很长时间,而且不止一次地翻修过它——最近一次翻修是在2017年。他们于2017年11月搬回房子,从那以后一直使用热泵。

以下是附件的当前状态:

  • 渗透速率:50帕斯卡(ACH50)时每小时换一次气,50帕斯卡(cfm50)时每分钟换500立方英尺
  • 墙:R-30到R-40
  • 天花板:R-50
  • 地板:R-0在旧板部分,R-20下加泡沫板
  • 窗户:三窗格,氩气填充,三种低辐射涂层

对围护结构进行了大量的改进,使得供热负荷非常低。他没有做正式仪式负荷计算但他确实知道在装修前他使用了多少热量。他的供暖系统包括一个北极星热水器(燃烧化石天然气)和一个空气处理器来分配热量。他发现,当室外温度为-10华氏度时,系统几乎不间断地运行99%的设计温度,他从热水器里获得的热量是17000英热单位/小时。然后,他计算出,他的外壳改进所带来的负荷减少,将会抵消翻新部分增加的负荷,所以他认为他需要一台容量为18000 BTU/hr的热泵。

加里·纳尔逊站在他的18k富士通导管迷你分离式热泵旁
加里·纳尔逊(Gary Nelson)站在他那台18 kBTU/hr的富士通(Fujitsu)导管迷你分体式热泵旁边,用管子和电线进行大量监控

所以他装了一个富士通管道微型热泵,容量为每小时18000英热单位。因为他了解热传递和明尼阿波利斯的天气,他把这个热泵辅助热。真的!

加热性能

冬天2017 - 18这是翻修后的第一个冬天,明尼阿波利斯的气温是零下15华氏度。这个系统运行得很好。尽管室外温度比设计温度低5华氏度,18k热泵使房子保持在72华氏度的设定值。

冬天2018 - 19例如室外温度降到了零下27华氏度。屋里的温度降到了62华氏度,但他们当时在澳大利亚。尼尔森告诉我,如果他们当时在家里,他们可能会通过自己的体温和烘烤一些饼干来让房子接近设定值。

当然,尼尔森会测量和记录一切,所以他也知道热泵输送了多少热量和它的效率有多高。在零下27°F的寒流中,他计算出热泵容量为8597 BTU/hr(2.52千瓦),功耗为1834瓦(W),性能系数为2.52 ÷ 1.834 = 1.37。相比较而言,电阻热的性能系数为1

当温度上升到-17°F时,热泵输出上升到13000 BTU/hr,耗电量为1959 W。由此得到的性能系数接近2,或者是电阻所能提供的两倍。(想想一些暖通空调技术人员让人们这么做转换到应急热当室外温度降至30华氏度时!)

冬天2019 - 20如他没有什么了不起的事可报告。他们没有冷到需要任何辅助供暖的天气。

冬天2020 - 21这是又一个考验他决定不使用辅助暖气的冬天。以下是他写给我的信:

今年2月,我们连续几天气温不超过0华氏度,晚上气温在零下17华氏度左右。太阳很少,我认为在这么冷的天气里这是不寻常的。我认为它至少跑了三四天,并没有完全达到设定的标准。第三天早上,我把电烤箱开着门开了一个小时左右,然后把温度调到350华氏度,一天大部分时间都关着门。我猜我们可能用了20到40千瓦时的电阻热。

冷却性能

尼尔森的热泵大小正好适合供暖。在像明尼阿波里斯这样的地方,这意味着它的温度过高。明尼阿波利斯也很潮湿,其结果就是房子很容易保持在设定的温度,但却没有足够的除湿。在忍受了两个夏天闷热的室内空气后,他在2020年夏天安装了一台超级空气除湿机。因此,在降温季节,他“享受了更好的湿度控制”。

是的,在明尼苏达州,热泵可以承担负荷

Gary Nelson是个聪明人,知道如何计算热传递。他了解自己房子的供暖需求。他能够阅读和应用热泵的性能规范。在过去的四个冬天里,他已经在家里证明了热泵在寒冷的气候下工作得很好。他把热泵的大小调整到接近供暖负荷,甚至在没有任何备份热量的情况下安装系统。是的,他需要一些补充的热量,为不寻常的几天寒冷,多云的天气,但40千瓦时的补充电阻热,他可能增加了大约5美元的电费账单。

如果你做足了功课,没有理由害怕在寒冷的气候下安装热泵。你不需要像尼尔森一样保守的尺寸,你可以得到辅助热源安装,以覆盖那些罕见的天气事件,使热泵很难提供所有你需要的热量。

使用热泵是个好主意,尤其是当你要更换燃气供暖系统时。不像化石气体,电力变得更加清洁所有的时间。

_________________________________________________________________________

Allison贝尔斯他是一位演说家、作家、建筑科学顾问和能源先锋(Energy Vanguard)的创始人beplay体育官方下载。同时,他也是能源先锋的博客,是写一本书。你可以在Twitter上关注他@EnergyVanguard

31日评论

  1. 威廉Hullsiek||# 1

    很好的文章,期待着新书的出版,这样我就可以把它放在Sigenthaler的书和j手册旁边,想知道DHW是怎么用的。新的空气到水热泵可以冷却,加热和产生DHW。加热水只需要83到103f,所以120F的DHW需要更多的BTU。

    1. GBA编辑器
      Allison A. Bailes III博士||# 3

      比尔,加里有一个通用地热热泵热水器,你可以在上面的照片中看到他的后面。通用电气已经停止了生产。

      谢谢你的夸奖!

  2. 乔恩·R||# 2

    是的,热泵在明尼苏达州工作
    一些做的,许多天气冷了就关掉电源。随着后备电阻热的广泛采用,其对电网的负面影响将使夏季高峰负荷显得微不足道。

    他也知道热泵抽了多少热量

    他怎么知道的?准确测量热量输出并不容易。

    > -17°F,……最终的性能系数接近2

    有各种型号,但在我看来富士通在+5F (NEEP)时的COP是2.0。所以在-17F的温度下COP = 2听起来过于乐观了。

    1. GBA编辑器
      Allison A. Bailes III博士||# 4

      乔恩,加里把他的热泵连接了很多电线和管子来监测温度,压力和相对湿度。他还在系统里永久安装了一个能源温室TrueFlow。当你知道了气流速率、温度变化和湿度变化,计算产生的热量就很简单了。

    2. 专家成员
      Dana多赛特||# 7

      >“…COP = 2在零下17华氏度听起来太乐观了。”

      同意,但“…近2…,而不是“……警察= 3……”。

      “…接近…”这部分是主观的——COP的1.5在一些人看来是合格的,1.8(仍然是空气源热泵中最好的可信数字)在另一些人看来是合格的。

      1. GBA编辑器
        Allison A. Bailes III博士||# 8

        Jon和Dana,我应该一开始就输入实际的数字,我想,但我确实包括了你们可以用来计算-17华氏度下的COP的数字。

        输出= 13000 BTU/hr x (1 kW / 3412 BTU/hr) = 3.81 kW
        输入= 1,959 W = 1.959 kW
        COP = 3.81 / 1.959 = 1.94

        接近2的意思是非常接近2。

        现在,这是否正确是另一个问题。加里确实告诉我,“这看起来很令人印象深刻。我相信制造商的数据只会降至-5,而我的数据与他们的数据在-5或更高时相当一致"

        1. 乔恩·R||# 9

          如果能看到更多收集到的COP数据就好了。包括准确的型号,这样我们就能找到制造商的数据。

          制造商列出的几个COP点能否精确地线性推断出低温度?这里的数据表明,从5F下降到-17F和从-17F下降到-27F的COP退化斜率是可疑的不同。

  3. 道格基金会||# 5

    新时代的热泵可能正是我们需要强调的非常高效的建筑围护结构。这对那些没有使用天然气的家庭来说确实具有经济意义,因为在MN有很多这样的家庭。MN、ND和SD的风能使用量如此之大,在可预见的未来,电力价格可能会保持稳定。

  4. Stephen Sheehy||# 6

    我99%的设计温度是相对温和的0°F。在过去的六个冬天里,我们的富士通热泵在寒冷的天气里从未出过问题。我很惊讶这个警察在很低的温度下居然能做到这么高,但听起来他在数据收集方面很有条理。即使偶尔需要一些补充热量,也没什么大不了的。
    很明显,关键是坚固、高效的外壳,因为它能让你在偶尔的寒流中穿行,而内部温度不会下降太多。

  5. 史蒂夫Grinwis||# 10

    如果他在运行烤箱为房子供暖,因为他的供暖系统连续运行了4天没有达到设定值,我觉得他真的应该安装辅助供暖。

    1. 杰森。||# 12

      备用电烤箱唯一的缺点就是使用手册。如果他们不在家,只要东西不会冻结,谁会在意它不能达到设定值呢?热泵必须完全失灵才会发生这种情况,如果煤气炉在主人不在的时候失灵,MN的每一个家庭都面临着同样的风险。

    2. 乔恩·R||# 13

      他应该安装辅助暖气

      或者可能是一个更大的四位一体热泵,这样冬季负荷可以完全满足,夏季可能不需要除湿机。

      总是做一个正确的手册J/S。

  6. 基斯Gustafson||# 11

    在经历了两个夏天的闷热的室内空气后,他在2020年夏天安装了一台超空气除湿机<<

    我知道我把事情过于简单化了,但除湿机基本上就是一台带小风扇的空调。在这种情况下AC过大并不是一种不寻常的情况。我认为调低交流电的设定值,然后手动将风扇转速设置得很低(取消其达到设定值的能力)应该可以。

    我在问题中说过很多次,人们希望迷你鞋能“工作”,但它们只是人造物品,他们不了解周围的环境。使用他们的AC我往往离开设定值和管理舒适的风扇速度。当然,如果自动设置是完美的,那就太好了,但直到它们的音量比达到50:1,并且与国家气象局(National Weather Service)的wifi功能集成之前,我们可能不得不偶尔按一下遥控器上的按钮。

    如果我把我的22k三菱(Mitsubishi)留给它自己的设备,我有时会在闷热的客厅醒来,在那里它最终放弃了,在半夜关掉了压缩机。如果我把风扇调低,我就得记得在早上把它调大,否则到下午左右它就跟不上了。

    1. 乔恩·R||# 14

      同意,流行和错误的观点是,过大的空调提供了较低的湿度控制(与正确和较小的热泵相比)。但它几乎完全是关于CFM/吨。得到正确的,甚至两倍超大尺寸的逆变热泵工作良好。

      1. 马克西米利安T||# 16

        Jon R -我只是想补充一下,我经常看到你关于空调设备和除湿的评论,我很欣赏你对这个问题的看法。你所链接的实地调查(佛罗里达的一些机构?)很有帮助,但超出了我的能力范围,你在简化方面做得很好。

        我现在住在4c,在那里我不用考虑除湿,但当我妻子把我搬回南方时,我可能会打电话给你征求建议!

        1. 专家成员
          马尔科姆·泰勒||# 17

          马克斯,

          我同意。我从Jon那里学到了很多关于湿度和压力差的有用的东西。

    2. 特雷弗朗伯||# 15

      除湿机的不同之处在于它不会给空间降温。这不仅仅是风扇速度的问题。如果负荷是100%潜在的,那么单靠空调可能无法控制湿度。我的热泵能满足最高的供热和制冷负荷。很多时候我还是不能把湿度保持在60%以下,不管我用什么热泵设置。

  7. 尼尔·塔尔||# 18

    很高兴看到来自像明尼苏达这样的寒冷地区的性能结果,但类似的系统如何在一个气候区更冷的温尼伯,MB。有什么见解吗?

    1. 特雷弗朗伯||# 19

      温尼伯的设计温度在-33℃左右。这低于任何住宅热泵的运行范围。然而,请记住,平均每年只有1%的时间会达到或低于这个温度。一个好的冷气候热泵仍然可以处理大部分的供热负荷。当它不能跟上时,补充热量是个好主意。

      1. Mark_Rob||# 31

        嗨,特雷弗
        我目前正在不列颠哥伦比亚省北部建造两座小房子,使用的是温尼伯的北极热泵。他们说在零下20摄氏度时他们的COP值是1。7。此外,作为零下25度的备用系统,我使用了一个带有电锅炉的储水箱,同样由北极电力供应。循环热水为房屋供暖,对生活热水进行预热,对进入厨房的排风进行供暖,全部来自储水箱。

    2. 兰迪·威廉姆斯||# 22

      NeilT,
      我在明尼苏达州北部,零下30摄氏度/零下22华氏度的设计温度。在过去的两个冬天,我们的房子一直在使用三菱的中央管道系统(PVA多位置空气处理热泵之一,24,000 BTU)和集成的电压气箱加热器。在刚刚过去的这个冬天的极地涡旋中,温度没有超过零下18摄氏度/0华氏度近10天,房主说,温度从来没有下降超过2度在家里的设定值。他们说在空气源热泵切断温度和电压气箱加热器之间有一个轻微的滞后,但没有重大的舒适问题。

      我们在空气源热泵上遇到的一个问题是室外机组下面有大量的冷凝。三菱公司表示,这是不正常的,但这是在它运行的两个冬天都发生的事情,这是一个我们不想要的情况,我们必须解决。

      1. 道格基金会||# 23

        兰迪,

        你所参照的房子是高度绝缘和密封的。明尼阿波利斯的加里·纳尔逊(Gary Nelson)的房子(来自retrofit)也是如此。为了使低温热泵在MN取得良好的效果,建筑围护结构必须是高性能的。

  8. PBP1||# 20

    谢谢,伟大的信息和提醒“电力正在变得更清洁”。有机会知道平方英尺和立方英尺,是否它是一个单层或多层的房子(得到一个概念的外部表面积平方英尺/立方英尺,足迹等)和附属的车库或不?(我懒得回立方英尺从“500立方英尺每分钟50帕斯卡”但也许我会给它一个去,类似1课时500立方英尺/分钟= 60分钟/人力资源x 500立方英尺/分钟= 30000立方英尺空气变化为1一个小时,因此30000立方英尺室内体积,假设10英尺的天花板收益率3000平方英尺的房子?)18000 BTU / h在明尼苏达州3000平方英尺吗?

    1. 乔恩·R||# 21

      500立方英尺每分钟,50帕斯卡

      据我所知,一个刮风的日子(比如20英里/小时)可以产生50帕斯卡的能量,覆盖大约一半的房子。假设温度为250 CFM,外面温度为0华氏度。光是渗透负荷就是每小时19440 btu。然后打开厨房的排气扇并将其翻倍……

      在得出任何结论之前,我希望能看到更多尼尔森家的数据。

      1. PBP1||# 28

        嗯,那就在风平浪静的日子做个鼓风机门测试吧;-)或者,在多种风况下做多个鼓风机门测试,看看风对滑块之类的东西的影响,也许是为空气动力学被动房做个论证,在一个主轴上总是指向风。

  9. DaveH4||# 24

    有趣的是,这个案例和评论中讨论的案例都使用了ducted系统。我希望ducless会是这里的首选系统(并且性能更好)。任何想法吗?我正在考虑哈德逊谷(东海岸4/5区)的情况,并假定无导管是实现零下温度性能的唯一方法。

    1. 专家成员
      马尔科姆·泰勒||# 25

      戴夫,

      (我对这个不太了解。)你能解释一下为什么没有管道会影响寒冷天气的性能吗?

    2. 乔恩·R||# 29

      我所看到的一切都表明,有导管的微型劈叉和无导管的微型劈叉在性能上是相似的。再多一点能量来移动空气。

  10. DaveH4||# 26

    我绝对不是这方面的专家,所以我把它写成了一个问题。但除了固有的损失,你会发现,即使在最好的管道系统,小分割的HSPF和SEER评级远高于中央(管道)热泵。HSPF 10的中央热泵很难找到,这需要有冷气候热泵认证。与我交谈过的暖通空调承包商也都这么说(不过不要总是相信他们的话)。不管怎样,我很乐意听到有人研究过这方面的信息。

    1. 专家成员
      马尔科姆·泰勒||# 27

      这是个有趣的问题。幸运的是,对我来说,这只是一个学术问题,因为我们这里的气候非常温和。

    2. 查理•沙利文||# 30

      如果你进入NEEP数据库:

      https://ashp.neep.org/ !/ product_list /

      你可以找到大量的——确切地说数以千计的——带有HSPF > 10和> 12的中央管模型。

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