許紅波 邱炳蔚

摘要：北方地區(qū)尤其是寒冷地區(qū)的冬季一般都是比較寒冷的，室外環(huán)境在整個供暖季基本處在相對較低的溫度中。傳統(tǒng)供暖方式中，城市地區(qū)主要是以燃煤鍋爐為主的集中供暖，農(nóng)村地區(qū)則是以散煤燒爐的分散供暖。而在無城市熱網(wǎng)、天然氣供應(yīng)不足區(qū)域，空氣源熱泵供暖無疑是一種最優(yōu)選擇，和燃煤供暖相比，其供暖更加的方便、環(huán)保、高效。因此，空氣源熱泵在北方地區(qū)的供暖被廣泛應(yīng)用，而這其中，低溫空氣源熱泵較普通型空氣源熱泵在供暖能耗以及品質(zhì)方面更具有其優(yōu)越性。故本文主要針對北方寒冷地區(qū)供暖中低溫空氣源熱泵的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討，并提出了存在的問題。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū);低環(huán)境;低溫空氣源熱泵

為了達(dá)到在2020年實現(xiàn)全面小康社會目標(biāo)中對環(huán)境空氣質(zhì)量的要求，全國各地相繼出臺政策，鼓勵采用可再生能源、清潔能源供熱，并在投資和電價方面給予相應(yīng)的政策補貼和優(yōu)惠，使得低溫空氣源熱泵在北方地區(qū)的中小型公共建筑甚至是住宅建筑的供暖中均得到了廣泛應(yīng)用。本文筆者旨在通過對空氣源熱泵工況參數(shù)及投資運行能耗等方面進(jìn)行技術(shù)分析，以便在后續(xù)設(shè)計以及設(shè)備選型中給予設(shè)計師一定借鑒。

1 空氣源熱泵工況條件的比較

根據(jù)《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第1部分工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機組》中的規(guī)定，名義制熱工況下，普通型空氣源熱泵的使用側(cè)出口水溫為45℃，測試工況是在干球溫度為7℃、濕球溫度為6℃的條件下測得的。顯然，針對寒冷地區(qū)整個供暖季，室外環(huán)境溫度基本處于零度以下，甚至更低。所以在低環(huán)境溫度條件下，普通型空氣源熱泵在保持出口水溫仍為45℃的條件下，其制熱量及COP會存在顯著衰減，機組存在環(huán)境溫度運行范圍過小的缺陷。以單模塊（制熱量為68kW）普通型空氣源熱泵機組為例，在進(jìn)出水溫度均為45℃/40℃的條件下，室外環(huán)境溫度為7℃時，其制熱量為68kW，COP為3.56;而當(dāng)室外環(huán)境溫度降至-7.2℃（青島地區(qū)冬季空調(diào)室外計算溫度）時，其制熱量降為42.3kW，COP降為2.31。雖然COP仍滿足規(guī)范中冷熱水機組不小于2.0的規(guī)定，但可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度降至-7.2℃時，其制熱量衰減量達(dá)到37.8%，COP衰減量達(dá)到35.1%。當(dāng)遇極端天氣，環(huán)境溫度更低，衰減量更大，當(dāng)環(huán)境溫度低于當(dāng)?shù)仄胶恻c溫度時，機組提供的制熱量就滿足不了室內(nèi)的熱負(fù)荷需求，這時就需要設(shè)置輔助熱源。故普通型空氣源熱泵機組在寒冷地區(qū)供熱時是極不節(jié)能的，其應(yīng)用受到一定的限制，這就為低溫型空氣源熱泵機組的誕生和應(yīng)用提供了一定的市場空間。

反觀低溫空氣源熱泵機組，根據(jù)國標(biāo)《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機組》規(guī)定，名義制熱工況下，低溫型空氣源熱泵的使用側(cè)出口水溫為41℃，測試工況是在干球溫度為-12℃、濕球溫度為-14℃的條件下測得的。低溫工況下，低溫型空氣源熱泵的使用側(cè)出口水溫為41℃，測試工況是在干球溫度為-20℃的條件下測得的。很明顯，低溫空氣源熱泵機組較普通型機組增加了一個低溫工況，其機組環(huán)境溫度運行范圍更寬、更廣，在環(huán)境溫度為-20℃時，仍可達(dá)到出水溫度為41℃。以單模塊（制熱量為70kW）低溫型空氣源熱泵機組為例，同樣在進(jìn)出水溫度均為45℃/40℃的條件下，室外環(huán)境溫度為7℃時，其制熱量為70kW，COP為3.59;室外環(huán)境溫度降至-7.2℃時，其制熱量為57kW，COP為3.03;室外環(huán)境溫度降至-10℃時，其制熱量為53.5kW，COP為2.86。因而，當(dāng)環(huán)境溫度降至-7.2℃時，其制熱量衰減量達(dá)到18.5%，COP衰減量達(dá)到15.6%。當(dāng)環(huán)境溫度降至-10℃時，其制熱量衰減量達(dá)到23.5%，COP衰減量達(dá)到20.3%。由此可見，不管是在相同的環(huán)境溫度-7.2℃，還是更低的環(huán)境溫度-10℃，低溫空氣源熱泵機組的制熱量以及COP衰減量，都比普通的要大為減少，反之帶來的就是低溫空氣源熱泵機組在供暖節(jié)能上的大幅提高，因而也為其在寒冷地區(qū)的廣泛應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支撐。

2 空氣源熱泵投資及運行能耗分析

空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資主要表現(xiàn)在以下幾個方面：機組費用、循環(huán)水泵費用、設(shè)備安裝費、土建投資費、變配電設(shè)施投資。其中軟化水設(shè)備、定壓補水設(shè)備、水管路及其附件可不考慮在內(nèi)。為描述方便，現(xiàn)以5萬平住宅小區(qū)的低溫輻射供暖為例進(jìn)行闡述。在相同供熱量的條件下，通過對上述幾部分內(nèi)容進(jìn)行綜合折算，普通空氣源熱泵的初投資總費用約為387萬元，而低溫空氣源熱泵約為330萬元。由此可看出，雖然后者本身要比前者成本要高一些，但綜合折算各項費用，在末端供熱負(fù)荷一致的情況下，后者的初投資費用更為節(jié)省。

從供暖季運行角度分析，空氣源熱泵的運行費用主要包含機組耗電量，水泵耗電量以及設(shè)備必要的維修費用和管理費用。按峰段電價0.7559元/kWh進(jìn)行折算，普通空氣源熱泵機組和水泵的設(shè)備年運行費用約為115萬元，設(shè)備維修費用和管理費用約為10萬元，總運行費用為125萬元;而低溫空氣源熱泵機組和水泵的設(shè)備年運行費用約為99萬元，設(shè)備維修費用和管理費用約為9萬元，總運行費用為108萬元。故按實際使用面積（約為總建筑面積70%）折合計算，前者每平方使用面積的運行費用即熱量費為35.6元/m2，后者為31元/m2。由此可以看出，后者的運行費用更少，因而也更為節(jié)能。同時，利用市政熱力集中供暖的成本基本也都在31元/m2以上，而低溫空氣源熱泵的運行成本和市政集中供暖的成本基本持平甚至更低，因而采用低溫空氣源熱泵在北方寒冷地區(qū)進(jìn)行供暖是合理的，也是可行的。

3 低溫空氣源熱泵供暖的運行控制

低溫空氣源熱泵供暖，其末端最理想的是采用低溫?zé)崴椛涔┡?，高溫出水時，末端也可采用散熱器供暖。無論哪種末端形式，其末端均為變流量系統(tǒng)。而低溫空氣源熱泵為模塊化組合形式，各模塊均為定流量系統(tǒng)，因而可以通過監(jiān)測回水溫度，控制機組各模塊的啟停數(shù)量進(jìn)行流量控制，此方式需要機組供回水管均設(shè)置電動兩通閥，與機組進(jìn)行連鎖控制。為保證末端供熱流量，也可以保證熱源側(cè)完全定流量，此時機組供回水管無需設(shè)置電動兩通閥，但是這種方式供回水主管存在混水現(xiàn)象。當(dāng)熱源側(cè)采用變流量系統(tǒng)時，可以對循環(huán)水泵采用臺數(shù)調(diào)節(jié)或變頻調(diào)節(jié)，機組供回水管可單臺或分組設(shè)置電動兩通閥，而水泵根據(jù)機組運行臺數(shù)進(jìn)行水泵的臺數(shù)啟?；蜃冾l控制。因而，空氣源熱泵機組除了常規(guī)的啟停控制、運行狀態(tài)、故障報警、手自動選擇狀態(tài)反饋控制點位外，還應(yīng)具有電動二通閥與機組的連鎖控制，機組與循環(huán)水泵的連鎖控制，回水主管溫度監(jiān)測。

4 結(jié)語及問題

4.1 低溫空氣源熱泵在寒冷地區(qū)制熱量和COP的衰減量都相對較小。

4.2 低溫空氣源熱泵無論是初投資還是運行費用都較普通空氣源熱泵更為節(jié)省，因而在無市政熱源的情況下，是一種理想的清潔能源供暖熱源。

4.3 低溫空氣源熱泵與末端流量匹配控制還需進(jìn)一步研究優(yōu)化，也是設(shè)計師在具體工程設(shè)計中需要考慮的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張群力，李印龍，劉寶山，狄洪發(fā).低溫空氣源熱泵供熱方式在北方供暖地區(qū)的適宜性研究[J].建筑科學(xué)，2015，31（02）：140-145.

[2]張行星，趙旭東，譚軍毅，馬世歌.歐洲低溫空氣源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].暖通空調(diào)，2015，45（07）：48-52.

[3]吳玥，劉馨，梁傳志，黃凱良，李畫.低溫空氣源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[J].建設(shè)科技，2019（10）：20-27.