王屹航，耿 杰，馬栓寶，宓 林，張 肖，任 瑩，楊海勇，李 一

（清華大學 基建規(guī)劃處，北京 100084）

近年來，能源消耗日益加劇，碳中和、碳達峰已成為世界各國聚焦關(guān)注的重點問題。2020 年，我國提出2030 年實現(xiàn)碳達峰，2060 年實現(xiàn)碳中和節(jié)能減排目標[1]。目前，我國建筑能耗大概占整個社會總耗能的30%[2]。相關(guān)探索指出，民用建筑的最大熱水耗能約占建筑總耗能的兩成[3]，商業(yè)建筑的最大熱水耗能更是可達到建筑總耗能的四成[4]。隨著未來經(jīng)濟的增長和人民美好生活需要的持續(xù)增加，生活中的熱水使用將不可避免地增加，因此減少能源資源的浪費，尋求科學的熱水供應(yīng)方式將是降耗節(jié)能、實現(xiàn)碳中和的重要支撐[5]。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有環(huán)保性顯著、初始投資低、安全可靠等優(yōu)點，是能效比最高的熱水設(shè)備之一。其利用較少的電能消耗作為驅(qū)動力，將空氣中無窮無盡的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可供給高溫熱源的高品位熱能，并通過換熱器給進水加熱，達到供給熱水的目的?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)利用了空氣中無限大的低品位熱能，能源利用率更高，通常每消耗1 kW 的電能就可以從空氣中吸收2～6 kW 的低品位熱能，顯著地降低了熱水制備的總能耗，并且相比較傳統(tǒng)燃氣鍋爐等方式，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體過程無空氣污染、碳排放量低、安全、環(huán)保，因此具有較為廣闊的應(yīng)用前景，將會為我國實現(xiàn)碳中和、碳達峰的節(jié)能減排目標提供有力的支持[6-9]。

本文對空氣源熱泵特點、原理進行了詳細介紹，并基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計選型，將空氣源熱泵與傳統(tǒng)生活熱水系統(tǒng)進行了對比與經(jīng)濟性分析，分析結(jié)果表明，除極端天氣情況外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是項目工況的最優(yōu)選擇，可以做到節(jié)能、降耗與安全、可靠并重，因此此次設(shè)備選型對于未來北方地區(qū)生活熱水系統(tǒng)改造，集中供給熱水、暖氣提供了可靠的案例經(jīng)驗與思路。同時本文結(jié)合項目經(jīng)驗，成功在安裝過程中解決了空氣源熱泵系統(tǒng)的噪音震動問題，為后續(xù)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的成熟發(fā)展與推廣奠定基礎(chǔ)。

1 項目概況

3 號樓和4 號樓的學生宿舍（如圖1 所示）在清華大學的中心，屬于解放后建設(shè)的第一批教師宿舍，后改為學生宿舍，同期建成的教師宿舍共4 棟為1-4 號樓，由著名建筑學家梁思成設(shè)計。從上空俯視1-4 號樓呈兩個回字形，建筑樣式古樸、極具中式建筑風格。此次加固修繕項目僅包括其中的3、4 號樓學生宿舍，主要為提升老樓配套基礎(chǔ)設(shè)施，保障學生學習生活的環(huán)境質(zhì)量。

圖1 清華大學3 號和4 號學生宿舍樓

3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目設(shè)計采用集中生活熱水系統(tǒng)，由于學生宿舍有防火要求，項目無法使用燃氣、燃煤鍋爐，同時由于周邊無配套集中供熱管線，宿舍樓無法與集中供熱水管路相連，并且樓宇周邊無配套大功率供電基礎(chǔ)，該項目無法使用電鍋爐與即熱式電熱水器。在保證工程順利進展、宿舍房間充分保留的前提下，通過調(diào)研與設(shè)備選型，最終采用空氣源熱泵熱水機組為宿舍熱水系統(tǒng)提供熱水熱源，如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵

2 空氣源熱泵特點與原理

2.1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作原理

空氣源熱泵使用條件靈活，安裝方便，投資較低，具有長遠的應(yīng)用前景，了解空氣源熱泵的工作原理與系統(tǒng)組成將會對不同工況下推廣使用空氣源熱泵有重要意義。

空氣源熱泵與普通空調(diào)器類似，都遵循逆卡諾循環(huán)，通過能量供給將低品位熱能提升為高品位熱能供給給高溫熱源，同樣也包括一般使用的“四大件”：（1）壓縮機；（2）膨脹閥；（3）冷凝器；（4）蒸發(fā)器。然而，熱泵與空調(diào)之間的區(qū)別是，供熱系數(shù)始終大于1。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體工作過程如圖3 所示，其中空氣源熱泵端工作流程具體如下。

圖3 空氣動力原理熱能泵熱水系統(tǒng)泵

第一，低溫和液體壓力的降低會使蒸發(fā)的空氣中的熱能持續(xù)低強度地吸收，從液體變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w。

第二，低溫低壓的氣體工作介質(zhì)在壓縮機的作用下變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，具有可供給高溫熱源的高品位熱能（僅此過程需要消耗電能做功）。

第三，高溫高壓氣體工作介質(zhì)通過冷凝器散熱，成為低溫和高壓液體工作介質(zhì)，同時加熱冷凝器殼體內(nèi)冷水，提高水溫。

第四，高壓低溫的液體工質(zhì)會經(jīng)過膨脹閥，進行降壓處理，重新成為低溫低壓的液體工質(zhì)，并再次經(jīng)過蒸發(fā)器重復上述工作流程，周而復始，不斷循環(huán)。

在空氣源熱泵的整體作業(yè)過程中，工作介質(zhì)通過壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器及膨脹閥連續(xù)流動、循環(huán)，通過蒸發(fā)器從空氣中獲取低品位熱能，通過冷凝器對外部進水進行加熱釋放熱量，整體工作流程不斷循環(huán)，直至低溫進水被加熱到設(shè)定溫度[2，10-12]?？梢姡诳諝庠礋岜谜w循環(huán)過程中僅有壓縮機工作時需要消耗電能提升工質(zhì)溫度與壓力，其余能量都來源于無限大的空氣能源。研究表明，理想情況下空氣源熱泵消耗1 倍電能可以從空氣中得到3 倍的能量，其節(jié)能效果超群[11，13-14]。

2.2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的分類

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中水的加熱方式有兩種，分別是即熱式與貯水式。即熱式加熱是利用冷凝器的殼體直接作為貯水容器，使用過程中，低溫進水將會直接在冷凝器殼體中被加熱，當水溫上升到規(guī)定溫度時，熱水從水的出口流出，冷水從水的入口自動補充。即熱式加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要適用于家用的小型熱水器。貯水式加熱方式是在冷凝器殼體外單獨設(shè)置一個貯水箱，低溫冷水通過水泵不斷從貯水箱流入冷凝器下部進水口，經(jīng)冷凝器加熱后由上部流出回到貯水箱，貯水式加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要適用于工業(yè)或大型建筑的集中熱水供應(yīng)[6，10]。

空氣源熱泵熱水供給系統(tǒng)集中熱水供給的加熱模式可以分為直接加熱模式和循環(huán)模式兩種類型。其中，直接加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為了直接加熱，向空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的熱泵端泵入冷水，水溫達到設(shè)定的溫度后，向供水儲存和隔熱箱泵入熱水；循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是將進水直接輸送到保溫水箱，然后讓冷水在水箱與熱泵機組間不斷泵送不斷加熱，直到達到設(shè)定溫度后停止往復過程。循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可分為連續(xù)循環(huán)式加熱系統(tǒng)與間接循環(huán)式加熱系統(tǒng)，其最大區(qū)別在于系統(tǒng)水箱設(shè)置的數(shù)量，間接式循環(huán)加熱系統(tǒng)需要設(shè)置2 個保溫水箱，需要先讓冷水在小水箱與熱水系統(tǒng)空氣源熱泵主機端之間進行循環(huán)加熱，當熱水達到既定溫度后再由水泵泵送至大的保溫水箱儲存。

直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的加熱能力更強，具有一定的即時加熱功能，主要應(yīng)用于建筑規(guī)模較小、用水量需求較大的工程；循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)更加穩(wěn)定，加熱時間更短，但不具備即時加熱能力，使用時需要提前啟動設(shè)備加熱保溫水箱內(nèi)的水。

2.3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的特點

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比在環(huán)保性、節(jié)能性、安全性、可靠性等方面都具有很大的優(yōu)勢。

（1）節(jié)能方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能效比恒大于1，一般工況下能效比也可達到3～4，相比電加熱鍋爐與燃料鍋爐等傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)能效比更高，能耗更低。

（2）環(huán)保方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)無直接排放，無環(huán)境污染，相比傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)綜合碳排放量更低，環(huán)保性更強。

（3）安全方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)通過制冷工質(zhì)與冷水進行熱交換，水、電分離，不存在漏電等安全隱患，與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)和即熱式電熱水器相比，安全性更高。

（4）可靠性方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)無需傳統(tǒng)燃料，不受燃料供應(yīng)限制，除極端天氣外，受天氣影響較小，可實現(xiàn)全年無休，全天24 h 的持續(xù)性安全運行。

除上述優(yōu)勢外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)還具備安裝簡便、配套基礎(chǔ)設(shè)施要求低、初期投資費用低等優(yōu)點。不過，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)也有其無法回避的缺點，一是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)受室外空氣影響較大，研究表明當室外溫度處于-6～5℃之間時，空氣源熱泵系統(tǒng)室外換熱器易出現(xiàn)結(jié)霜問題，導致整體系統(tǒng)的運行效率降低，結(jié)霜嚴重時甚至可能會影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[15-16]；二是目前市場對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的認知與認可程度不足，一定程度上限制了空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的發(fā)展與推廣。

2.4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)引起了很多專家學者的關(guān)注，其經(jīng)濟性分析工作也已經(jīng)有很多工作成果。

孫干[5]結(jié)合北京市相關(guān)環(huán)保政策，對目前各種供熱方式的二氧化碳排放量、系統(tǒng)熱效率、初始投資與綜合運行成本進行了對比分析，見表1。就供暖系統(tǒng)而言，熱泵系統(tǒng)綜合運行成本與初始投資相對較高，但二氧化碳排放量較低，環(huán)保效果顯著；天然氣系統(tǒng)成本相對較低，但環(huán)保性較差；中深層地熱能效比顯著，補貼后運行成本較低，具有很長遠的應(yīng)用前景，但是周邊配套設(shè)施需要完善，不利于應(yīng)用在簡單改造項目中。

表1 不同供熱方式的碳排放、熱效率及經(jīng)濟性對比分析[5]

車國平[17]基于大連地區(qū)使用的空氣源熱泵系統(tǒng)的全年運行數(shù)據(jù)，對北方寒冷地區(qū)工況下空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用的情況進行了綜合性能分析。分析結(jié)果顯示，北方寒冷地區(qū)針對不同工況下合理進行空氣源熱泵制熱系統(tǒng)設(shè)備選型，它能夠滿足用戶的需求，并具有明顯的環(huán)境保護性能。

封海輝等[18]人通過計算高校公共浴室空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的能效比，對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)集中熱水供應(yīng)的實際工況進行了參數(shù)分析，比較了傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)的標準煤耗與綜合運行成本。相關(guān)探索指出，在成都地區(qū)的普通工況下使用空氣源熱泵熱水機組，只需要花費較低的運行費用就可以得到較高的能源效率，經(jīng)濟、節(jié)能效果顯著。

本文基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固改造項目生活熱水系統(tǒng)設(shè)備選型工作，對于不同生活熱水系統(tǒng)進行了調(diào)研分析與計算對比（見表2），可見空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在熱水費用成本單項中具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢，在環(huán)保與安全因素中也顯著領(lǐng)先。因此，綜合對比因素，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在宿舍等集中供應(yīng)熱水工況下具有強勢的領(lǐng)先地位，可以做到節(jié)能降耗與安全可靠并重。

表2 不同生活熱水系統(tǒng)的綜合對比

3 項目工況下空氣源熱泵熱水系統(tǒng)選型與要求

清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目是學生宿舍翻新、改造項目，以滿足學生住宿生活需求為主要目的，因此為保證學生順利入住，該項目時間緊、任務(wù)重，并且由于周邊配套基礎(chǔ)設(shè)施不完善，無法加裝電鍋爐等大型用電設(shè)備，給項目推進與生活熱水系統(tǒng)選型帶來了極大的困難。

如上文提到，項目施工條件所限無法應(yīng)用電鍋爐、燃氣鍋爐、集中熱水供應(yīng)等傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)，因此太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)成為新的設(shè)備選型參考。本文針對太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進行了文獻調(diào)研，其對比分析匯總見表3。太陽能熱水系統(tǒng)具有環(huán)保、能耗低、技術(shù)成熟、認可度高等優(yōu)點，是較為成熟的熱水供應(yīng)技術(shù)之一，但其缺點也很明顯，會受到天氣與自然環(huán)境的影響很難保證熱水供應(yīng)的穩(wěn)定性，安全與可靠性需要靠后期維護保證并且維保成本較高，同時安裝受場地限制，需要大面積的安裝位置。由于項目施工條件所限，建筑物樓頂為坡屋面無法安裝太陽能熱水系統(tǒng)，因此只能考慮放棄太陽能熱水系統(tǒng)，采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)（具體參數(shù)見表4）。

表3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)的對比分析[19]

表4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)詳細參數(shù)

在確定熱水供應(yīng)系統(tǒng)種類后，對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進行選型，由于北京地區(qū)存在極寒天氣的可能性，為保證生活熱水全年的正常供應(yīng)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)選擇適用環(huán)境為-30～43℃的型號。同時根據(jù)相關(guān)衛(wèi)生標準要求生活熱水儲備水水溫選取55℃，生活熱水儲備水水質(zhì)選用城市自來水，并進行硅磷晶處理。由于建筑物使用水質(zhì)較硬，因此增加板換將熱泵機組與儲水箱隔開，通過間接換熱加熱冷水，避免機組結(jié)垢。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用于熱水集中供應(yīng)的案例并不多見，溫金保、段夢慶、虞良偉等[20-21，11]人分別對于高校學生宿舍與賓館的用水量計算與熱水系統(tǒng)自動控制進行了諸多工作。在參考前人工作后，清華大學3、4號樓生活熱水系統(tǒng)將采用兩種可選模式分別為每日連續(xù)24 h 供應(yīng)和每日定時供應(yīng)；洗浴水量將按照45℃洗浴熱水每人120 L/次、宿舍85 間、每間2 人、每天的同時使用系數(shù)0.8 計算，同時熱水儲備量按滿足1 d 使用量設(shè)計，并且儲水水箱按0.90 有效容積考慮，盡可能地保證全天24 h 的熱水供應(yīng)與足夠的應(yīng)急儲備；此外，由于近年來北京地區(qū)寒冬極端天氣頻發(fā)，因此室外管道將采用30 mm 厚B1 級橡塑保溫外包裹0.5 mm 厚鋁板殼，同時屋面一次加熱水管將鋪設(shè)電伴熱做防凍處理，避免極端天氣破壞空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的安全運行，最大程度保證一年四季穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。

除常規(guī)參數(shù)計算外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行中的噪聲問題也在安裝過程中得到解決。由于安裝位置為宿舍樓頂，因此噪聲除空氣傳播外還會通過樓板震動傳播，為了解決機組的振動噪音，項目采用雙層阻尼減震模式，隔振率達到了98.27%，有效降低了熱泵機組的噪聲傳播與震動傳遞，為后續(xù)空氣源熱泵的發(fā)展積累了寶貴的施工經(jīng)驗。

4 總結(jié)與展望

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有能效比高、環(huán)保節(jié)能顯著、安全可靠穩(wěn)定等優(yōu)勢，在熱水集中供應(yīng)項目中具有長遠的發(fā)展前景，同時由于安裝方便、施工簡單，在老樓修繕改造的項目中尤為適用，可以做到節(jié)能降耗與安全穩(wěn)定并重，同時還能保證足夠的經(jīng)濟性。本文基于清華大學3、4 號樓學生宿舍加固修繕項目生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計選型，對空氣源熱泵特點、原理進行了詳細介紹，并將空氣源熱泵與傳統(tǒng)生活熱水系統(tǒng)進行了對比與經(jīng)濟性分析。結(jié)果表明，由于施工條件所限，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是項目工況的最優(yōu)選擇，同時對比分析結(jié)果也可以明確得出空氣源熱泵熱水系統(tǒng)熱水加熱成本低與顯著環(huán)保性等強勢優(yōu)勢。因此，本次設(shè)備選型對于未來北方地區(qū)生活熱水系統(tǒng)改造、集中熱水供給、集中供暖提供了可靠的案例經(jīng)驗與思路，同時在設(shè)備安裝過程中成功解決了空氣源熱泵系統(tǒng)噪音震動問題，為后續(xù)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的成熟發(fā)展與推廣奠定基礎(chǔ)。