郭 璇，支娜娜

（山東省環(huán)能設(shè)計院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

空氣源熱泵作為可再生能源的一種，以其綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實惠、運維便利等優(yōu)點，迅速成為北方地區(qū)清潔供暖的主要技術(shù)路徑之一，且有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著自上而下的建筑節(jié)能強(qiáng)力有序地推進(jìn)，大量低能耗、超低能耗建筑不斷涌現(xiàn)，低溫輻射供暖系統(tǒng)以其良好的舒適性、安全性逐漸代替了傳統(tǒng)的對流輻射供暖系統(tǒng)。

1 空氣源熱泵運行原理

根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，制冷劑通過蒸發(fā)器時吸收空氣中的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)后形成高溫高壓介質(zhì)，進(jìn)入冷凝器進(jìn)行放熱，將熱量傳給冷水，再經(jīng)節(jié)流裝置變成低溫低壓的介質(zhì)進(jìn)行下一次循環(huán)。冷水經(jīng)過冷凝器與高溫高壓的介質(zhì)交換后變成熱水貯存在熱水罐或熱水箱中，通過熱水管道送至用水點。因此，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是一種安全、節(jié)能、低污染且符合綠色發(fā)展的技術(shù)。核心原理是利用制冷循環(huán)從室外空氣中吸收熱量，然后傳遞至室內(nèi)。系統(tǒng)組成主要包括蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等關(guān)鍵組件，其中室外空氣通過蒸發(fā)器使工質(zhì)蒸發(fā)吸收熱量，壓縮機(jī)將蒸發(fā)后的工質(zhì)壓縮并提高其溫度，溫度通過冷凝器散發(fā)到室內(nèi)，供暖或熱水使用。在嚴(yán)寒地區(qū)，蒸發(fā)器和冷凝器的工作受到極端低溫的影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

2 系統(tǒng)配置要點

在合適的環(huán)境溫度下，空氣源熱泵供暖相對于其他常見的供暖方式經(jīng)濟(jì)性無疑是比較好的，所以在市政供熱能力不足、周邊沒有集中熱網(wǎng)配套的新建小區(qū)，以及一些偏遠(yuǎn)的學(xué)校、辦公樓、工廠、酒店、醫(yī)院等建筑中越來越多地采用空氣源熱泵配套供暖。不少新興清潔能源公司限于資源或技術(shù)問題，往往采用單一的空氣源熱泵進(jìn)行供暖，如果對于僅白天有供暖需求的辦公樓、學(xué)校等建筑倒也勉強(qiáng)可行，但是對于住宅、醫(yī)院等需24 h 連續(xù)供暖的項目，會有諸多的不利：（1）設(shè)計選型容量偏大，導(dǎo)致初投資增大；（2）部分負(fù)荷運行時間較長，大量設(shè)備長時間閑置，設(shè)備故障率高；（3）極端天氣下供暖效果不好；（4）設(shè)備低效工作區(qū)運行時間長，供暖季綜合節(jié)能效率低。所以，采用空氣源熱泵集中供暖的系統(tǒng)，宜配置部分燃?xì)忮仩t供熱、電加熱，甚至市政集中熱源等相對穩(wěn)定的能源形式，實現(xiàn)多能互補(bǔ)，以提高整體的運行效率，保障供熱品質(zhì)，降低初投資。那么，如果采用其他的能源形式做補(bǔ)充，應(yīng)該補(bǔ)充多少是個值得研究的問題。以青島地區(qū)的氣溫變化作為研究依據(jù)，分析供暖負(fù)荷及空氣源熱泵機(jī)組在不同環(huán)境溫度下的變化特點。（1）如果分別以-7 ℃、-2 ℃、0 ℃、2 ℃環(huán)境溫度下的供暖負(fù)荷進(jìn)行系統(tǒng)配置，則7 ℃額定工況下的機(jī)組制熱能力相對于供暖負(fù)荷分別為158%、114%、85%、72%；（2）以-7 ℃下的供暖負(fù)荷配置空氣源熱泵機(jī)組，機(jī)組容量配置過大，初投資較高，而同等負(fù)荷下的燃?xì)忮仩t或電加熱等常規(guī)熱源方式投資則低得多（經(jīng)驗表明，空氣源熱泵初投資可按額定供熱量1.2 元/W 考慮，燃?xì)忮仩t的投資額可按0.2 元/W 考慮），以-2 ℃、0 ℃、2 ℃環(huán)境溫度下的供暖負(fù)荷配置空氣源熱泵機(jī)組，分別需要補(bǔ)充28%、47%、55%滿負(fù)荷的其他能源形式；（3）建議對供暖品質(zhì)要求高、24 h 連續(xù)供暖的場合（如高檔住宅、醫(yī)院等)，補(bǔ)充47%滿負(fù)荷的其他能源形式，對供暖品質(zhì)要求不太高的場合，補(bǔ)充28%滿負(fù)荷的其他能源形式。結(jié)合各地氣候特點及資源稟賦的多能互補(bǔ)配置方案，以及結(jié)合各能源形式自身運行特點的控制策略，一方面可以最大程度上節(jié)約運行費用及初投資；另一方面也能保障供暖效果。結(jié)合各地氣候特點及資源稟賦的多能互補(bǔ)配置方案，以及結(jié)合各能源形式自身運行特點的控制策略，一方面可以最大程度上節(jié)約運行費用及初投資；另一方面也能保障供暖效果[1]。

3 設(shè)備機(jī)組架設(shè)

嚴(yán)寒地區(qū)的寒冷氣候，設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)必須能夠承受雪荷載和低溫，防止設(shè)備受損。保證支架的材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求，能夠承受設(shè)備的重量和外部壓力。同時，預(yù)留足夠維護(hù)空間可方便后續(xù)設(shè)備檢修和維護(hù)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和使用壽命。根據(jù)GB50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，空氣源熱泵的安裝位置應(yīng)符合以下規(guī)定：在室外機(jī)安裝過程中，必須充分考慮設(shè)備的通風(fēng)需求。確保排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)通暢，以避免發(fā)生氣流短路現(xiàn)象。熱泵機(jī)組應(yīng)盡量放置在無遮擋、無障礙物的地方，安裝位置必須通風(fēng)良好。出風(fēng)口通常避免迎風(fēng)方向，因此應(yīng)考慮安裝在空曠位置處，并為換熱器的清掃預(yù)留足夠空間。為避免受到污濁空氣的影響，不可將設(shè)備放置在廚房油煙排氣的地方。此外，在安裝過程中，所使用的所有金屬部件均應(yīng)進(jìn)行防銹處理，并符合中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7725-2022 的相關(guān)規(guī)定[2]。同時，需考慮噪聲和排熱對周圍環(huán)境的影響，安裝位置應(yīng)盡量選擇在人員較少且不易受噪聲影響的地方。在安裝過程中，需要注意現(xiàn)場的實際情況，確保所選擇的安裝位置能夠承受室外機(jī)自重的2～3 倍的重量。系統(tǒng)供回水管路應(yīng)與機(jī)組進(jìn)出口采用柔性連接的方式，以增強(qiáng)設(shè)備的穩(wěn)定性和耐用性。設(shè)備機(jī)組與基礎(chǔ)值間加裝隔振措施，防止機(jī)組振動傳播至建筑本體，影響建筑室內(nèi)環(huán)境。

另外，室外機(jī)組本體應(yīng)安裝安全接地線，確保用電安全。同時，機(jī)組使用側(cè)進(jìn)水端應(yīng)加裝Y 型過濾器，以防止雜質(zhì)污染損壞設(shè)備[3]。

4 定期維護(hù)

（1）對于空氣源熱泵及配套管路日常維護(hù)，應(yīng)定期巡視空氣源熱泵機(jī)組、配套冷熱水循環(huán)泵及管道保溫情況；定期檢查設(shè)備及其管路上閥門等附屬設(shè)備是否正常工作，并及時清洗空調(diào)循環(huán)水過濾器、換熱設(shè)備及風(fēng)管系統(tǒng)，保持良好的運行性能[4]；（2）在冬季防凍方面，補(bǔ)水管中的冷水需實時加熱，避免上凍無法流動；配套循環(huán)泵在冬季運行時，一旦出現(xiàn)停電、缺相或熱繼電器動作保護(hù)導(dǎo)致循環(huán)泵停運，時間長了可能凍壞設(shè)備和管線，因此需采取事前預(yù)防措施或事后應(yīng)急措施，降低循環(huán)泵的受凍損失；（3）做好預(yù)防風(fēng)霜雨雪的工作同樣重要。設(shè)備和電線電纜接觸水后，設(shè)備絕緣性能降低，容易出現(xiàn)發(fā)熱情況，應(yīng)采取預(yù)防雨水的措施，避免設(shè)備、電線電纜等接觸雨水；定期巡視設(shè)備機(jī)組、配電柜、控制系統(tǒng)的防水措施的完好性，若有損壞，應(yīng)及時修復(fù)[5]。

5 運行24 h 耗電量

變頻化控制下，通過能需計算的控制，在出水溫度逐漸逼近設(shè)定溫度時，壓縮機(jī)頻率逐步降低，收斂。定頻化控制下，在出水溫度逐漸逼近設(shè)定溫度時，壓縮機(jī)頻率不變，直到達(dá)溫停機(jī)，其功率曲線類似于定頻機(jī)。根據(jù)測試結(jié)果，在-12 ℃的環(huán)境溫度下，設(shè)定水溫45 ℃（回水溫度），在優(yōu)化后的控制邏輯，機(jī)組24 h 的耗電量降低。結(jié)合機(jī)組單點能效的測試情況，可以分析得知，由于根據(jù)能需的計算，在水溫逼近設(shè)定溫度時，頻率會降低，則機(jī)組運行頻率降低到低效區(qū)，甚至降到50 Hz 以下，機(jī)組自動關(guān)閉噴焓，能效急劇下降。采用定頻化的控制，機(jī)組一直運行在高效區(qū)，進(jìn)而耗電量反而降低。

6 地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)運行性能分析

目前中深層地?zé)峁┡善鸪醯闹焕玫責(zé)崮芗訐Q熱器的供暖方式，發(fā)展為地?zé)崮芴菁壚玫墓┡绞?，使地?zé)崴睦脺夭钐岣?0%～50%，提升了供熱系統(tǒng)的綜合能效。天津某項目采用地?zé)崴菁壚霉┡?，分為四級換熱，一、二級換熱采用板式換熱器，三四級換熱采用地源熱泵。在熱源測，由取水井抽取85 ℃左右地?zé)崴?，?jīng)過板式換熱器一級換熱，降低至60 ℃左右；再經(jīng)過二級換熱降低至45 ℃左右，最后經(jīng)過三級、四級的地源熱泵降低至30 ℃，由回灌井回灌地下以保證地下水位。末端用戶為八個小區(qū)的住宅，用戶側(cè)末端采用散熱器，設(shè)計供回水溫度為60 ℃～45 ℃。用戶側(cè)循環(huán)水分別進(jìn)入四級換熱系統(tǒng)，其中45 ℃回水經(jīng)過一、二級板式換熱器換熱后升至60 ℃左右，45 ℃回水經(jīng)過三、四級地源熱泵后升至55 ℃左右，然后混合后進(jìn)入主管分別供至各個小區(qū)。通過測試及對歷史數(shù)據(jù)分析，其制熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF 為9.09，與電直接加熱設(shè)備相比，節(jié)能率約為90%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少90%。與空氣源熱泵相比，節(jié)能率約為65%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少65%。與地源熱泵系統(tǒng)相比，節(jié)能率約為37%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少37%[6]。

7 綜合評價分析

空氣源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)及地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)是目前在長江以北地區(qū)較為普及的以電能驅(qū)動的清潔采暖系統(tǒng)，從以上介紹及分析來看，其存在以下特點：（1）運行能效方面，地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)最高，地源熱泵系統(tǒng)次之，空氣源熱泵系統(tǒng)最低；（2）投資建設(shè)方面，地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)遠(yuǎn)高于空氣源熱泵系統(tǒng)；（3）規(guī)模適用性方面，空氣源熱泵系統(tǒng)的適用范圍更廣，地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)不適用于建筑體量較小且建筑規(guī)模較小的區(qū)域；（4）地域適用性方面，地源熱泵系統(tǒng)源熱泵系統(tǒng)由于不受環(huán)境溫度的影響，其適用范圍更廣，而地?zé)崮芴菁壚孟到y(tǒng)只適用于中深層地?zé)崮茇S富的地區(qū)，空氣源熱泵系統(tǒng)不適用于室外氣溫比較低的地區(qū)[7]。

8 性能系數(shù)預(yù)測

根據(jù)現(xiàn)場測試期間室外逐時平均溫度與逐時能效比數(shù)據(jù)，機(jī)組性能系數(shù)預(yù)測時，只分析了室外溫度與機(jī)組性能系數(shù)的關(guān)系，未考慮室外空氣相對濕度等其它因素的影響。相關(guān)關(guān)系式可用于估算或簡便分析使用，準(zhǔn)確性及適用性等還有待于進(jìn)一步提升[8]。

9 合理調(diào)整運行參數(shù)

在冬季，由于環(huán)境溫度較低，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運行需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了提高空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性，可以采取一些有效措施。比如，適當(dāng)降低熱水的溫度可以減少熱泵的負(fù)荷，提高其能效。在冬季，由于環(huán)境溫度較低，熱泵的負(fù)荷本身就比其他季節(jié)大，因此降低熱水溫度可以減輕熱泵的負(fù)擔(dān)，使其更加高效地運行；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的各個部件可能會受到一定的影響，減小出水的流量可以減少對系統(tǒng)部件的沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。冬季是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運行的關(guān)鍵時期，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和保養(yǎng)是保證其正常運行和高效率的關(guān)鍵。應(yīng)適當(dāng)采取一些措施來優(yōu)化空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運行參數(shù)，并注意天氣狀況和熱水需求等因素，以確?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)能夠正常運行并達(dá)到最佳的運行效果。

10 使用感受及運維對比

分戶空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能夠用手機(jī)智能控制，可滿足過渡季的熱需求，空調(diào)熱風(fēng)與地暖制熱同時開啟可滿足迅速調(diào)溫的需求，戶間影響小；不需專門的物業(yè)運維，可由廠家提供售后服務(wù)，但集中供暖系統(tǒng)調(diào)溫慢，無法滿足過渡季熱需求，需專業(yè)的物業(yè)運維人員進(jìn)行每年的檢修。

11 結(jié)束語

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在“雙碳”“減霾”的大環(huán)境下，因為其便利性、可控性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等特點，是目前主流的清潔供暖技術(shù)之一，隨著建筑節(jié)能技術(shù)的提高及供暖熱源溫度的逐步降低，有著更加廣闊的發(fā)展空間。空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的能效評價以整個供暖季為時間跨度，結(jié)合環(huán)境溫度的變化及供暖負(fù)荷的分布特點進(jìn)行綜合評價，會更客觀、更貼近運行實際特點，更具參考價值。采用多能互補(bǔ)的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，補(bǔ)充能源的配比根據(jù)項目具體特點及環(huán)境條件宜為30%～50%，供暖效果的保障與初投資及運行費用的節(jié)約會達(dá)到比較理想的結(jié)合點。隨著以供暖為主要任務(wù)的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的項目體量越來越大，輻射半徑越來越長，常規(guī)的5 ℃溫差機(jī)型輸配能耗較大，開發(fā)10 ℃溫差的空氣源熱泵機(jī)組甚為必要。