基于熱泵技術的空氣能采暖系統設計及應用實踐

包森霖　張希平　張琪　楊錦斌

【摘 要】隨著中國經濟的飛速發展，資源短缺、供應能力不足等問題逐漸暴露，國家對清潔能源應用的大力推廣以及消費者購買力的不斷提升，空氣能熱泵技術已成功在我公司供采暖系統（4200m高海拔地區）實踐應用，使用效果良好，為企業帶來了豐厚的經濟效益和社會效益。

【關鍵詞】熱泵技術;采暖供熱

中圖分類號： TU832 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.009

Design and Application of Air Energy Heating System Based on Heat Pump Technology

BAO Sen-lin ZHANG Xi-ping ZHANG Qi YANG Jin-bin

（Tibet Yulong Copper Co.， Ltd.， Changdu Tibet 854100， China）

【Abstract】With the rapid development of China's economy， problems such as shortage of resources and insufficient supply capacity are gradually exposed. With the vigorous promotion of clean energy application by the state and the continuous improvement of consumer purchasing power， air-energy heat pump technology has been successfully applied in heating system of our company （4200m high altitude area）. The application effect is good， bringing abundant economic and social benefits to enterprises.

【Key words】Heat pump technology; Heating and heating

1 熱泵技術及空氣能熱泵

1.1 熱泵技術

熱泵技術原理與制冷系統的工作原理是一致的。熱泵系統也一般由蒸發器、壓縮機、膨脹閥、熱交換器四部分組成，見圖1所示，其工作過程為：低溫低壓的液態制冷劑在蒸發器里從高溫熱源（如自然界的空氣、水或土壤等）吸熱并氣化成低壓蒸氣，然后制冷劑氣體在壓縮機內壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在熱交換器內被低溫熱源冷卻凝結成高壓液體，再經節流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節流成低溫低壓液態制冷劑，如此就完成了一個制冷循環。

1.2 空氣能熱泵

1.2.1 空氣能熱泵技術

空氣能熱泵技術是基于逆卡諾循環原理的一種節能、環保制熱技術，是按照“逆卡諾”原理工作的，逆卡諾循環原理為通過壓縮機系統運轉工作、吸收空氣中熱量制造熱水，作為熱泵技術的一種，有“大自然能量的搬運工”的美譽，有著使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干凈等多重優勢。具體工作過程：壓縮機將冷媒壓縮，壓縮后溫度升高地冷媒經過水箱中的冷凝器制造熱水，熱交換后的冷媒回到壓縮機進行下一輪循環，在這一過程中，空氣熱量通過蒸發器被吸收導入冷媒中，冷媒再導入水中，產生熱水。

1.2.2 空氣能熱泵工作原理

蒸汽壓縮制冷循環工作原理，以環境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風或者冷（熱）水的設備，主要零部件包括熱側換設備、熱源側換熱設備及壓縮機等。空氣能（源）熱泵利用空氣中的熱量作為低溫熱源，經過傳統空調器中的冷凝器或蒸發器進行熱交換，然后通過循環系統，提取或釋放熱能，利用機組循環系統將能量轉移到建筑物內，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調等需求，具體原理見圖2所示。

2 采暖供熱項目概況及負荷計算

2.1 項目概況

我公司在建的昌都市生活、辦公基地，建筑氣候屬于寒冷地區，采暖宿舍樓建筑面積6778.52平方米，賓館建筑面積7002.41平方米，商業樓建筑面積1786.86平方米，地下車庫建筑面積4999.57平方米，是集多功能為一體的采暖項目，總建筑面積約20560平方米，供熱總負荷約2302KW。

項目中央空調系統及供暖系統設置形式：宿舍樓、賓館及商業樓采用中央空調加新風和部分地暖系統結合的采暖方式，地下室采用暖氣片供暖的方式;項目根據實際情況，供暖主機采用低溫型風冷熱泵模塊化機組提供熱源，主機及系統動力裝置防置在屋頂。

2.2 熱負荷計算

項目設計標準，采暖負荷計算參照《實用供熱空調設計手冊》（陸耀慶）中的“民用建筑供暖設計熱負荷計算”部分有關規定，采用估算法進行采暖負荷進行計算，供暖的采暖單元熱負荷初步估算，并根據海拔、高原、工程特點等因素經過參數修正后，估算值結果如表1所示。

2.3 儲能水箱有效容積核算

水暖系統需要考慮系統水容量對系統穩定性的影響，對于空氣源熱泵地暖系統，最大的影響因素是冬季機組除霜。空氣源熱泵機組化霜時間為3～8min，一般取化霜時間4min來計算緩沖水箱容積。系統熱穩定性要求：冬季運行時，主機除霜時間4min，供水溫度允許降低不超過3℃。

系統最小水容量M1=Q·T/（C·3），式中：M1為系統最小水容量，kg;Q為主機制熱量，kw;T為化霜時間，S;C為水的比熱，取值4.2，kJ/kg℃。

系統水容量M2=0.15·L，式中：M2為系統水容量，kg;L為系統管路總長，m。

儲能水箱有效容積M=M1-M2（kg）

計算修正后可得：M賓館≈20000kg=20T，M宿舍≈15000kg=15T。

3 空氣能熱泵選型配置及供采暖系統設計

3.1 空氣能熱泵選型配置

依據各供暖單元的采暖熱指標、采暖熱負荷、冷指標、冷負荷以及主機電負荷的估算結果，根據采供暖項目地點氣候、制冷制熱及實際使用情況，選用美國“麥克維爾”低溫型風冷熱泵機組MAC450DR5LH主機，單臺制冷量為130kW，低溫工況下單臺制熱量為141kW，具體配置選型：

（1）賓館采暖空氣源熱泵機組，制熱量141KW，單機電功率43.6KW，9臺。

（2）宿舍樓采暖超低溫空氣源熱泵機組，制熱量141KW，單機電功率43.6KW，8臺。

（3）商鋪（含地下室）采暖空氣源熱泵機組，制熱量141KW，單機電功率43.6KW，6臺。

（4）賓館熱水超低溫空氣源熱泵機組，制熱量32KW，單機電功率7.2KW，2臺。

（5）宿舍熱水暖超低溫空氣源熱泵機組，制熱量32KW，單機電功率7.2KW，2臺。

3.2 供采暖系統設計

空氣能熱泵供采暖系統設計具有多專業、技術新、范圍廣等特點，涉及模塊化設計、獨立電控設計、噴氣增焓壓縮機技術、智能除霜技術、輪換/互備運轉技術等最新、先進技術。

3.2.1 模塊化、獨立電控設計

空氣能熱泵系統采用模塊化設計，由一個或多個模塊組合而成，每個模塊都有自己獨立的電控單元，各模塊的電控單元之間以通訊網絡連接進行信息交換，空氣能熱泵系統采用全中文微電腦控制系統，能自動地根據負荷大小進行能量控制，達到最佳匹配，真正實現最佳的節能運行。

3.2.2 兩級節流中間噴氣技術

項目選用噴氣增焓壓縮機，采用兩級節流中間噴氣技術，利用經濟器進行換熱，實現增焓效果，通過中低壓時壓縮機邊壓縮邊噴氣混合冷卻，高壓時正常壓縮，從而提高壓縮機排氣量，達到低溫環境下提升制熱能力的目的

3.2.3 智能除霜技術

空氣源熱泵系統在環境溫度低、濕度大的情況下容易結霜。MAC450DR5LH型模塊機組能夠根據制熱運行的主要參數和負荷變化，精準判斷除霜時機，做到有霜除霜，無霜正常制熱，并且能夠根據實際情況，進行強制手動除霜。

3.2.4 模塊化輪換、互備運轉技術

空氣源熱泵系統根據系統使用負荷情況，輪換設置優先開啟的模塊機組，平衡分配每臺模塊機組的運行時間，系統內模塊分級啟動，減少機組啟動電流對電網的沖擊空氣源熱泵系統特有;模塊化互備運轉技術，采用單模塊多系統設計，使同一系統中不同模塊之間互為備用。大大提高了機組的可靠性和使用壽命。

4 結束語

隨著中國經濟的飛速發展，資源短缺、供應能力不足等問題逐漸暴露，環境壓力正倒逼著能源戰略的轉型與能源結構的調整，國家節能減排工作逐步深入和清潔能源應用的大力推廣，北方地區“煤改電”工程的相繼啟動，成為空氣能熱泵行業發展的助推劑，而空氣能作為清潔能源應用的代表，理應受到了各行各業的大力推廣。與煤、電供采暖系統相比具有天壤之別、得天獨厚之優勢，值得全面普及、廣泛應用。空氣能熱泵技術已成功在我公司供采暖系統（4200m高海拔地區）實踐應用，使用效果良好，為企業帶來了豐厚的經濟效益和社會效益。