北方地區供暖中低溫空氣源熱泵的應用

許紅波 邱炳蔚

摘要：北方地區尤其是寒冷地區的冬季一般都是比較寒冷的，室外環境在整個供暖季基本處在相對較低的溫度中。傳統供暖方式中，城市地區主要是以燃煤鍋爐為主的集中供暖，農村地區則是以散煤燒爐的分散供暖。而在無城市熱網、天然氣供應不足區域，空氣源熱泵供暖無疑是一種最優選擇，和燃煤供暖相比，其供暖更加的方便、環保、高效。因此，空氣源熱泵在北方地區的供暖被廣泛應用，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方面更具有其優越性。故本文主要針對北方寒冷地區供暖中低溫空氣源熱泵的應用進行了分析和探討，并提出了存在的問題。

關鍵詞：寒冷地區;低環境;低溫空氣源熱泵

為了達到在2020年實現全面小康社會目標中對環境空氣質量的要求，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的政策補貼和優惠，使得低溫空氣源熱泵在北方地區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用。本文筆者旨在通過對空氣源熱泵工況參數及投資運行能耗等方面進行技術分析，以便在后續設計以及設備選型中給予設計師一定借鑒。

1 空氣源熱泵工況條件的比較

根據《蒸氣壓縮循環冷水（熱泵）機組第1部分工業或商業用及類似用途的冷水（熱泵）機組》中的規定，名義制熱工況下，普通型空氣源熱泵的使用側出口水溫為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，針對寒冷地區整個供暖季，室外環境溫度基本處于零度以下，甚至更低。所以在低環境溫度條件下，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，在進出水溫度均為45℃/40℃的條件下，室外環境溫度為7℃時，其制熱量為68kW，COP為3.56;而當室外環境溫度降至-7.2℃（青島地區冬季空調室外計算溫度）時，其制熱量降為42.3kW，COP降為2.31。雖然COP仍滿足規范中冷熱水機組不小于2.0的規定，但可以看出，當環境溫度降至-7.2℃時，其制熱量衰減量達到37.8%，COP衰減量達到35.1%。當遇極端天氣，環境溫度更低，衰減量更大，當環境溫度低于當地平衡點溫度時，機組提供的制熱量就滿足不了室內的熱負荷需求，這時就需要設置輔助熱源。故普通型空氣源熱泵機組在寒冷地區供熱時是極不節能的，其應用受到一定的限制，這就為低溫型空氣源熱泵機組的誕生和應用提供了一定的市場空間。

反觀低溫空氣源熱泵機組，根據國標《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組 第1部分：工業或商業用及類似用途的熱泵（冷水）機組》規定，名義制熱工況下，低溫型空氣源熱泵的使用側出口水溫為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，其機組環境溫度運行范圍更寬、更廣，在環境溫度為-20℃時，仍可達到出水溫度為41℃。以單模塊（制熱量為70kW）低溫型空氣源熱泵機組為例，同樣在進出水溫度均為45℃/40℃的條件下，室外環境溫度為7℃時，其制熱量為70kW，COP為3.59;室外環境溫度降至-7.2℃時，其制熱量為57kW，COP為3.03;室外環境溫度降至-10℃時，其制熱量為53.5kW，COP為2.86。因而，當環境溫度降至-7.2℃時，其制熱量衰減量達到18.5%，COP衰減量達到15.6%。當環境溫度降至-10℃時，其制熱量衰減量達到23.5%，COP衰減量達到20.3%。由此可見，不管是在相同的環境溫度-7.2℃，還是更低的環境溫度-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能上的大幅提高，因而也為其在寒冷地區的廣泛應用提供了一定的技術支撐。

2 空氣源熱泵投資及運行能耗分析

空氣源熱泵系統的初投資主要表現在以下幾個方面：機組費用、循環水泵費用、設備安裝費、土建投資費、變配電設施投資。其中軟化水設備、定壓補水設備、水管路及其附件可不考慮在內。為描述方便，現以5萬平住宅小區的低溫輻射供暖為例進行闡述。在相同供熱量的條件下，通過對上述幾部分內容進行綜合折算，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，在末端供熱負荷一致的情況下，后者的初投資費用更為節省。

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，水泵耗電量以及設備必要的維修費用和管理費用。按峰段電價0.7559元/kWh進行折算，普通空氣源熱泵機組和水泵的設備年運行費用約為115萬元，設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備年運行費用約為99萬元，設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進行供暖是合理的，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熱水輻射供暖，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。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，因而可以通過監測回水溫度，控制機組各模塊的啟停數量進行流量控制，此方式需要機組供回水管均設置電動兩通閥，與機組進行連鎖控制。為保證末端供熱流量，也可以保證熱源側完全定流量，此時機組供回水管無需設置電動兩通閥，但是這種方式供回水主管存在混水現象。當熱源側采用變流量系統時，可以對循環水泵采用臺數調節或變頻調節，機組供回水管可單臺或分組設置電動兩通閥，而水泵根據機組運行臺數進行水泵的臺數啟停或變頻控制。因而，空氣源熱泵機組除了常規的啟停控制、運行狀態、故障報警、手自動選擇狀態反饋控制點位外，還應具有電動二通閥與機組的連鎖控制，機組與循環水泵的連鎖控制，回水主管溫度監測。

4 結語及問題

4.1 低溫空氣源熱泵在寒冷地區制熱量和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一步研究優化，也是設計師在具體工程設計中需要考慮的問題。

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