空氣源熱泵成為可靠供暖熱源技術(shù)的探討★

韓衛(wèi)珍 劉 勇 任文晉

(1.山西路晟交通建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030006； 2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006)

1 山西省北部供暖現(xiàn)狀及存在問題

現(xiàn)在高速公路沿線各站區(qū)燃煤鍋爐作為供暖熱源已無法滿足環(huán)境保護(hù)的要求，供暖熱源改造正是這一時(shí)代背景下的必然要求。清潔能源作為供暖熱源形式有多種多樣，據(jù)調(diào)查，目前高速公路各服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站及養(yǎng)護(hù)區(qū)清潔能源改造的形式主要有燃煤鍋爐改為燃?xì)忮仩t或者改為用電兩種方式。

我省北部地區(qū)的高速公路各服務(wù)區(qū)遠(yuǎn)離城市配套輸氣管線，盡管存在個(gè)別項(xiàng)目距離輸氣管線較近，但是，城市配套建設(shè)中未考慮此部分建筑供暖的用氣。所以煤改氣這種方案只能在一些氣源充足或離市區(qū)較近的地區(qū)采用，不能大范圍應(yīng)用。

然而，煤改電這種方案不受地理位置所限，具有大范圍推廣應(yīng)用的價(jià)值，現(xiàn)階段煤改電的形式主要有空氣源熱泵和電鍋爐兩種。空氣源熱泵作為供暖熱源比電鍋爐更節(jié)能，所以空氣源熱泵將是站區(qū)燃煤鍋爐改造的首選方案。

2 空氣源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 空氣源熱泵技術(shù)在嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)使用時(shí)存在的技術(shù)缺點(diǎn)

1)空氣源熱泵制熱性能與建筑物供暖負(fù)荷不一致，當(dāng)室外溫度較高時(shí)，熱泵機(jī)組制熱性能高，而此時(shí)建筑供暖負(fù)荷所需小，相反，室外溫度低時(shí)，熱泵機(jī)組制熱性能差，而此時(shí)房間熱負(fù)荷所需較大。所以，常常出現(xiàn)白天設(shè)備存在間歇運(yùn)行，而夜間不能滿足供暖需求。

2)在冬季由于氣溫降低，空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行都存在結(jié)霜和除霜問題，一方面，當(dāng)所處環(huán)境溫度偏低時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)器溫度則需進(jìn)一步降低，所以會(huì)結(jié)霜。而且霜層厚度也會(huì)進(jìn)一步惡化機(jī)組制熱性能，直至機(jī)組停止制熱。另一方面，為了能使機(jī)組正常制熱工作，可以通過四通閥切換進(jìn)行除霜，但是，這也帶來了除霜時(shí)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱的弊端。

為了實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”，使燃煤鍋爐改造既能滿足使用功能要求，又可以減少污染，空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用于供暖熱源時(shí)必須進(jìn)行必要的技術(shù)革新。

2.2 空氣源熱泵在我省應(yīng)用現(xiàn)狀

空氣源熱泵機(jī)組作為冬季供暖熱源在全省各地都有所應(yīng)用，總體而言，在太原以南地區(qū)應(yīng)用效果較好，不僅室內(nèi)溫度有保障，而且空氣源熱泵的制熱效率也能達(dá)到2.0以上甚至更高，除霜工況下對(duì)室內(nèi)舒適度的影響也不大。但在太原以北地區(qū)，由于冬季氣溫偏低，尤其是高速公路沿線各站區(qū)一般遠(yuǎn)離市縣，周邊地勢空曠，建筑相對(duì)獨(dú)立，實(shí)際氣溫比周邊縣市低3 ℃～5 ℃，空氣源熱泵機(jī)組在這些地區(qū)不僅制熱效率低下，而且結(jié)霜現(xiàn)象嚴(yán)重，在供暖期里無法實(shí)現(xiàn)可靠供暖。而近幾年來，我省極端氣候情況頻頻出現(xiàn)，空氣源熱泵機(jī)組作為冬季單一熱源不能滿足供暖需求。此外，目前服務(wù)區(qū)熱源改造工程中，大多數(shù)項(xiàng)目建筑中原供暖系統(tǒng)采用散熱器供暖末端形式，散熱器供暖系統(tǒng)所需熱媒溫度又比地板低溫?zé)崴┡到y(tǒng)要求高，在這種供暖末端的形式下，熱泵機(jī)組作為熱源會(huì)進(jìn)一步減小制熱系數(shù)，從而降低其節(jié)能效果。鑒于此，山西省高速公路的服務(wù)區(qū)熱源整改項(xiàng)目中，假設(shè)選用空氣源熱泵機(jī)組，需要改進(jìn)熱源設(shè)施配置，首先保證冬季供暖可靠性，其次初投資也不能太高，最后還要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。填補(bǔ)我省寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖熱源在只能使用電能作為動(dòng)力的情況下，采用空氣源熱泵機(jī)組的技術(shù)空白。

雖然空氣源熱泵技術(shù)日新月異，一些生產(chǎn)廠家也研制出了超低溫空氣源熱泵，但據(jù)調(diào)查，在我省北部地區(qū)實(shí)際上還是無法正常提供滿足要求的供暖熱水。

3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的改進(jìn)措施

3.1 空氣源熱泵直接供暖的系統(tǒng)形式

如果不僅僅在產(chǎn)品上做研究，在熱泵系統(tǒng)上做一些改進(jìn)，也有可能改善現(xiàn)狀。傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備簡單，控制方便，初投資低，在我省太原以南地區(qū)可以滿足需求，如圖1所示，但如果用在太原以北的地區(qū)尤其是大同地區(qū)在進(jìn)入深冬季節(jié)由于室外氣溫極低，往往無法實(shí)現(xiàn)可靠供熱。

3.2 空氣源熱泵+蓄熱水箱的系統(tǒng)形式

在嚴(yán)寒地區(qū)，如采用空氣源熱泵加蓄熱水箱的系統(tǒng)方式，熱泵機(jī)組在選型時(shí)適當(dāng)?shù)卦隽颗渲茫诎滋鞖鉁馗叩臅r(shí)候，空氣源熱泵機(jī)組既能提供建筑物所需的熱量同時(shí)又能向蓄熱水箱儲(chǔ)存一些熱量，這樣在夜間室外溫度低時(shí)，尤其是低于-12 ℃時(shí)，可關(guān)閉空氣源熱泵利用蓄熱水箱的水提供建筑物夜間所需熱量，系統(tǒng)流程如圖2所示。

3.3 空氣源熱泵+電鍋爐+蓄熱水箱的供暖形式

現(xiàn)在，很多地區(qū)提倡利用谷價(jià)電，移峰易谷，在一些執(zhí)行峰谷電價(jià)的地區(qū)，空氣源熱泵可配合電鍋爐及蓄熱水箱的系統(tǒng)形式。白天，室外氣溫高時(shí)，可利用空氣源熱泵提供建筑物白天所需的熱量，夜間，啟動(dòng)電鍋爐，利用谷價(jià)電給建筑物提供夜間所需熱量的同時(shí)向蓄熱水箱蓄熱，彌補(bǔ)空氣源熱泵供熱不足的部分，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3.4 空氣源熱泵+水源熱泵機(jī)組的系統(tǒng)形式

在沒有峰谷電價(jià)政策的地方，空氣源熱泵也可配合相變儲(chǔ)能罐及二級(jí)水源熱泵機(jī)組共同提供供暖熱水，低溫空氣源熱泵提供20 ℃～25 ℃的低溫?zé)嵩矗銣卮鎯?chǔ)和調(diào)節(jié)于相變儲(chǔ)能罐中，且將其作為二級(jí)水源熱泵機(jī)組冷凝水再次提溫至40 ℃～60 ℃，作為建筑供暖熱源，顯然此做法下，低溫空氣源熱泵和高溫水源熱泵均處于高性能區(qū)，大大降低運(yùn)行費(fèi)用。

系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

3.5 其他

此外空氣源熱泵機(jī)組的放置位置也很有講究，如條件允許最好放置于陽光充足的屋面上，當(dāng)不能放于屋頂時(shí)，應(yīng)放在日照時(shí)間比較長的地點(diǎn)，這樣才能最大限度的提高制熱效率。

目前，山西省高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)到5 000余千米，按照規(guī)劃，“十三五”末將達(dá)到7 200 km，屆時(shí)配套服務(wù)站區(qū)的建筑面積將達(dá)到96萬m2。以現(xiàn)有站區(qū)的燃煤消耗情況計(jì)算，2020年以后山西省高速公路站區(qū)燃煤消耗將達(dá)到10.5萬t/年，向大氣排放鍋爐煙塵1 820 t/年，排放二氧化硫720 t/年，排放爐渣10 700 t/年，嚴(yán)重污染周邊環(huán)境。

以上幾種形式雖然都可運(yùn)用，但空氣源熱泵+水源熱泵機(jī)組的系統(tǒng)形式因增設(shè)了相變儲(chǔ)能罐及水源熱泵機(jī)組而使其初投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣源熱泵直供形式，所以不易被建設(shè)方接受。在北方嚴(yán)寒地區(qū)增設(shè)蓄熱水箱的形式是一種比較可靠的系統(tǒng)形式。在執(zhí)行峰谷電價(jià)的地區(qū)加設(shè)電鍋爐則更可靠。

4 結(jié)語

全省各站區(qū)采用燃煤鍋爐供暖的時(shí)代即將結(jié)束，以空氣源熱泵+蓄熱水箱或空氣源熱泵+蓄熱水箱+電鍋爐的方式對(duì)服務(wù)站區(qū)冬季供暖既可以彌補(bǔ)空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行的缺陷，又可以實(shí)現(xiàn)各站區(qū)“無污染、零排放”的建設(shè)目標(biāo)，還可以克服燃?xì)忮仩t的氣源無法保證、電鍋爐能源消耗量太大、燃油鍋爐運(yùn)行費(fèi)用太高等問題，有效提升供暖設(shè)備效率，降低運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益雙贏。為我省乃至全國北部供暖地區(qū)各站區(qū)供暖需求的解決提供了一種很好的方案，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，不僅可以解決燃煤鍋爐供暖存在的大氣污染問題，還可以推廣應(yīng)用，前景廣闊。