空氣源熱泵直凝系統在夏熱冬冷地區供暖適應性的研究

錢 浩

沈陽建筑大學市政與環境工程學院（110168）

我國夏熱冬冷地區處于我國寒冷地區和炎熱地區之間的“中間區域”，人口約為5.5億，面積180萬m2左右。該地區建筑供暖能耗近年來不斷增長，住宅類建筑能耗從1996年至2007年已增長超過5倍。根據我國能耗和碳排放的相關政策，該地區供暖能耗控制勢在必行[1]。近年來，夏熱冬冷地區的供暖成為了人們日益關注的問題。夏熱冬冷地區在長江中下游及其周圍地區，氣候特點是夏季酷暑，冬季嚴寒，晝夜低溫，年降雨量大，日照值低。這地區特別是北部和南部，由于地理分布廣泛，天氣條件的差異也較大。夏熱冬冷地區不屬于集中供熱地區，近年來，人們使用了很多自己的取暖方式，但這些都不能滿足人們的需求。這部分地區的家庭如果不能負擔得起能源，也不能有效地利用能源，將極大地增加能源消耗[2]。在我國北方寒冷地區，冬季供暖已經形成了集中式供暖和分散式供暖的多種技術路線。而南方夏熱冬冷地區的能源種類、氣候特點、地形地貌、建筑圍護結構特點以及居民生活習慣等與北方寒冷地區截然不同，完全照抄照搬北方寒冷地區冬季供暖的技術路線是不可行的。因此選擇更適合夏熱冬冷地區的供暖系統顯得尤為重要，南方夏熱冬冷地區在冬季供暖須充分考慮環境保護和節能減排，綜合考慮南方地區各種因素，探索解決南方夏熱冬冷地區冬季供暖問題的綜合技術路線[3]。

1 夏熱冬冷地區供暖現狀

進入21世紀，空調在家庭中的普及率逐年上升，熱泵空調在夏熱冬冷地區占有相當大的比例，成為最重要的家用電器之一。目前國內夏熱冬冷地區家庭供暖主要采用家用空氣源熱泵空調器、戶式空調機、地面輻射供暖、區域供熱及電熱器[4]。

夏熱冬冷地區分布地域寬廣，冬季供暖是必要的，但是將整個區域捆綁在一起進行集中供暖并不合理，應根據當地氣候狀況、生活習慣，采用適合的供暖方式。從區域能源特點及能耗狀況的角度分析，集中供暖并不是夏熱冬冷地區冬季供暖的最佳選擇，應采用將當地資源如太陽能、地熱等清潔能源及生活廢熱余熱等與熱泵技術相結合的供熱模式[5]。

2 空氣源熱泵直凝供暖系統

我國由于受社會經濟條件的制約，在人體熱舒適和建筑室內熱環境的研究起步較晚。我國橫跨五個氣候區,具有典型的“夏熱冬冷區”和“嚴寒地區”,給熱舒適研究提供了優越的氣象條件。但是與國外相比,我國在這方面的研究工作缺乏系統性,到目前為止還沒有針對我國的成熟的熱舒適標準,在過去相當長的一段時期內，研究工作的重點都集中在溫度這個單一的熱環境因素上，而沒有注意到人體熱舒適其實是多個熱環境因素綜合作用的結果[6]。隨著國內對人體熱舒適和建筑室內熱環境研究的不斷深入，人們在這方面的理解和認識也在逐步深化,出現了一大批優秀的專家學者，同時也發表了一系列高質量的學術論文，所有這些都為接下來的研究工作指明了方向。

吳錦京從舒適性方面入手，對空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統進行了分時段間歇供暖的試驗研究，引入操作溫度來分析室內熱舒適性，同時對連續性和間歇性供暖模式下的能耗進行了對比分析[7]。王恩丞等人對空氣源熱泵聯合低溫熱水地板供暖系統進行了實測，分析了技術及經濟的可行性[8];胡軍等人對低溫熱水地板輻射供暖系統的運行模式進行了試驗研究,證明間歇供暖運行模式既能達到供暖要求又能節電[9]。為進一步探究空氣源熱泵直凝系統在夏熱冬冷地區的適用性，文章探討了直凝式空氣源熱泵采暖系統的特點與形式。

2.1 系統特點

直凝式空氣源熱泵采暖系統與傳統的低溫熱水地暖系統相比，主要優點體現在:制冷劑直接進入地暖盤管內進行冷凝相變傳熱，其熱量傳遞能力為水的10倍、單位質量熱媒傳熱效率更高[10]；地板采暖屬于輻射供暖，因此其屬于最舒適的一種供暖方式，可以均勻地表的溫度，給人一種腳溫頭涼的舒適感覺。除此之外，還不會造成空氣的污濁，保證室內空氣的潔凈。其最大的功能就是可以促進人體血液的循環、促進人體新陳代謝。

無需二次換熱，減少了能量傳遞環節和傳熱濕差浪費，提高能源效率；無需循環水、風管等輸送系統，也不需要增加其他的換熱設備，減少了設備一次投資的運行能耗；穩定性高，地板輻射是依靠地板結構層傳遞熱量的，由于結構層具有儲熱作用，使得地表散熱量更加均勻。地板輻射供熱介質可以利用空氣能、太陽能、地熱能乃至廢熱等多種形式的熱源；地板福射采暖直接制冷劑作為熱媒，盤管內部不會出現水垢等問題；如果關閉了地板采暖設備，也不必擔心室內變涼，因為其的熱效應很穩定，溫度變化也會非常的緩慢。因此，在夜晚睡眠的時候，可以將地板采暖設備關閉，這樣還能夠節約電能。

2.2 系統形式

基于直凝式空氣源地板輻射采暖系統的優點，接下來具體介紹一下系統原理、形式和適用性。空氣源熱泵直凝供暖系統原理是逆卡諾循環，低溫高壓液態制冷劑經膨脹機構節流處理后變為低溫低壓的液態制冷劑，進入空氣交換機中蒸發吸熱，從空氣中吸收大量的熱量；蒸發吸熱后的制冷劑以氣態形式進入壓縮機，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑。此時制冷劑中所蘊藏的熱量分為兩部分:一部分是從空氣中吸收的熱量，一部分是輸入壓縮機中的電能在壓縮制冷劑時轉化成的熱量；放熱后的制冷劑以液態形式進入膨脹機構，節流降壓，如此不間斷進行循環。在此供熱過程中，熱量先傳遞給地面，再以地面為散熱面對屋內進行輻射散熱，并利用地板自身結構的層次，使地表溫度升高，熱量由下至上進行傳遞，達到供暖的目的。這樣的熱量傳遞過程使得室內溫度隨高度的增加而降低，使人體的熱舒適感更高。

該系統主要由兩部分組成，分別是空氣源熱泵室外機組和室內的地盤管（如圖1所示）。室外機組主要包括壓縮機，蒸發器和節流裝置，傳統裝置中的冷凝器由室內地盤管代替[11]。

圖1 直凝式泵空氣源地板輻射采暖系統

3 結語

南方地區的供暖近年來引起大家普遍關注，對于夏熱冬冷地區的供暖問題，提出了一種新型的供暖系統空氣源熱泵直凝的供暖系統，我國不少學者已對其供暖效果、運行方式進行了分析，文章淺析了空氣源熱泵直凝供暖系統的原理及冷凝特性，作為一種新型的供暖系統，該系統目前為止還未有相關規范出臺，仍然存在一些問題，如缺乏相關的施工規范，系統優化和控制策略有待完善。