空氣源熱泵系統(tǒng)的應用

盛乃虎

（上海茂盟醫(yī)藥化工工程技術(shù)有限公司，上海 201210）

空氣源熱泵系統(tǒng)的應用

盛乃虎

（上海茂盟醫(yī)藥化工工程技術(shù)有限公司，上海 201210）

通過對熱源方式的詳細論述，確定了選用空氣源作為熱源的形式。同時，結(jié)合工程實例，論述了空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設計流程、注意事項和個人體會。

水源；太陽能；空氣源；空氣源熱泵

建設分布式能源站在我國已成為重要的發(fā)展方向，能源站中熱水供應系統(tǒng)熱源方案的確定是至關(guān)重要的。能源站可以為能源供應發(fā)揮作用，為用戶提供冷、熱水等。本文針對分布式能源站中的熱水供應系統(tǒng)，結(jié)合本地區(qū)項目的實際情況，通過對可再生資源太陽能、水源熱泵、地源熱泵、海水源熱泵、空氣源的詳細論述，確定作為清潔能源的空氣源作為最終熱源的方式。

空氣源熱泵機組在我國已有10多年的應用，技術(shù)上空氣源熱泵是比較成熟的，應用也比較廣泛。本文通過一個項目實例，論述應用空氣源熱泵中的一些切身感受，供大家參考。

工程背景：福建某商務營運中心智慧能源示范項目，該項目一期工程涉及整個商務營運中心的空調(diào)系統(tǒng)改造及增加生活熱水供應系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)設備和空調(diào)設備均設置在室外屋面。其中生活熱水設計最大日用水量200m3/d，設計最大時用水量50m3/h。氣象資料：夏季室外計算干球溫度36.0℃，夏季室外計算濕球溫度28.1℃；冬季最冷月平均溫度12℃；自來水的最低溫度為10℃，年平均水溫約為15℃。

該項目是智慧能源示范項目，建筑面積1×106m2。作為示范項目，在國家節(jié)能減排、技術(shù)升級的背景下，能源方式的選擇成為本項目的焦點，工程的示范性對能源選擇的方案提出了更高層次的要求，技術(shù)要先進、能源要清潔、運行費用要節(jié)省，熱源勢必要采用新能源。

1 熱源方案的確定

能源站的熱源選擇眾多：包括傳統(tǒng)能源、工業(yè)余熱、太陽能、水源（地表水及地下水）和空氣源等自然熱源。傳統(tǒng)能源不在本項目考慮之列，項目周邊沒有富余的工業(yè)余熱，因此太陽能、水源熱泵、地源熱泵、海水源熱泵、空氣源熱泵等新能源就都放在方案備選之列。

水源熱泵系統(tǒng)需要有豐富和穩(wěn)定的水資源作為先決條件。水資源是最稀缺的和寶貴的資源，任何廢物或水資源的污染都是絕對不允許的。若選用地表水源、地下水源，應經(jīng)當?shù)刂鞴懿块T批準[1]，必要時還應進行水質(zhì)、生態(tài)、環(huán)境方面的評估。水源熱泵的影響因素眾多：水質(zhì)、水溫、水量、濁度、含沙量；化學性質(zhì)、pH值、硬度、礦化度、腐蝕性、溶解氧等[2]。地源熱泵打井占地面積大[3]，適用性受到極大限制。當前地源熱泵的回灌技術(shù)還不成熟，許多地質(zhì)水的回灌速度遠低于抽水速度，很難全部回灌到地下含水層內(nèi)，地下水資源造成流失。此外，回灌也是一項艱巨的任務，以確保含水層不受污染，及時能夠補給地下水。水源熱泵設備維護費用較高，由于水質(zhì)問題的緣故，需要經(jīng)常清洗機組。另外，海水源熱泵也屬于是水源熱泵，海水源熱泵水源系統(tǒng)影響因素眾多[4]：水質(zhì)、取水水量、供回水口位置等直接影響系統(tǒng)運行效果。海水源熱泵一次性投資大、維護費用高。

考慮到熱源自身特點和地區(qū)能源政策、環(huán)保節(jié)能、燃料價格、水源條件等方面的影響，該項目熱源選擇的焦點就落在了太陽能和空氣源兩種新能源的選擇上面。

1.1 太陽能和空氣源的優(yōu)勢

太陽能和空氣源都是清潔可再生能源——太陽能是依靠太陽光的直接照射或輻射達到制熱效果，空氣源熱泵機組是以吸收環(huán)境空氣中的熱能來達到制熱效果[5]；太陽能和空氣源都可以設置在屋面；太陽能和空氣源都有國家和地方政府頒布的法律法規(guī)的大力支持[6]；太陽能和空氣源都需要用電——太陽能熱水系統(tǒng)需要設置額外的輔助熱源來保證穩(wěn)定的熱水供應，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)需要用電驅(qū)動熱泵運行；太陽能和空氣源都有對環(huán)境友好的優(yōu)勢——高效、節(jié)能、環(huán)保、安全；無任何廢氣、廢水、廢渣排放；太陽能和空氣源的控制系統(tǒng)便捷，均可實現(xiàn)無人自動化智能控制、定期輪換運行和監(jiān)測等；太陽能和空氣源系統(tǒng)均為多臺設備并網(wǎng)運行，即使某臺設備出現(xiàn)故障，并不影響其它機組的正常運行，設備可實現(xiàn)互為備用。

此外，空氣源作為熱源的形式，還有其獨特的優(yōu)勢。空氣源熱泵機組布置靈活，不影響建筑物美觀；不受氣象條件的影響，可以全天候提供熱水；從投資方面而言，如達到相同供水效果，資金投入熱泵熱水機組比常規(guī)太陽能產(chǎn)品要少，運行時可以使用經(jīng)濟電能，在用電低谷時制熱水儲備；在福建推薦優(yōu)先選用空氣源[7]；空氣源熱泵機組全年平均運行成本只是電直接加熱的1/4，常規(guī)太陽能的1/1.5[8]。

1.2 太陽能的局限性

太陽能作為熱源，勢必受到氣象資料的影響，如日照時間長短、日照強度、日照角度以及極端最低氣溫、風雪雨露、晝夜更替等方面的影響，造成工作時間和效率有限。采用太陽能熱源，常采用電熱輔助系統(tǒng)的設計，電熱是不被推薦的，建議優(yōu)先采用空氣源熱泵熱水機組作為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源[7]；太陽能設備占地面積大[9]，本項目空調(diào)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)的設備均要求布置在室外屋面，所以太陽能集熱器的占用空間受到了限制。太陽能系統(tǒng)的集熱器布置需與建筑的外觀設計統(tǒng)一協(xié)調(diào)，本項目又是改造工程，對建筑的外觀協(xié)調(diào)，實在是個浩大的工程。

1.3 空氣源與傳統(tǒng)熱源的性能對比

空氣源與傳統(tǒng)熱源性能對比，通過表1結(jié)果是顯而易見的。

綜上所述，通過對多種能源的分析，結(jié)合對福建地區(qū)氣候條件、本項目的實際情況以及福建地方的標準規(guī)范等綜合情況的評比，最終決定選用空氣源熱泵作為本項目能源站熱水系統(tǒng)的熱源形式。

表1 空氣源與傳統(tǒng)熱源性能對比Tab.1 Performance comparison table between air source and traditional heat source

2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設計

本項目設計參數(shù)：生活熱水設計最大日用水量200m3/d，設計最大時用水量50m3/h；氣象資料：夏季室外計算干球溫度36.0℃，夏季室外計算濕球溫度28.1℃；冬季最冷月平均溫度12℃；自來水的最低溫度為10℃，年平均水溫約為15℃。

式中m——水流量，m3；

C水——水的比熱容，4.187 kJ/（kg·℃）；

Δt——供回水溫差，℃ ；

ρ——水的密度，1 000kg/m3。

計算機組制熱量：41 870MJ÷3.6MJ/kWh=11 631kW

設計采用空氣源熱泵機組12臺。

冬季空氣源熱泵機組制熱量：68kW

冬季最冷月機組運行時間：11 631÷( 68×12 )=14.25h。

設計采用有效容積80m3不銹鋼生活熱水箱，以確保生活熱水最大時段用水。

以上設計內(nèi)容原理圖詳見圖1。

3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應用體會和注意事項

空氣源熱泵機組具有高效節(jié)能性，COP平均可達到3.5 以上[11]；環(huán)保無污染，無燃燒物外排，制冷劑安全環(huán)保零污染，具有良好的社會效益；運行安全可靠：無易燃易爆、中毒、觸電等危險；運行費用?。豢衫玫凸入姇r制熱，節(jié)約運行費用；使用壽命長，維護費用低；設備性能穩(wěn)定，運行安全可靠；設備運行時間長；可四季全天運行；適用范圍廣。

如上所述，空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢顯而易見。在空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設計和應用過程中，有一些個人的使用感受和注意事項，在此也想進行一下論述，供大家參考。

圖1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理Fig.1 Air source heat pump hot water system diagram

3.1 空氣源熱泵系統(tǒng)的應用體會

在空氣源機組設計選型中遇到如下問題：

（1）設備機組負荷過小，沒有大型機組可供能源站設計選擇，需要數(shù)十臺設備并組運行，需要對設備編組運行，設計群控方案。目前空氣源熱泵機組僅有適用于家庭、別墅的小型機組，大負荷的空氣源熱泵機組有待于進一步研制和推廣。

（2）空氣源熱泵機組的水溫低：由于環(huán)保要求和目前制冷劑技術(shù)水平的發(fā)展，空氣源熱泵機組在正常工況下的水溫可達到55℃。這樣一來對設計造成一定的影響：由于用戶生活熱水采用60℃設計[1]，與用戶對接時需要進行熱水量換算；或增加輔熱設備，而電輔熱系統(tǒng)是最普遍的一種方式，COP較低，運行費用不經(jīng)濟。

（3）設備補水存缺陷：空氣源熱泵設備接口大多為兩個接口，僅供熱水箱循環(huán)水進出，需要向生活熱水箱內(nèi)補水，造成生活熱水出水溫度波動較大。設備補水方案，應盡量控制熱水溫差不宜過大。目前大多空氣源熱泵采用限溫限位補水法。但這種補水方式無法從根本上解決熱水供應系統(tǒng)溫差波動較大的問題，建議空氣源設備能再增加冷水接管，并采用定壓補水方式，以保證熱水系統(tǒng)水溫的穩(wěn)定，就像家用熱水器一樣的補水方式。

3.2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)注意事項

設計過程中，下面的這些事項也是考慮的因素：

（1）本項目的設備和水箱安裝在樓頂，考慮其對樓面承重的影響，將基礎設在承重梁上。

（2）設備安裝時需要設置減震。

（3）考慮到設備和水箱的排水對屋面防水的破壞，所以將設備的冷凝水管道和水箱排污管道引向天溝，但是都不與雨水管直接相連接[12]。

（4）設備布置在屋面，考慮與其他專業(yè)設備的間距和檢修通道的位置。

（5）對于循環(huán)進水管，需要布置在水箱下部，但要高于熱水出水管，確保循環(huán)進水管路和循環(huán)水泵不會因缺水而導致水泵進氣，導致水循環(huán)量不夠產(chǎn)生機組高壓保護。水系統(tǒng)中設置膨脹水箱，為適應水系統(tǒng)因水溫變化而造成的水體積的變動。

（6）水系統(tǒng)在最高點設排氣閥，機組水管最低點設安裝排水閥。

（7）對于系統(tǒng)管路的安裝、防腐保溫、保護、支吊架、試壓等均按照規(guī)范執(zhí)行[12]，可以參照相關(guān)的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)程來執(zhí)行[5]。

4 結(jié)束語

空氣源作為清潔環(huán)保能源，越來越被政府和行業(yè)所認可，并且作為大力發(fā)展的能源方式?？諝庠礋岜脵C組尤其適合夏熱冬暖地區(qū)作為能源站制取生活熱水[7]，雖然設備選型、設備性能還存在問題，但是獨特的優(yōu)勢無法取代，作為環(huán)保能源的空氣源機組有更廣泛的應用空間。

[1]GB 50015—2009，建筑給水排水設計規(guī)范[S].

[2]商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機（GB/T 21362—2008）[S].

[3]GB 50366—2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4]鴻途.海水源熱泵系統(tǒng)工程應用中存在的問題[J]. 中國供熱信息網(wǎng). 2012.

[5]DB33/1034—2016，太陽能與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)程[S].

[6]GB 50189—2015，公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[7]福建省居住建筑節(jié)能設計標準（J 10441—2014） [S].

[8]徐揚綱.給水排水設計手冊（ 第12冊）器材與裝置[M]. 第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[9]中國建筑標準設計研究院. 全國民用建筑工程設計技術(shù)措施—給水排水 2009版[M]. 北京：中國計劃出版社，2009.

[10]仇保興.給水排水設計手冊（ 第02冊） 建筑給水排水[M]. 第三版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[11]呂永剛.太陽能與空氣源熱泵綜合設計方案[J] .制冷，2009（3）：74-76.

[12]GB 50242—2002 ，建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

Application of Air Source Heat Pump System

Sheng Naihu
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Through the detailed discussion of heat sources, it was determined to use air as the heat source. Then combined with practical examples, the design procedure, the notes in design and design experience of hot water system by using air source pump were stated.

water source; solar energy; air source; air source pump

TU 833

：A

：2095-817X（2017）04-0054-004

三部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于深入推進信息化和工業(yè)化融合管理體系的指導意見》

（陳 曦）

2016-07-06

盛乃虎（1979—），男，工程師，研究方向：給排水工程、消防工程、地下管網(wǎng)工程及污水處理工程。

2017年6月26日，工業(yè)和信息化部、國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會、國家標準化管理委員會聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于深入推進信息化和工業(yè)化融合管理體系的指導意見》（工信部聯(lián)信軟〔2017〕155號），明確了系統(tǒng)推進兩化融合管理體系標準建設和推廣工作的指導思想、工作目標、重點任務和保障措施?！吨笇б庖姟肥侵笇苫诤瞎芾眢w系工作的頂層設計和行動綱領，對于加快推廣普及兩化融合管理體系標準、持續(xù)推進兩化深度融合、服務制造強國和網(wǎng)絡強國建設具有重要意義。