淺議空氣源熱泵供暖系統(tǒng)

郭娟

（湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412000）

近年來，北京市為解決冬季燃煤供暖帶來的環(huán)境污染問題，率先在農(nóng)村地區(qū)開展“煤改清潔能源”的低溫空氣源熱泵供暖改造。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年北京市共完成空氣源熱泵供暖改造15.1萬戶。

隨著人們生活水平的提高，我國長江流域冬季供暖的呼聲越來越大，該地區(qū)夏季炎熱、冬季陰冷，全年高濕，室內(nèi)環(huán)境惡劣。為滿足該地區(qū)的室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性要求，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究，在能源緊張的大環(huán)境下，空氣源熱泵系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注。美國能源部把空氣源熱泵列為21世紀(jì)最具節(jié)能潛力空調(diào)技術(shù)措施之一，歐盟在2009年將其納入可再生能源技術(shù)范疇，我國業(yè)內(nèi)研究學(xué)者也多次建議將其納入可再生能源范疇。

1 空氣源熱泵的特點(diǎn)

空氣源熱泵機(jī)組就是利用室外環(huán)境中的空氣能量，機(jī)械做功后，將能量從低位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移的熱泵裝置，可利用冷凝熱來提供生活熱水，從而配置成熱回收型機(jī)組。我國長江流域夏熱冬暖地區(qū)具有夏季高溫悶熱，冬季陰冷潮濕的氣候特點(diǎn)，但由于該地區(qū)供暖期短，且我國能源緊張，不宜選用集中供暖形式，空氣源熱泵具有節(jié)能、冷熱兼供、無需冷卻水和鍋爐等優(yōu)點(diǎn)，適用于我國夏熱冬冷地區(qū)作為中央空調(diào)的冷熱源。

空氣源熱泵和水源熱泵相比初投資可低30%～50%，在沈陽，空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用和集中供暖的運(yùn)行費(fèi)用相差不大，但比燃?xì)獗趻鞝t供暖的運(yùn)行費(fèi)用少15%以上，比電采暖少60%以上。它具有一機(jī)多用、節(jié)能、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)?？諝庠礋岜脵C(jī)組在低溫高濕的環(huán)境中使用時(shí)，常出現(xiàn)換熱器表面結(jié)霜，壓縮機(jī)頻繁啟停，供熱能力降低，需要定期除霜才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化

2.1 冷熱源優(yōu)化

常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組采用單級(jí)壓縮循環(huán)，在我國華北、西北等寒冷地區(qū)使用時(shí)制熱能力衰減，無法在冬季正常運(yùn)行。隨著產(chǎn)品的研發(fā)更新，先后出現(xiàn)了帶油冷卻的單級(jí)壓縮系統(tǒng)、準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)、二級(jí)壓縮系統(tǒng)、復(fù)疊式系統(tǒng)、多種能源形式的復(fù)合系統(tǒng)等。目前，已經(jīng)研制出適用于寒冷地區(qū)的低環(huán)境溫度空氣源熱泵機(jī)組，可在室外溫度不低于-20℃時(shí)制取30～50℃的供暖熱水。隨著技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低環(huán)境溫度空氣源熱泵的改進(jìn)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，使其能適用于寒冷地區(qū)供暖。

空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜問題飽受詬病，在室外溫度較低的寒冷地區(qū)使用時(shí)易結(jié)霜，結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前，常用的除霜方法主要有：逆循環(huán)除霜、熱氣旁通法除霜、蓄能除霜和工質(zhì)過冷除霜法。前兩種除霜措施均存在能量供給不足、效率不高、系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)；蓄能除霜可以克服能量補(bǔ)給的不足，但結(jié)霜時(shí)系統(tǒng)制熱量衰減、除霜時(shí)不能供熱、相變材料的性能穩(wěn)定性問題都有待改進(jìn)；工質(zhì)過冷除霜法可提高理論制熱系數(shù)，但采用噴射膨脹閥會(huì)增加設(shè)備成本。

有學(xué)者提出無霜空氣源熱泵，該系統(tǒng)采用加熱再生方式，再生效率低，供熱能效不高。郭浩增等人提出多熱源輔助除霜法，該方法主要是通過儲(chǔ)存用電低峰期的制熱量和太陽能等多種熱源，實(shí)現(xiàn)多種熱源輔助除霜的目的。余延順等人提出冷凍再生的溶液除霜型空氣源熱泵機(jī)組，該機(jī)組運(yùn)用鹽溶液噴淋的方式除霜，除霜完成后的稀溶液再采用冷凍方式使其再生，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)供熱，溶液再生方式由加熱法改進(jìn)為冷凍法，再生過程能耗降低。

2.2 輸配系統(tǒng)優(yōu)化

空氣源熱泵系統(tǒng)耗電主要來自空氣源熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵。楊強(qiáng)等人選用15個(gè)北京地區(qū)的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)案例進(jìn)行了性能測(cè)試，為期60天。通過典型日的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：在定頻系統(tǒng)中采用循環(huán)水泵與機(jī)組聯(lián)動(dòng)的控制方式，與在變頻系統(tǒng)中循環(huán)水泵采用根據(jù)供回水溫差變轉(zhuǎn)速控制方式，都有降低電耗和EHR，達(dá)到運(yùn)行節(jié)能的目的。

2.3 末端優(yōu)化

空氣源熱泵系統(tǒng)末端主要有風(fēng)機(jī)盤管、散熱器、地板輻射等。

我國南方夏熱冬冷地區(qū)供暖期短，建筑室內(nèi)外溫差不大，熱負(fù)荷較小，且負(fù)荷波動(dòng)大，具有間歇、局部和多樣化的供暖特點(diǎn)。目前多采用風(fēng)機(jī)盤管做為系統(tǒng)末端，由于氣流組織問題，熱空氣難以送達(dá)人員活動(dòng)區(qū)，室內(nèi)豎向溫度梯度大且有吹風(fēng)感，與地板輻射供暖相比熱舒適性差，但夏季采用輻射供冷易結(jié)露，所以冬夏難統(tǒng)一。

李沛珂等人設(shè)計(jì)了一種小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管作為空氣源熱泵系統(tǒng)末端，該末端具有厚度薄、低噪、熱效率高等特點(diǎn)，采用小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管的空氣源熱泵系統(tǒng)可有效降低熱泵機(jī)組在冬季的冷凝溫度，提升系統(tǒng)的性能系數(shù)。

我國北方地區(qū)多采用散熱器、地板輻射盤管等持續(xù)供暖時(shí)間長，供暖效果更好的末端形式。

潘雷剛等人對(duì)北京地區(qū)采用不同末端形式的典型案例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比發(fā)現(xiàn)：新、舊散熱器、地板輻射盤管的折算費(fèi)用年值分別為21.11，24.17，17.00元/m2。

唐海達(dá)等人對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)末端為混凝土輻射地板和風(fēng)機(jī)盤管供暖效果和系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：在持續(xù)供暖情況下，地板輻射供暖的熱舒適性優(yōu)于風(fēng)機(jī)盤管供暖；在相同室溫時(shí)，兩者的供熱量相當(dāng)，而前者的系統(tǒng)能效比后者高14%；在間歇供暖情況下，風(fēng)機(jī)盤管具有更快速的啟動(dòng)性能，熱響應(yīng)時(shí)間短，熱舒適性更好。

3 結(jié)語

為提高空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱能效，主要從以下幾個(gè)方面著手。

（1）高效的空氣源熱泵機(jī)組、末端設(shè)備的研制優(yōu)化。

（2）統(tǒng)一產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的系統(tǒng)末端形式，制定相應(yīng)的空氣源熱泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，如采用地板供暖的空氣源熱泵系統(tǒng)，由于地板供暖的供水溫度低，若采用出水溫度較高的空氣源熱泵機(jī)組，則不利于系統(tǒng)的節(jié)能。

（3）合理的系統(tǒng)配置，空氣源熱泵系統(tǒng)的末端應(yīng)根據(jù)建筑使用情況和地區(qū)氣候特點(diǎn)合理選擇，當(dāng)房間以連續(xù)供暖為主時(shí)，可采用輻射末端；當(dāng)房間以間歇供暖為主時(shí)，可選用輻射供暖和對(duì)流供暖的高效末端產(chǎn)品，如小溫差換熱風(fēng)機(jī)盤管等。

隨著空氣源熱泵機(jī)組的能效不斷提高，設(shè)備除霜技術(shù)的成熟，末端產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)優(yōu)化，空氣源熱泵系統(tǒng)，特別是空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在我國南、北方地區(qū)都將有著廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。