超低環(huán)溫空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的應(yīng)用分析

劉旭峰

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610000）

伴隨著能源短缺和環(huán)境污染問題的日漸突出，人們對建筑的能耗問題給予了更多關(guān)注。而在建筑能耗中，空調(diào)和供熱能耗將達(dá)到56～58%。相比較而言，空氣源熱泵具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，用于建筑供暖可以減少建筑能耗。但是在高寒地區(qū)，普通的空氣源熱泵難以保持較高的運(yùn)行效率，容易出現(xiàn)制熱不足等問題。采用超低環(huán)溫空氣源熱泵，則能使熱泵擺脫這些因素的限制。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對超低環(huán)溫空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的應(yīng)用，從而更好的進(jìn)行該種熱泵的應(yīng)用。

1 超低環(huán)溫空氣源熱泵的原理及性能

超低環(huán)溫空氣源熱泵即能夠在超低環(huán)境溫度下通過吸收空氣熱量和轉(zhuǎn)移熱量實(shí)現(xiàn)制熱功能的一種熱泵系統(tǒng)。該種熱泵遵循逆卡諾循環(huán)原理，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流機(jī)構(gòu)組成。在工作過程中，賦存于蒸發(fā)器中的低溫液態(tài)制冷劑會從外界空氣中吸收熱量，通過汽化轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏卣羝?。壓縮機(jī)在吸入蒸汽后，會將其壓縮成高溫高壓的蒸汽并排出。在高壓氣態(tài)制冷劑被冷凝器吸入后，會與加熱物質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱交換，實(shí)現(xiàn)熱量的釋放，使冷凝液化，成為高壓液體。經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)，液體壓力將隨之下降，成為低溫低壓的液體，并進(jìn)入蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)。

超低環(huán)溫空氣源熱泵是針對高寒地區(qū)氣候的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，通過對傳統(tǒng)壓縮機(jī)、制冷劑等設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，能夠完成在超低環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)對高效制熱的熱泵系統(tǒng)的研發(fā)。從熱泵性能上來看，在環(huán)境溫度達(dá)到-30℃的條件下，熱泵中熱水的進(jìn)水溫度達(dá)40℃，出水溫度達(dá)45℃，蒸發(fā)溫度達(dá)-40℃，制熱量為23．3kW，系統(tǒng)功耗 10．7kW，制熱效比為 2．18。2 超低環(huán)溫空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 實(shí)用性優(yōu)勢

在建筑供暖方面，主要采取的方式有3種，即空調(diào)熱風(fēng)采暖、地板輻射采暖和散熱器采暖，擁有各自的節(jié)能熱舒適性和導(dǎo)熱方式。在高寒地區(qū)，以往通常采用散熱器的采暖方式，要求系統(tǒng)供水溫度達(dá)95℃，回水溫度則能達(dá)到70℃，在熱泵的使用上有較高的冷凝溫度要求，需采用二級壓縮方式獲得更高的冷凝溫度，并且需要通過增減散熱器數(shù)量滿足不同房間的采暖需求。采用空調(diào)采暖方式，需要通過上部送風(fēng)，熱氣上高下低，想要使房間溫度達(dá)到18℃，熱媒溫度需達(dá)到50～60℃，將產(chǎn)生較大的熱量消耗。采用地板輻射的采暖方式，熱媒溫度在40℃左右，且不占房間的有效面積，具有較好的均勻換熱效果。無論采用哪種供暖方式，都能選用適合的空氣源熱泵。但是在高寒地區(qū)，采用空氣采暖和散熱器采暖方式消耗的熱量較多。將地板輻射采暖與超低環(huán)溫空氣源熱泵結(jié)合在一起，可以選擇的熱泵規(guī)格齊全，并且能夠消除傳統(tǒng)供熱方式可能帶來的中毒、易燃、易爆等危險(xiǎn)，同時(shí)也能使系統(tǒng)結(jié)合室內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)自動供熱控制，增強(qiáng)室內(nèi)舒適性，因此具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2.2 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢

從經(jīng)濟(jì)性角度來看，超低環(huán)溫空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用較低。目前，熱泵熱源的種類主要?jiǎng)澐譃?種，即土壤源、水源和空氣源。采用不同的熱源，需要采用不同的壓縮器。相較于其它熱源，空氣源的換熱器較大，可以借助螺桿機(jī)將采用其它熱源獲得的7～70kW供熱范圍擴(kuò)大大700kW。與土壤、水源利用相比，空氣源熱泵的投入費(fèi)用更低，收益率較高。比較運(yùn)行費(fèi)用可以發(fā)現(xiàn)，采用電加熱設(shè)備每天需運(yùn)行16h，每平米約52．6元。采用水熱泵等供暖設(shè)備，運(yùn)行時(shí)常為24h，每平米在24～30元之間。采用空氣源熱泵，可以使設(shè)備保持24h低耗能運(yùn)行，費(fèi)用每平米僅11．2元，因此更具有經(jīng)濟(jì)性。

2.3 環(huán)保性優(yōu)勢

在供熱領(lǐng)域，供熱小于3．0的產(chǎn)品就被定義為非節(jié)能產(chǎn)品。但是不同于其它熱泵系統(tǒng)，空氣源熱泵消耗的資源為空氣，在能源消耗方面具有一定的優(yōu)勢。不同于普通的空調(diào)機(jī)，空氣源熱泵的操作更加便利，具有較強(qiáng)的自主性，能夠采取按戶管理的方式。安裝該種熱泵，無需進(jìn)行專門的機(jī)房建設(shè)，也無需投入大量管理者，所以能夠在節(jié)省土地資源的同時(shí)，減少人力消耗。從節(jié)能的角度來看，普通電熱水鍋爐的能效比不超出0．95，燃?xì)狻⑷加湾仩t在 0．6～0．8 之間，燃煤鍋爐在 0．5～0．7 之間。而空氣源熱泵則能達(dá)到1以上，因此具有較強(qiáng)的節(jié)能性。采用該種熱泵，可以減少燃燒物、煙氣的排放，不會給大氣和環(huán)境帶來污染，因此能夠更好的滿足國家的節(jié)能環(huán)保要求。

3 超低環(huán)溫空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的具體應(yīng)用

3.1 工程概況

某建筑位于四川省甘孜藏族自治州，該地區(qū)屬于高寒地區(qū)，建筑面積2200m2，包含辦公區(qū)、宿舍區(qū)、餐廳、活動室等區(qū)域，整體為兩層結(jié)構(gòu)。建筑所在區(qū)域的冬季環(huán)境溫度低于-30℃，空氣密度僅能達(dá)到平原地區(qū)的60%。

3.2 應(yīng)用方案

在工程投入使用階段，考慮到工程所處地區(qū)較為偏遠(yuǎn)，難以接入市政供暖系統(tǒng)和燃?xì)?，同時(shí)煤油運(yùn)輸費(fèi)用較高，所以排除了燃煤鍋爐、電鍋爐等傳統(tǒng)的供暖方式。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，也難以實(shí)現(xiàn)“全天候”太陽能供熱。當(dāng)?shù)啬芰髅芏容^小，需要較大投資才能實(shí)現(xiàn)大面積集熱，所以采用電加熱方式將消耗大量的能源。采用地源熱泵技術(shù)，將遭遇高原凍土不宜輕易擾動的問題。綜合考慮建筑的供熱需求，需要采用超低環(huán)溫空氣源熱泵的供暖方案。在方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)合建筑的采暖面積和結(jié)構(gòu)，采暖總熱負(fù)荷將達(dá)到120kW。在環(huán)境溫度達(dá)到-30℃的條件下，還要采用5臺FSCH30L1超低環(huán)溫空氣源熱泵為建筑供暖。熱泵的進(jìn)水溫度設(shè)定為40℃，出水溫度為45℃。由于熱泵系統(tǒng)體積較小，既可以在室內(nèi)安裝，也能在室外擺放。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，可以實(shí)現(xiàn)全自動控制，無需安排人進(jìn)行監(jiān)管。

考慮到高寒地區(qū)天氣寒冷，同時(shí)空氣密度較小，針對壓縮機(jī)回氣量小的問題，還要采用增補(bǔ)回氣的方式進(jìn)行解決。因?yàn)樵诔蜏毓r下，蒸發(fā)機(jī)將實(shí)現(xiàn)大量的空氣壓縮，造成制冷劑比容下降，繼而導(dǎo)致壓縮機(jī)質(zhì)量流率不高，產(chǎn)生空氣質(zhì)量惡化的問題。而排氣溫度的提升，容易導(dǎo)致熱泵電機(jī)被燒毀。因此，還要在回氣與冷凝器的出口位置加裝盤管，實(shí)現(xiàn)回氣滴液和出口液體的交換，使壓縮機(jī)的回氣量得到提高。

針對超低環(huán)溫空氣源熱泵的除霜問題，在高寒地區(qū)，熱泵將遭遇空氣中絕對含濕量較大的問題，除霜?jiǎng)t會導(dǎo)致熱泵的供暖效果受到影響。為解決該問題，可以進(jìn)行冷回?zé)岷图友b毛細(xì)旁通系統(tǒng)，使系統(tǒng)的吸氣和排氣壓力得到適當(dāng)提高，從而使制冷劑的循環(huán)量增加。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的性能將得到改善，使冷回?zé)岷罂諝鈧?cè)的能力增強(qiáng)，確保除霜的過程中不會造成機(jī)組的負(fù)荷過大，繼而使熱泵系統(tǒng)保持高效運(yùn)行。

3.3 應(yīng)用效果

從超低環(huán)溫空氣源熱泵的應(yīng)用效果來看，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比較，該種熱泵在環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)依然可以保持高效運(yùn)行。而傳統(tǒng)的空氣源熱泵在溫度低于-30℃時(shí)，出現(xiàn)了無法開機(jī)的情況，需要利用輔助熱源才能正常運(yùn)行，能效比低于1。但是采用超低環(huán)溫空氣源熱泵，可以在-30℃時(shí)保持2．18的制熱效率，無需采用輔助熱源就能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。經(jīng)過了一個(gè)冬季，熱泵在全天的平均效能可以達(dá)到2．5，相較于電鍋爐約節(jié)省50%的電能。而熱泵系統(tǒng)無需全天候運(yùn)行就能給建筑提供足夠的熱能，日常維修也較為便利。

4 結(jié)語

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，超低環(huán)溫空氣源熱泵不僅具有較強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)能夠節(jié)省大量的能源，減少熱泵運(yùn)行給環(huán)境帶來的污染，所以能夠更好的滿足建筑的節(jié)能減排和運(yùn)行要求。在高寒地區(qū)采用該種熱泵，不僅可以解決地區(qū)的熱源供應(yīng)難題，同時(shí)也能夠保持高效供暖，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，相信在高寒地區(qū)，超低環(huán)溫空氣源熱泵可以得到較好的應(yīng)用前景。

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