大溫差空氣源熱泵在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

王沾瑛

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司第三供熱分公司，山西太原 030000）

0 引言

在供暖工程建設(shè)中，空氣源熱泵的應(yīng)用不僅需要重點關(guān)注熱泵機(jī)組設(shè)備的質(zhì)量性能情況，確保其能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定、安全運行，同時也必須充分考慮到整個空氣源熱泵系統(tǒng)的運行效率、建設(shè)成本、能耗、末端匹配性等實際情況，使熱泵系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有充分可行性，而在傳統(tǒng)空氣源熱泵存在諸多不足的情況下，對于大溫差空氣源熱泵的實際應(yīng)用展開探究，顯然是十分必要的。

1 空氣源熱泵的運行原理

空氣源熱泵通常都是由壓縮機(jī)、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷凝器四部分構(gòu)成，實際運行時會依靠持續(xù)供應(yīng)的高品位能源（一般為電能）來驅(qū)動壓縮機(jī)，將處于低溫、低壓狀態(tài)的氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的氣態(tài)制冷劑，并輸送到冷凝器中，以冷凝放熱的處理方式逐漸轉(zhuǎn)換為液態(tài)制冷劑。高溫、高壓的液態(tài)制冷劑會繼續(xù)輸送到膨脹閥中，經(jīng)過節(jié)流膨脹處理轉(zhuǎn)換為低溫低壓的液態(tài)制冷劑，最后再經(jīng)過蒸發(fā)器的蒸發(fā)處理與以及風(fēng)扇的持續(xù)促進(jìn)空氣流動，使低溫低壓制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)吸熱后，再度轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)制冷劑，進(jìn)入下一循環(huán)中[1]。

2 大溫差空氣源熱泵的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 能耗較低

從原理上來看，空氣源熱泵機(jī)組雖然能夠通過促使制冷劑持續(xù)循環(huán)的方式，將熱量從室外低溫?zé)嵩闯掷m(xù)轉(zhuǎn)移至室內(nèi)高溫?zé)嵩矗苊庖蛄硗庠O(shè)置熱源而消耗過多能源，但卻需要保持較小的供回水溫差（通常為5℃），并依靠較大的水流量來保證換熱效率與系統(tǒng)運行安全性，水泵及整個系統(tǒng)的實際能耗仍然會顯得比較高。據(jù)中國節(jié)能協(xié)會公布的供暖季熱泵系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，空氣源熱泵系統(tǒng)中水泵的實際耗電量，通常會占整個供暖系統(tǒng)總耗電量的40%～50%，這顯然不符合當(dāng)前供暖行業(yè)的節(jié)能減排發(fā)展理念[2]。

而采用大溫差供回水設(shè)計的空氣源熱泵，則可以改變傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計思路，將整個供回水溫差提升至10℃或15℃左右。這樣一來，熱泵機(jī)組設(shè)備無須再為了保持小溫差、大流量，采用高性能的水泵，而在水泵選型配置明顯減小的情況下，其運行時的能耗自然也會隨之大大降低。例如，在供回水額定設(shè)計溫差為15℃的情況下，相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵，大溫差空氣源熱泵系統(tǒng)中水泵的能耗通?？山档?0%～80%，而HSPF（供暖系統(tǒng)在供暖季的性能系數(shù)）數(shù)值則會降低60%左右。

2.2 投資成本低

在供暖鍋爐系統(tǒng)改造工程中，由于傳統(tǒng)空氣源熱泵機(jī)組具有小溫差、大流量的特點，因此在進(jìn)行熱力管網(wǎng)、末端的改造施工時，往往都需要使用大規(guī)格的管道，末端建設(shè)規(guī)模也較大，這些都會使工程的前期投資成本大大增加，并給供暖工程中的空氣源熱泵推廣應(yīng)用帶來巨大困難。而采用大供回水溫差設(shè)計的空氣源熱泵，則可以在保留傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢的前提下，提高系統(tǒng)供回水設(shè)計溫差，大大降低管道規(guī)格、末端建設(shè)規(guī)模規(guī)格等方面的要求，最終達(dá)到協(xié)調(diào)熱遠(yuǎn)端與供暖末端設(shè)計要求、降低鍋爐改造工程前期投資成本的目的[3]。

2.3 末端供暖效果穩(wěn)定

傳統(tǒng)空氣源熱泵對供回水溫差的要求非常嚴(yán)格，如果系統(tǒng)設(shè)計、施工階段出現(xiàn)了問題，使供回水溫差超出設(shè)計要標(biāo)準(zhǔn)，那么末端供暖效果就很容易出現(xiàn)波動，使采暖用戶的室內(nèi)供暖舒適性受到影響。但在專門對空氣源熱泵進(jìn)行大供回水溫差設(shè)計的情況下，卻無須擔(dān)心這一問題，由于熱泵的供回水溫差與干球溫度直接相關(guān)，因此在系統(tǒng)運行階段，通常只需小幅度提高熱泵的供水溫度，就可以將熱泵系統(tǒng)的供回水溫度平均值控制在與傳統(tǒng)空氣源熱泵大致相同的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到保證末端輻射散熱量、控制采暖用戶室內(nèi)溫度波動的目的，使室內(nèi)供暖舒適性得到保證[4]。

3 大溫差空氣源熱泵在供暖系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

3.1 設(shè)計階段

由于大溫差空氣源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵的運行原理基本相同，因此二者在應(yīng)用于供暖系統(tǒng)時，其設(shè)計思路也比較相似，都需要把握好機(jī)組性能、進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度、排氣口排氣速度等方面的細(xì)節(jié)。通常情況下，大溫差空氣源熱泵系統(tǒng)的冬季工況時機(jī)組性能系數(shù)，應(yīng)以冷熱風(fēng)機(jī)組不小于1.8、冷熱水機(jī)組不小于2.0 為標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組的進(jìn)風(fēng)口氣流速度與排氣口排風(fēng)速度的控制要求則分別為1.5～2.0m/s、7m/s 以上。若供暖系統(tǒng)位于冬季室外計算干球溫度低于-10℃的地區(qū)，則必須使用專門的低溫空氣源熱泵機(jī)組，在室外溫度低于熱泵平衡點溫度的情況下，還要為熱泵系統(tǒng)增設(shè)輔助熱源[5]。

另外，在大溫差空氣源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計階段，還要注意做好溫度測算工作，將冬季空調(diào)室外計算干球溫度、夏季空調(diào)室外計算濕球溫度、室外計算溫度等確定下來，并根據(jù)這些溫度數(shù)據(jù)來合理選擇熱泵機(jī)組，明確空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)。例如，某地區(qū)的夏季計算干球溫度為33.4℃，計算濕球溫度為26.9℃，冬季計算干球溫度為-11℃，設(shè)計大溫差空氣源熱泵系統(tǒng)時，選擇了螺桿式水源熱泵機(jī)組，并在冬季水源側(cè)接地?zé)嵛菜畵Q熱器，具備100t/h 的40℃地?zé)峁┡菜Ｍ瑫r，在空調(diào)計算總熱負(fù)荷為3480kW 的情況下，冷熱符合指標(biāo)分別為98W/m2以及31W/m2。

3.2 安裝階段

大溫差空氣源熱泵與傳統(tǒng)空氣源熱泵在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上大同小異，基本都是由壓縮機(jī)、冷凝機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥、四通閥、水側(cè)換熱器、風(fēng)機(jī)等部件，安裝施工較為簡單，只需在實際安裝時把握好一些細(xì)節(jié)要點即可。例如，在機(jī)組設(shè)備運輸、搬運階段，應(yīng)充分考慮到機(jī)組內(nèi)部比較精密的特點，盡量選擇路況較好的公路，或是直接采用鐵路運輸?shù)绕渌\輸方式，并保證搬運時機(jī)組傾角在75°～105°（搬運方式應(yīng)為叉車搬運或滾動搬運），以免因運輸、搬運時出現(xiàn)磕碰而使機(jī)組設(shè)備損壞[6-8]。

在正式安裝階段，需要先將機(jī)組設(shè)備搬至安裝點附近的安全位置，進(jìn)行全面的開箱檢查[9]。其中拆箱操作應(yīng)按照頂板、側(cè)板、紙箱、底托盤的順序依次進(jìn)行，拆開后要注意查看機(jī)組設(shè)備外部是否存在損壞現(xiàn)象，并清點箱內(nèi)配件與裝箱清單是否匹配，查看設(shè)備所有部件是否出現(xiàn)損壞，以免使后續(xù)的設(shè)備運行受到影響。另外，為了盡可能延長空氣源熱泵機(jī)組的使用壽命，保證設(shè)備性能的可靠性，整個安裝過程必須嚴(yán)格按照說明書操作，并以整體落地的方式完成安裝，安裝位置應(yīng)設(shè)置在室外或樓頂。

而在連接機(jī)組管道時，則要先按照安裝說明將機(jī)組固定好，確定機(jī)組設(shè)備安裝牢固之后，再將符合機(jī)組技術(shù)參數(shù)的水泵、管材搬運至安裝現(xiàn)場，并對其質(zhì)量性能進(jìn)行復(fù)查，以免出現(xiàn)水泵性能符合要求、管材質(zhì)量不合格問題，使空氣源熱泵機(jī)組無法正常運行。確定水泵、管材無任何問題之后，應(yīng)開始對管道系統(tǒng)進(jìn)行全面清潔，將管道內(nèi)部的各種雜物清除干凈，并按照設(shè)計原理圖將內(nèi)部清潔的管路有序安裝起來，使所有水管都能夠布置合理，且處于橫平豎直的狀態(tài)，以免因管路彎曲過多而出現(xiàn)系統(tǒng)阻力損失增加的問題。在自來水給水管、主機(jī)和水箱登出的管路連接完畢后，應(yīng)立即組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行嚴(yán)密性水壓試驗與排污清理，確保整個管路連接到位、無漏水處，且系統(tǒng)內(nèi)部清潔。

3.3 運維階段

在大溫差空氣源熱泵機(jī)組安裝到位、投入運行后，還要注意做好開機(jī)前維護(hù)與日常運維工作。開機(jī)維護(hù)是指在每年冬季供暖開機(jī)之前，由專業(yè)人員向水循環(huán)回路中適量添加防凍液，以免機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)循環(huán)液上凍的故障現(xiàn)象，如主機(jī)周邊存放有雜物，則要將主機(jī)1m 范圍內(nèi)的雜物清理干凈，風(fēng)扇正面則要留出2m 左右的空地，以免因阻擋物距離過近而將冷風(fēng)送回主機(jī)。

日常運維工作主要是指冬季供暖時對空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)維護(hù)，由于日常維護(hù)的工作內(nèi)容比較煩瑣，因此必須要在工作制度中將機(jī)組維護(hù)要點明確下來，對有關(guān)維護(hù)人員提出嚴(yán)格要求。例如，在冬季氣溫低于0℃的情況下，應(yīng)盡量保證空氣源熱泵電源的持續(xù)供電，以免使機(jī)組設(shè)備、管路被凍壞。在熱泵機(jī)組設(shè)備供暖時會排放大量化霜水的情況下，需要考慮好化霜水的管道安裝位置及線路，確保化霜水排除后能夠快速清理干凈。如使用了熱水型空氣源熱泵機(jī)組，應(yīng)注意將機(jī)組設(shè)備地出水溫度控制在45℃以內(nèi)，并安裝地面輻射、風(fēng)機(jī)盤管散熱末端，以免因出水溫度過高而出現(xiàn)室內(nèi)溫度不穩(wěn)定、風(fēng)機(jī)盤管過熱等問題。

另外，在大溫差空氣能熱泵機(jī)組投入運行時間較長的情況下，往往都會出現(xiàn)一些運行故障，而為了盡可能降低故障的負(fù)面影響，避免機(jī)組設(shè)備出現(xiàn)二次故障，則需要用戶注意觀察壓縮機(jī)運行噪聲、啟停次數(shù)、吸氣管結(jié)霜情況以及冷凝壓力、吸氣壓力等細(xì)節(jié)，以便于及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，并對故障信息做出簡單判斷。在發(fā)現(xiàn)故障后，用戶需要及時向?qū)I(yè)維修人員匯報，或聯(lián)系廠家售后進(jìn)行報修，而不可由非專業(yè)人員擅自進(jìn)行拆卸、維修。

4 大溫差空氣源熱泵在供暖系統(tǒng)中應(yīng)用需要注意的問題

4.1 融霜控制

在將大溫差空氣源熱泵實際于供暖系統(tǒng)建設(shè)時，由于熱泵運行時會從室外熱源（以空氣為主）中吸收熱量，而需供暖區(qū)域的冬季室外空氣溫度又比較低，因此在空氣換熱階段（室外熱源向室內(nèi)熱源轉(zhuǎn)移熱量），空氣溫度與換熱器表面溫度都會不斷下降，一旦換熱器表面溫度下降至露點溫度，就很容易出現(xiàn)表面析濕現(xiàn)象，如換熱器表面溫度降低至0℃以下，其表面則會結(jié)霜，進(jìn)而直接影響整個機(jī)組設(shè)備的正常運行。面對這一問題，用戶不僅需要通過安裝四通換向閥等方式進(jìn)行除霜處理，同時還需要充分考慮到換熱器表面長時間結(jié)霜對熱泵機(jī)組設(shè)備能耗以及運行穩(wěn)定性、安全性的影響，根據(jù)供熱系統(tǒng)實際情況來采取合適的融霜方法，做好融霜控制工作，確保熱泵機(jī)組的融霜總用時在運行周期的20%以下。例如，在冬季溫度較高的中部地區(qū)，換熱器結(jié)霜程度不高，可采用除霜速度快的電熱除霜方法，基本無須考慮除霜的能耗、成本問題；而在冬季溫度較低的東北、西北等地區(qū)，則可以在綜合考慮除霜速度、能耗等多方面因素的情況下，采用成本較低、除霜速度比較理想的換向除霜方法。

4.2 設(shè)備基礎(chǔ)高度設(shè)計

在供暖系統(tǒng)大溫差空氣源熱泵的實際應(yīng)用中，由于熱泵機(jī)組設(shè)備運行時容易受到外界環(huán)境影響，出現(xiàn)周邊積水大量結(jié)冰、冷風(fēng)受地面雜物阻擋等情況，因此設(shè)備安裝階段必須要合理設(shè)置設(shè)備基礎(chǔ)高度，確?；A(chǔ)高度能夠在30cm 以上，以便于有效避開地面上可能會堆積的各種雜物。若機(jī)組設(shè)備安裝區(qū)域存在積雪風(fēng)險，則需要根據(jù)安裝位置的實際情況來對積雪高度進(jìn)行合理預(yù)測，并據(jù)此設(shè)計出相應(yīng)的基礎(chǔ)高度，以免因設(shè)備安裝區(qū)域大量積雪而影響通風(fēng)條件與制熱效果。若冬季降雪量過大，還要在降雪時注意檢查設(shè)備安裝區(qū)域積雪情況，并將可能影響到熱泵機(jī)組運行的積雪及時清除干凈。

5 結(jié)語

總而言之，隨著暖通空調(diào)行業(yè)的不斷發(fā)展，未來大溫差空氣源熱泵必然會在供暖系統(tǒng)中得到更多的應(yīng)用，而要想保證其應(yīng)用效果，在有關(guān)供暖工程建設(shè)中將大溫差空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，則需要熟悉了解傳統(tǒng)空氣源熱泵與大溫差空氣源熱泵間的區(qū)別，從設(shè)計、安裝施工、運維等方面入手，準(zhǔn)確把握這一熱泵設(shè)備的實踐應(yīng)用要點，同時對融霜控制、設(shè)備基礎(chǔ)高度設(shè)計等應(yīng)用問題加以注意。