青海新能源(集团)有限公司 青海西宁
摘要:空气源热泵既有建筑增设地板辐射供暖时应考虑荷载,尽量采用干式地板供暖,并考虑局部供暖和家具摆放遮挡。
关键词:空气源热泵 供热 改造 节能
一、空气源热泵基本介绍
空气源热泵是根据逆卡诺原理,通过把太阳能和空气能经内耦合系统,共同作为蒸发器采集热源的热泵系统。
1、工作原理
遵循逆卡诺原理,整合太阳能、空气能、地源热泵等领域的创新科技,利用相变介质吸收太阳能或空气能及其低品位热能,采用“EVI喷气增焓+双级压缩+双级蒸发内耦合”创新设计。制冷剂从空气中提取低品位的热量,被蒸发变成气态,进入压缩机的吸气腔,被压缩机绝热压缩后,压力升高,温度升高,成为高温高压的气体,从压缩机的排气口,排到冷凝器内,在冷凝器中,把热量交换给低温的水,制出高温的水,自身冷凝成高压的液态,并通过节流装置,成为低温低压的液态,回到蒸发器蒸发,再回到压缩机,周而复始的循环。
2、空气源采暖
空气源热泵用于采暖,主要解决低温下的效率低的问题,低于零下七度的制热效果。这时候要达到使用效果,由于供热设备的未端不一样,要适用于地暖和散热片等形式的采暖设备,如中温散热片也要达到50-55度的进水温度,所以要求空气源热泵采暖,在低温环境下,也要出水温度达到50—55度。对于散热片,进水温度越高,单位面积制热量越大,进水温度低,就需要增加散热器的数量,使用成本会相对增加。
3、空气源热泵供暖系统末端选择
空气源热泵供暖具有诸多优点,但使用受到环境温度的限制,不同区域、不同末端设备设计时应考虑以下问题。
室内供暖计算温度:根据GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定,南北方室内设计温度不同:严寒和寒冷地区主要房间应采用18℃~24℃;夏热冬冷地区主要房间宜采用16℃~22℃。
低温地板供暖提高了舒适度,可有效节约能源;不占房间的有效使用面积,可以自由地装修墙面、地面和摆放家具;具有非常好的隔音效果,减少楼层噪音。
对于新建与既有建筑增设供暖设施要加以区别:新建住宅可完全按设计规范规定进行,而既有建筑增设供暖设施要考虑住户的具体要求,可进行局部主要房间加装供暖设施。地面饰面层应采用热阻小的材料,各环路长度应尽可能一致,并加设调节和环路关断阀门。
二、设计研究
本方案是基于一栋位于青海省玉树地区的一栋独立建筑物(建筑面积100m2)做定量分析。方案选择于建筑物屋内安装一套空气源热泵采暖系统。根据房间供热要求,得出采暖系统的配置参数,包括冷媒循环系统、循环介质(水循环系统)、水箱、散热系统等。
1、空气源热泵相对优势
以空气源热泵应用于供暖(水地暖)为例,热泵机组设备内专置一种吸热介质——冷媒,它在液化的状态下低于零下20℃,与外界温度存在着温差,因此,冷媒可吸收外界的热能,在蒸发器内部蒸发汽化,通过热泵机组中压缩机的工作提高冷媒的温度,再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态,在转化过程中,释放出大量的热量,传递给水箱中的储备水,使水温升高,达到制热水的目的。之后,冷媒经过膨胀阀的节流后,再次变为低温液态被运送至蒸发器内,进行下一个循环。
以目前空气源热泵的平均市场售价而言,一般会在一年半以内通过节能方式将成本收回,锅炉等其它供热方式一般使用寿命在8—10年,而热泵机组的使用寿命可长达15年。
2、两种常用末端供暖方式的对比
(1)空气源热泵+地面辐射供暖
优点:节能、运行费用低;舒适性高;系统具有一定的蓄热功能,热稳定性好,能有效抵消空气源热泵极端天气时的制热功率波动,使系统运行更稳定、可靠。
缺点:既有建筑改造会破坏原有地面;对于楼房建筑还会降低房间高度;如出现施工质量问题,维护困难。
(2)空气源热泵+散热器供暖
优点:替代简单,可直接替代原有锅炉热源;与直接电供暖方式相比,节能效果显著;与电锅炉供暖方式相比,节约了电力增容费用。
缺点:高温供暖,室内升温慢,热舒适性差,占有一定的空间。
3、末端设备热媒温度
空气源热泵供应的热水温度越高,能效比越低。空气源热泵供暖末端采用的地板辐射供暖、散热器供暖,由于散热方式不同,采用的热水温度也有所不同。
GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第3.1.1条规定:热水地面辐射供暖系统的供、回水温度应由计算确定,供水温度不应大于60℃,供回水温差不宜大于10℃且不宜小于5℃,民用建筑供水温度宜采用35℃~45℃。
GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第5.3.1散热器供暖系统应采用热水作为热媒;散热器集中供暖系统宜按75℃/50℃连续供暖进行设计,且供水温度不宜大于85℃,供回水温差不宜小于20℃。对于散热器集中供暖,空气源热泵供暖热水温度按75℃/50℃设计仍使能效比处在不合理的工况下,如果高温供暖,应考虑复合热源的方式,空气源热泵是典型的解决方案。
4、总热量计算
供暖面积设计时不能按照最大负荷来确定,不然会造成集热面积过大、集热系统效率过低、经济性差。设计时要按照供暖期的平均热负荷确定面积,这样可以获得较好的系统经济性。
建筑物热负荷计算
建设地点:玉树地区;
建筑面积:100㎡;
建筑高度:2.8m;
围护结构传热系数(W/㎡℃):
外墙 :0.6; 外窗:2.7; 屋面:0.55; 外门 :4.5; 地面:0.76;
室外计算参数:供暖室外计算温度 -14℃;
冬季室外平均风速:1.4m/s;
供热前室内平均水温:5℃;
供热后室内温度:18℃;
拟开展项目供暖住宅经过节能改造,热指标取为45W/m2。
按照国标经验值,散热系统效率取0.8,每平方米散热的热能为9.9 MJ/㎡。每天按照地暖持续运行10小时计算,房间热负荷系数取0.5,房间总的热负荷换算后热量为:Q1=4500×0.8×10×3600/106=129.6MJ。
根据当地冬季气温,参照《建筑给排水设计规范》建筑内部热水供应系统计算方式,根据热负荷温差来计算总热量加热时间及运行费用,其计算公式如下(假设平均水温为5℃):
(1)总热量计算:
① 设水温5℃升至50℃
② 热水1000L。
③加热所需的热量:
Q=1000L×〔50℃-5℃〕×1kcat/℃.kg=45000kcat
单位换算:1kcaI=1.163W.h
④ 总热量:Q=52335W=52.335KW
⑤ 设机组加热10小时计算:Q每小时制热量=5.2335KW
5、有关运行数据计算及设备材料的确定
根据以上每小时需要的制热量来选择热泵的型号和台数。通常面积为100m3,所需1台热泵源主机供热量功率为2.5KW,蓄热水箱容积大约1000L的1台,循环水泵1台,辅助加热装置1套、散热器、管道等部分组成。
6、经济效益分析
空气源热泵系统的年节约费用Cs按下式计算
=P×
-M
=0.28×
-900=1607.3元/年
本方案空气源热泵供热比传统能量(煤)供热一年能节约1607.3元,则项目投资回收期为15年。
因此,采用空气源热泵来做独立供暖系统,相对于其他采暖方式,在安全性,综合造价,使用寿命,使用条件限制方面具有明显优势,还可以节约能源。