高寒地区空气源热泵供暖实证研究

高寒地区空气源热泵供暖实证研究

陈芝俊

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。