空气源热泵系统的应用

盛乃虎

（上海茂盟医药化工工程技术有限公司，上海 201210）

空气源热泵系统的应用

盛乃虎

（上海茂盟医药化工工程技术有限公司，上海 201210）

通过对热源方式的详细论述，确定了选用空气源作为热源的形式。同时，结合工程实例，论述了空气源热泵热水系统的设计流程、注意事项和个人体会。

水源；太阳能；空气源；空气源热泵

建设分布式能源站在我国已成为重要的发展方向，能源站中热水供应系统热源方案的确定是至关重要的。能源站可以为能源供应发挥作用，为用户提供冷、热水等。本文针对分布式能源站中的热水供应系统，结合本地区项目的实际情况，通过对可再生资源太阳能、水源热泵、地源热泵、海水源热泵、空气源的详细论述，确定作为清洁能源的空气源作为最终热源的方式。

空气源热泵机组在我国已有10多年的应用，技术上空气源热泵是比较成熟的，应用也比较广泛。本文通过一个项目实例，论述应用空气源热泵中的一些切身感受，供大家参考。

工程背景：福建某商务营运中心智慧能源示范项目，该项目一期工程涉及整个商务营运中心的空调系统改造及增加生活热水供应系统。热水系统设备和空调设备均设置在室外屋面。其中生活热水设计最大日用水量200m3/d，设计最大时用水量50m3/h。气象资料：夏季室外计算干球温度36.0℃，夏季室外计算湿球温度28.1℃；冬季最冷月平均温度12℃；自来水的最低温度为10℃，年平均水温约为15℃。

该项目是智慧能源示范项目，建筑面积1×106m2。作为示范项目，在国家节能减排、技术升级的背景下，能源方式的选择成为本项目的焦点，工程的示范性对能源选择的方案提出了更高层次的要求，技术要先进、能源要清洁、运行费用要节省，热源势必要采用新能源。

1 热源方案的确定

能源站的热源选择众多：包括传统能源、工业余热、太阳能、水源（地表水及地下水）和空气源等自然热源。传统能源不在本项目考虑之列，项目周边没有富余的工业余热，因此太阳能、水源热泵、地源热泵、海水源热泵、空气源热泵等新能源就都放在方案备选之列。

水源热泵系统需要有丰富和稳定的水资源作为先决条件。水资源是最稀缺的和宝贵的资源，任何废物或水资源的污染都是绝对不允许的。若选用地表水源、地下水源，应经当地主管部门批准[1]，必要时还应进行水质、生态、环境方面的评估。水源热泵的影响因素众多：水质、水温、水量、浊度、含沙量；化学性质、pH值、硬度、矿化度、腐蚀性、溶解氧等[2]。地源热泵打井占地面积大[3]，适用性受到极大限制。当前地源热泵的回灌技术还不成熟，许多地质水的回灌速度远低于抽水速度，很难全部回灌到地下含水层内，地下水资源造成流失。此外，回灌也是一项艰巨的任务，以确保含水层不受污染，及时能够补给地下水。水源热泵设备维护费用较高，由于水质问题的缘故，需要经常清洗机组。另外，海水源热泵也属于是水源热泵，海水源热泵水源系统影响因素众多[4]：水质、取水水量、供回水口位置等直接影响系统运行效果。海水源热泵一次性投资大、维护费用高。

考虑到热源自身特点和地区能源政策、环保节能、燃料价格、水源条件等方面的影响，该项目热源选择的焦点就落在了太阳能和空气源两种新能源的选择上面。

1.1 太阳能和空气源的优势

太阳能和空气源都是清洁可再生能源——太阳能是依靠太阳光的直接照射或辐射达到制热效果，空气源热泵机组是以吸收环境空气中的热能来达到制热效果[5]；太阳能和空气源都可以设置在屋面；太阳能和空气源都有国家和地方政府颁布的法律法规的大力支持[6]；太阳能和空气源都需要用电——太阳能热水系统需要设置额外的辅助热源来保证稳定的热水供应，空气源热泵热水系统需要用电驱动热泵运行；太阳能和空气源都有对环境友好的优势——高效、节能、环保、安全；无任何废气、废水、废渣排放；太阳能和空气源的控制系统便捷，均可实现无人自动化智能控制、定期轮换运行和监测等；太阳能和空气源系统均为多台设备并网运行，即使某台设备出现故障，并不影响其它机组的正常运行，设备可实现互为备用。

此外，空气源作为热源的形式，还有其独特的优势。空气源热泵机组布置灵活，不影响建筑物美观；不受气象条件的影响，可以全天候提供热水；从投资方面而言，如达到相同供水效果，资金投入热泵热水机组比常规太阳能产品要少，运行时可以使用经济电能，在用电低谷时制热水储备；在福建推荐优先选用空气源[7]；空气源热泵机组全年平均运行成本只是电直接加热的1/4，常规太阳能的1/1.5[8]。

1.2 太阳能的局限性

太阳能作为热源，势必受到气象资料的影响，如日照时间长短、日照强度、日照角度以及极端最低气温、风雪雨露、昼夜更替等方面的影响，造成工作时间和效率有限。采用太阳能热源，常采用电热辅助系统的设计，电热是不被推荐的，建议优先采用空气源热泵热水机组作为太阳能系统的辅助热源[7]；太阳能设备占地面积大[9]，本项目空调系统和热水系统的设备均要求布置在室外屋面，所以太阳能集热器的占用空间受到了限制。太阳能系统的集热器布置需与建筑的外观设计统一协调，本项目又是改造工程，对建筑的外观协调，实在是个浩大的工程。

1.3 空气源与传统热源的性能对比

空气源与传统热源性能对比，通过表1结果是显而易见的。

综上所述，通过对多种能源的分析，结合对福建地区气候条件、本项目的实际情况以及福建地方的标准规范等综合情况的评比，最终决定选用空气源热泵作为本项目能源站热水系统的热源形式。

表1 空气源与传统热源性能对比Tab.1 Performance comparison table between air source and traditional heat source

2 空气源热泵热水系统的设计

本项目设计参数：生活热水设计最大日用水量200m3/d，设计最大时用水量50m3/h；气象资料：夏季室外计算干球温度36.0℃，夏季室外计算湿球温度28.1℃；冬季最冷月平均温度12℃；自来水的最低温度为10℃，年平均水温约为15℃。

式中m——水流量，m3；

C水——水的比热容，4.187 kJ/（kg·℃）；

Δt——供回水温差，℃ ；

ρ——水的密度，1 000kg/m3。

计算机组制热量：41 870MJ÷3.6MJ/kWh=11 631kW

设计采用空气源热泵机组12台。

冬季空气源热泵机组制热量：68kW

冬季最冷月机组运行时间：11 631÷( 68×12 )=14.25h。

设计采用有效容积80m3不锈钢生活热水箱，以确保生活热水最大时段用水。

以上设计内容原理图详见图1。

3 空气源热泵热水系统应用体会和注意事项

空气源热泵机组具有高效节能性，COP平均可达到3.5 以上[11]；环保无污染，无燃烧物外排，制冷剂安全环保零污染，具有良好的社会效益；运行安全可靠：无易燃易爆、中毒、触电等危险；运行费用省；可利用低谷电时制热，节约运行费用；使用寿命长，维护费用低；设备性能稳定，运行安全可靠；设备运行时间长；可四季全天运行；适用范围广。

如上所述，空气源热泵系统的优势显而易见。在空气源热泵热水系统设计和应用过程中，有一些个人的使用感受和注意事项，在此也想进行一下论述，供大家参考。

图1 空气源热泵热水系统原理Fig.1 Air source heat pump hot water system diagram

3.1 空气源热泵系统的应用体会

在空气源机组设计选型中遇到如下问题：

（1）设备机组负荷过小，没有大型机组可供能源站设计选择，需要数十台设备并组运行，需要对设备编组运行，设计群控方案。目前空气源热泵机组仅有适用于家庭、别墅的小型机组，大负荷的空气源热泵机组有待于进一步研制和推广。

（2）空气源热泵机组的水温低：由于环保要求和目前制冷剂技术水平的发展，空气源热泵机组在正常工况下的水温可达到55℃。这样一来对设计造成一定的影响：由于用户生活热水采用60℃设计[1]，与用户对接时需要进行热水量换算；或增加辅热设备，而电辅热系统是最普遍的一种方式，COP较低，运行费用不经济。

（3）设备补水存缺陷：空气源热泵设备接口大多为两个接口，仅供热水箱循环水进出，需要向生活热水箱内补水，造成生活热水出水温度波动较大。设备补水方案，应尽量控制热水温差不宜过大。目前大多空气源热泵采用限温限位补水法。但这种补水方式无法从根本上解决热水供应系统温差波动较大的问题，建议空气源设备能再增加冷水接管，并采用定压补水方式，以保证热水系统水温的稳定，就像家用热水器一样的补水方式。

3.2 空气源热泵热水系统注意事项

设计过程中，下面的这些事项也是考虑的因素：

（1）本项目的设备和水箱安装在楼顶，考虑其对楼面承重的影响，将基础设在承重梁上。

（2）设备安装时需要设置减震。

（3）考虑到设备和水箱的排水对屋面防水的破坏，所以将设备的冷凝水管道和水箱排污管道引向天沟，但是都不与雨水管直接相连接[12]。

（4）设备布置在屋面，考虑与其他专业设备的间距和检修通道的位置。

（5）对于循环进水管，需要布置在水箱下部，但要高于热水出水管，确保循环进水管路和循环水泵不会因缺水而导致水泵进气，导致水循环量不够产生机组高压保护。水系统中设置膨胀水箱，为适应水系统因水温变化而造成的水体积的变动。

（6）水系统在最高点设排气阀，机组水管最低点设安装排水阀。

（7）对于系统管路的安装、防腐保温、保护、支吊架、试压等均按照规范执行[12]，可以参照相关的空气源热泵热水系统应用技术规程来执行[5]。

4 结束语

空气源作为清洁环保能源，越来越被政府和行业所认可，并且作为大力发展的能源方式。空气源热泵机组尤其适合夏热冬暖地区作为能源站制取生活热水[7]，虽然设备选型、设备性能还存在问题，但是独特的优势无法取代，作为环保能源的空气源机组有更广泛的应用空间。

[1]GB 50015—2009，建筑给水排水设计规范[S].

[2]商业或工业用及类似用途的热泵热水机（GB/T 21362—2008）[S].

[3]GB 50366—2005，地源热泵系统工程技术规范[S].

[4]鸿途.海水源热泵系统工程应用中存在的问题[J]. 中国供热信息网. 2012.

[5]DB33/1034—2016，太阳能与空气源热泵热水系统应用技术规程[S].

[6]GB 50189—2015，公共建筑节能设计标准[S].

[7]福建省居住建筑节能设计标准（J 10441—2014） [S].

[8]徐扬纲.给水排水设计手册（ 第12册）器材与装置[M]. 第三版.北京：中国建筑工业出版社.

[9]中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施—给水排水 2009版[M]. 北京：中国计划出版社，2009.

[10]仇保兴.给水排水设计手册（ 第02册） 建筑给水排水[M]. 第三版. 北京：中国建筑工业出版社.

[11]吕永刚.太阳能与空气源热泵综合设计方案[J] .制冷，2009（3）：74-76.

[12]GB 50242—2002 ，建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范[S].

Application of Air Source Heat Pump System

Sheng Naihu
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

Through the detailed discussion of heat sources, it was determined to use air as the heat source. Then combined with practical examples, the design procedure, the notes in design and design experience of hot water system by using air source pump were stated.

water source; solar energy; air source; air source pump

TU 833

：A

：2095-817X（2017）04-0054-004

三部委联合印发《关于深入推进信息化和工业化融合管理体系的指导意见》

（陈 曦）

2016-07-06

盛乃虎（1979—），男，工程师，研究方向：给排水工程、消防工程、地下管网工程及污水处理工程。

2017年6月26日，工业和信息化部、国务院国有资产监督管理委员会、国家标准化管理委员会联合印发了《关于深入推进信息化和工业化融合管理体系的指导意见》（工信部联信软〔2017〕155号），明确了系统推进两化融合管理体系标准建设和推广工作的指导思想、工作目标、重点任务和保障措施。《指导意见》是指导两化融合管理体系工作的顶层设计和行动纲领，对于加快推广普及两化融合管理体系标准、持续推进两化深度融合、服务制造强国和网络强国建设具有重要意义。