超低环温空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的应用分析

刘旭峰

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610000）

伴随着能源短缺和环境污染问题的日渐突出，人们对建筑的能耗问题给予了更多关注。而在建筑能耗中，空调和供热能耗将达到56～58%。相比较而言，空气源热泵具有节能环保的特点，用于建筑供暖可以减少建筑能耗。但是在高寒地区，普通的空气源热泵难以保持较高的运行效率，容易出现制热不足等问题。采用超低环温空气源热泵，则能使热泵摆脱这些因素的限制。因此，还应加强对超低环温空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的应用，从而更好的进行该种热泵的应用。

1 超低环温空气源热泵的原理及性能

超低环温空气源热泵即能够在超低环境温度下通过吸收空气热量和转移热量实现制热功能的一种热泵系统。该种热泵遵循逆卡诺循环原理，由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构组成。在工作过程中，赋存于蒸发器中的低温液态制冷剂会从外界空气中吸收热量，通过汽化转变为低温蒸汽。压缩机在吸入蒸汽后，会将其压缩成高温高压的蒸汽并排出。在高压气态制冷剂被冷凝器吸入后，会与加热物质实现热交换，实现热量的释放，使冷凝液化，成为高压液体。经过节流机构，液体压力将随之下降，成为低温低压的液体，并进入蒸发器实现热力循环。

超低环温空气源热泵是针对高寒地区气候的特点而设计，通过对传统压缩机、制冷剂等设备进行改进，能够完成在超低环境温度下实现对高效制热的热泵系统的研发。从热泵性能上来看，在环境温度达到-30℃的条件下，热泵中热水的进水温度达40℃，出水温度达45℃，蒸发温度达-40℃，制热量为23．3kW，系统功耗 10．7kW，制热效比为 2．18。2 超低环温空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的应用优势

2.1 实用性优势

在建筑供暖方面，主要采取的方式有3种，即空调热风采暖、地板辐射采暖和散热器采暖，拥有各自的节能热舒适性和导热方式。在高寒地区，以往通常采用散热器的采暖方式，要求系统供水温度达95℃，回水温度则能达到70℃，在热泵的使用上有较高的冷凝温度要求，需采用二级压缩方式获得更高的冷凝温度，并且需要通过增减散热器数量满足不同房间的采暖需求。采用空调采暖方式，需要通过上部送风，热气上高下低，想要使房间温度达到18℃，热媒温度需达到50～60℃，将产生较大的热量消耗。采用地板辐射的采暖方式，热媒温度在40℃左右，且不占房间的有效面积，具有较好的均匀换热效果。无论采用哪种供暖方式，都能选用适合的空气源热泵。但是在高寒地区，采用空气采暖和散热器采暖方式消耗的热量较多。将地板辐射采暖与超低环温空气源热泵结合在一起，可以选择的热泵规格齐全，并且能够消除传统供热方式可能带来的中毒、易燃、易爆等危险，同时也能使系统结合室内温度实现自动供热控制，增强室内舒适性，因此具有较强的实用性。

2.2 经济性优势

从经济性角度来看，超低环温空气源热泵运行费用较低。目前，热泵热源的种类主要划分为3种，即土壤源、水源和空气源。采用不同的热源，需要采用不同的压缩器。相较于其它热源，空气源的换热器较大，可以借助螺杆机将采用其它热源获得的7～70kW供热范围扩大大700kW。与土壤、水源利用相比，空气源热泵的投入费用更低，收益率较高。比较运行费用可以发现，采用电加热设备每天需运行16h，每平米约52．6元。采用水热泵等供暖设备，运行时常为24h，每平米在24～30元之间。采用空气源热泵，可以使设备保持24h低耗能运行，费用每平米仅11．2元，因此更具有经济性。

2.3 环保性优势

在供热领域，供热小于3．0的产品就被定义为非节能产品。但是不同于其它热泵系统，空气源热泵消耗的资源为空气，在能源消耗方面具有一定的优势。不同于普通的空调机，空气源热泵的操作更加便利，具有较强的自主性，能够采取按户管理的方式。安装该种热泵，无需进行专门的机房建设，也无需投入大量管理者，所以能够在节省土地资源的同时，减少人力消耗。从节能的角度来看，普通电热水锅炉的能效比不超出0．95，燃气、燃油锅炉在 0．6～0．8 之间，燃煤锅炉在 0．5～0．7 之间。而空气源热泵则能达到1以上，因此具有较强的节能性。采用该种热泵，可以减少燃烧物、烟气的排放，不会给大气和环境带来污染，因此能够更好的满足国家的节能环保要求。

3 超低环温空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的具体应用

3.1 工程概况

某建筑位于四川省甘孜藏族自治州，该地区属于高寒地区，建筑面积2200m2，包含办公区、宿舍区、餐厅、活动室等区域，整体为两层结构。建筑所在区域的冬季环境温度低于-30℃，空气密度仅能达到平原地区的60%。

3.2 应用方案

在工程投入使用阶段，考虑到工程所处地区较为偏远，难以接入市政供暖系统和燃气，同时煤油运输费用较高，所以排除了燃煤锅炉、电锅炉等传统的供暖方式。结合当地气候条件，也难以实现“全天候”太阳能供热。当地能流密度较小，需要较大投资才能实现大面积集热，所以采用电加热方式将消耗大量的能源。采用地源热泵技术，将遭遇高原冻土不宜轻易扰动的问题。综合考虑建筑的供热需求，需要采用超低环温空气源热泵的供暖方案。在方案设计阶段，结合建筑的采暖面积和结构，采暖总热负荷将达到120kW。在环境温度达到-30℃的条件下，还要采用5台FSCH30L1超低环温空气源热泵为建筑供暖。热泵的进水温度设定为40℃，出水温度为45℃。由于热泵系统体积较小，既可以在室内安装，也能在室外摆放。在系统运行的过程中，可以实现全自动控制，无需安排人进行监管。

考虑到高寒地区天气寒冷，同时空气密度较小，针对压缩机回气量小的问题，还要采用增补回气的方式进行解决。因为在超低温工况下，蒸发机将实现大量的空气压缩，造成制冷剂比容下降，继而导致压缩机质量流率不高，产生空气质量恶化的问题。而排气温度的提升，容易导致热泵电机被烧毁。因此，还要在回气与冷凝器的出口位置加装盘管，实现回气滴液和出口液体的交换，使压缩机的回气量得到提高。

针对超低环温空气源热泵的除霜问题，在高寒地区，热泵将遭遇空气中绝对含湿量较大的问题，除霜则会导致热泵的供暖效果受到影响。为解决该问题，可以进行冷回热和加装毛细旁通系统，使系统的吸气和排气压力得到适当提高，从而使制冷剂的循环量增加。在此基础上，系统的性能将得到改善，使冷回热后空气侧的能力增强，确保除霜的过程中不会造成机组的负荷过大，继而使热泵系统保持高效运行。

3.3 应用效果

从超低环温空气源热泵的应用效果来看，与传统的空气源热泵相比较，该种热泵在环境温度低于-5℃时依然可以保持高效运行。而传统的空气源热泵在温度低于-30℃时，出现了无法开机的情况，需要利用辅助热源才能正常运行，能效比低于1。但是采用超低环温空气源热泵，可以在-30℃时保持2．18的制热效率，无需采用辅助热源就能实现高效运行。经过了一个冬季，热泵在全天的平均效能可以达到2．5，相较于电锅炉约节省50%的电能。而热泵系统无需全天候运行就能给建筑提供足够的热能，日常维修也较为便利。

4 结语

通过分析可以发现，超低环温空气源热泵不仅具有较强的实用性和经济性，同时能够节省大量的能源，减少热泵运行给环境带来的污染，所以能够更好的满足建筑的节能减排和运行要求。在高寒地区采用该种热泵，不仅可以解决地区的热源供应难题，同时也能够保持高效供暖，带来显著的经济效益和社会效益。因此，相信在高寒地区，超低环温空气源热泵可以得到较好的应用前景。

[1]范旭红．空气源热泵采暖在建筑节能中的应用与前景分析[J]．山西建筑 ,2017,43(14)：198-199．

[2]李永存,陈光明,江挺候等．工质对物性对低环温高温复叠式空气源热泵性能的影响[J]．发电与空调,2016,37(05)：63-67．

[3]张超,吕新刚,陈建平等．低环温空气源热泵技术研究新进展[J]．建筑节能 ,2015,43(10)：22-26．