北方地区供暖中低温空气源热泵的应用

许红波 邱炳蔚

摘要：北方地区尤其是寒冷地区的冬季一般都是比较寒冷的，室外环境在整个供暖季基本处在相对较低的温度中。传统供暖方式中，城市地区主要是以燃煤锅炉为主的集中供暖，农村地区则是以散煤烧炉的分散供暖。而在无城市热网、天然气供应不足区域，空气源热泵供暖无疑是一种最优选择，和燃煤供暖相比，其供暖更加的方便、环保、高效。因此，空气源热泵在北方地区的供暖被广泛应用，而这其中，低温空气源热泵较普通型空气源热泵在供暖能耗以及品质方面更具有其优越性。故本文主要针对北方寒冷地区供暖中低温空气源热泵的应用进行了分析和探讨，并提出了存在的问题。

关键词：寒冷地区;低环境;低温空气源热泵

为了达到在2020年实现全面小康社会目标中对环境空气质量的要求，全国各地相继出台政策，鼓励采用可再生能源、清洁能源供热，并在投资和电价方面给予相应的政策补贴和优惠，使得低温空气源热泵在北方地区的中小型公共建筑甚至是住宅建筑的供暖中均得到了广泛应用。本文笔者旨在通过对空气源热泵工况参数及投资运行能耗等方面进行技术分析，以便在后续设计以及设备选型中给予设计师一定借鉴。

1 空气源热泵工况条件的比较

根据《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》中的规定，名义制热工况下，普通型空气源热泵的使用侧出口水温为45℃，测试工况是在干球温度为7℃、湿球温度为6℃的条件下测得的。显然，针对寒冷地区整个供暖季，室外环境温度基本处于零度以下，甚至更低。所以在低环境温度条件下，普通型空气源热泵在保持出口水温仍为45℃的条件下，其制热量及COP会存在显著衰减，机组存在环境温度运行范围过小的缺陷。以单模块（制热量为68kW）普通型空气源热泵机组为例，在进出水温度均为45℃/40℃的条件下，室外环境温度为7℃时，其制热量为68kW，COP为3.56;而当室外环境温度降至-7.2℃（青岛地区冬季空调室外计算温度）时，其制热量降为42.3kW，COP降为2.31。虽然COP仍满足规范中冷热水机组不小于2.0的规定，但可以看出，当环境温度降至-7.2℃时，其制热量衰减量达到37.8%，COP衰减量达到35.1%。当遇极端天气，环境温度更低，衰减量更大，当环境温度低于当地平衡点温度时，机组提供的制热量就满足不了室内的热负荷需求，这时就需要设置辅助热源。故普通型空气源热泵机组在寒冷地区供热时是极不节能的，其应用受到一定的限制，这就为低温型空气源热泵机组的诞生和应用提供了一定的市场空间。

反观低温空气源热泵机组，根据国标《低环境温度空气源热泵（冷水）机组 第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》规定，名义制热工况下，低温型空气源热泵的使用侧出口水温为41℃，测试工况是在干球温度为-12℃、湿球温度为-14℃的条件下测得的。低温工况下，低温型空气源热泵的使用侧出口水温为41℃，测试工况是在干球温度为-20℃的条件下测得的。很明显，低温空气源热泵机组较普通型机组增加了一个低温工况，其机组环境温度运行范围更宽、更广，在环境温度为-20℃时，仍可达到出水温度为41℃。以单模块（制热量为70kW）低温型空气源热泵机组为例，同样在进出水温度均为45℃/40℃的条件下，室外环境温度为7℃时，其制热量为70kW，COP为3.59;室外环境温度降至-7.2℃时，其制热量为57kW，COP为3.03;室外环境温度降至-10℃时，其制热量为53.5kW，COP为2.86。因而，当环境温度降至-7.2℃时，其制热量衰减量达到18.5%，COP衰减量达到15.6%。当环境温度降至-10℃时，其制热量衰减量达到23.5%，COP衰减量达到20.3%。由此可见，不管是在相同的环境温度-7.2℃，还是更低的环境温度-10℃，低温空气源热泵机组的制热量以及COP衰减量，都比普通的要大为减少，反之带来的就是低温空气源热泵机组在供暖节能上的大幅提高，因而也为其在寒冷地区的广泛应用提供了一定的技术支撑。

2 空气源热泵投资及运行能耗分析

空气源热泵系统的初投资主要表现在以下几个方面：机组费用、循环水泵费用、设备安装费、土建投资费、变配电设施投资。其中软化水设备、定压补水设备、水管路及其附件可不考虑在内。为描述方便，现以5万平住宅小区的低温辐射供暖为例进行阐述。在相同供热量的条件下，通过对上述几部分内容进行综合折算，普通空气源热泵的初投资总费用约为387万元，而低温空气源热泵约为330万元。由此可看出，虽然后者本身要比前者成本要高一些，但综合折算各项费用，在末端供热负荷一致的情况下，后者的初投资费用更为节省。

从供暖季运行角度分析，空气源热泵的运行费用主要包含机组耗电量，水泵耗电量以及设备必要的维修费用和管理费用。按峰段电价0.7559元/kWh进行折算，普通空气源热泵机组和水泵的设备年运行费用约为115万元，设备维修费用和管理费用约为10万元，总运行费用为125万元;而低温空气源热泵机组和水泵的设备年运行费用约为99万元，设备维修费用和管理费用约为9万元，总运行费用为108万元。故按实际使用面积（约为总建筑面积70%）折合计算，前者每平方使用面积的运行费用即热量费为35.6元/m2，后者为31元/m2。由此可以看出，后者的运行费用更少，因而也更为节能。同时，利用市政热力集中供暖的成本基本也都在31元/m2以上，而低温空气源热泵的运行成本和市政集中供暖的成本基本持平甚至更低，因而采用低温空气源热泵在北方寒冷地区进行供暖是合理的，也是可行的。

3 低温空气源热泵供暖的运行控制

低温空气源热泵供暖，其末端最理想的是采用低温热水辐射供暖，高温出水时，末端也可采用散热器供暖。无论哪种末端形式，其末端均为变流量系统。而低温空气源热泵为模块化组合形式，各模块均为定流量系统，因而可以通过监测回水温度，控制机组各模块的启停数量进行流量控制，此方式需要机组供回水管均设置电动两通阀，与机组进行连锁控制。为保证末端供热流量，也可以保证热源侧完全定流量，此时机组供回水管无需设置电动两通阀，但是这种方式供回水主管存在混水现象。当热源侧采用变流量系统时，可以对循环水泵采用台数调节或变频调节，机组供回水管可单台或分组设置电动两通阀，而水泵根据机组运行台数进行水泵的台数启停或变频控制。因而，空气源热泵机组除了常规的启停控制、运行状态、故障报警、手自动选择状态反馈控制点位外，还应具有电动二通阀与机组的连锁控制，机组与循环水泵的连锁控制，回水主管温度监测。

4 结语及问题

4.1 低温空气源热泵在寒冷地区制热量和COP的衰减量都相对较小。

4.2 低温空气源热泵无论是初投资还是运行费用都较普通空气源热泵更为节省，因而在无市政热源的情况下，是一种理想的清洁能源供暖热源。

4.3 低温空气源热泵与末端流量匹配控制还需进一步研究优化，也是设计师在具体工程设计中需要考虑的问题。

参考文献：

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