空气源热泵成为可靠供暖热源技术的探讨★

韩卫珍 刘 勇 任文晋

(1.山西路晟交通建筑设计有限公司，山西 太原 030006； 2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030006)

1 山西省北部供暖现状及存在问题

现在高速公路沿线各站区燃煤锅炉作为供暖热源已无法满足环境保护的要求，供暖热源改造正是这一时代背景下的必然要求。清洁能源作为供暖热源形式有多种多样，据调查，目前高速公路各服务区、收费站及养护区清洁能源改造的形式主要有燃煤锅炉改为燃气锅炉或者改为用电两种方式。

我省北部地区的高速公路各服务区远离城市配套输气管线，尽管存在个别项目距离输气管线较近，但是，城市配套建设中未考虑此部分建筑供暖的用气。所以煤改气这种方案只能在一些气源充足或离市区较近的地区采用，不能大范围应用。

然而，煤改电这种方案不受地理位置所限，具有大范围推广应用的价值，现阶段煤改电的形式主要有空气源热泵和电锅炉两种。空气源热泵作为供暖热源比电锅炉更节能，所以空气源热泵将是站区燃煤锅炉改造的首选方案。

2 空气源热泵应用现状

2.1 空气源热泵技术在严寒及寒冷地区使用时存在的技术缺点

1)空气源热泵制热性能与建筑物供暖负荷不一致，当室外温度较高时，热泵机组制热性能高，而此时建筑供暖负荷所需小，相反，室外温度低时，热泵机组制热性能差，而此时房间热负荷所需较大。所以，常常出现白天设备存在间歇运行，而夜间不能满足供暖需求。

2)在冬季由于气温降低，空气源热泵机组的运行都存在结霜和除霜问题，一方面，当所处环境温度偏低时，机组的蒸发器温度则需进一步降低，所以会结霜。而且霜层厚度也会进一步恶化机组制热性能，直至机组停止制热。另一方面，为了能使机组正常制热工作，可以通过四通阀切换进行除霜，但是，这也带来了除霜时不能实现连续供热的弊端。

为了实现“绿水青山就是金山银山”，使燃煤锅炉改造既能满足使用功能要求，又可以减少污染，空气源热泵技术应用于供暖热源时必须进行必要的技术革新。

2.2 空气源热泵在我省应用现状

空气源热泵机组作为冬季供暖热源在全省各地都有所应用，总体而言，在太原以南地区应用效果较好，不仅室内温度有保障，而且空气源热泵的制热效率也能达到2.0以上甚至更高，除霜工况下对室内舒适度的影响也不大。但在太原以北地区，由于冬季气温偏低，尤其是高速公路沿线各站区一般远离市县，周边地势空旷，建筑相对独立，实际气温比周边县市低3 ℃～5 ℃，空气源热泵机组在这些地区不仅制热效率低下，而且结霜现象严重，在供暖期里无法实现可靠供暖。而近几年来，我省极端气候情况频频出现，空气源热泵机组作为冬季单一热源不能满足供暖需求。此外，目前服务区热源改造工程中，大多数项目建筑中原供暖系统采用散热器供暖末端形式，散热器供暖系统所需热媒温度又比地板低温热水供暖系统要求高，在这种供暖末端的形式下，热泵机组作为热源会进一步减小制热系数，从而降低其节能效果。鉴于此，山西省高速公路的服务区热源整改项目中，假设选用空气源热泵机组，需要改进热源设施配置，首先保证冬季供暖可靠性，其次初投资也不能太高，最后还要实现系统运行经济性。填补我省寒冷及严寒地区冬季供暖热源在只能使用电能作为动力的情况下，采用空气源热泵机组的技术空白。

虽然空气源热泵技术日新月异，一些生产厂家也研制出了超低温空气源热泵，但据调查，在我省北部地区实际上还是无法正常提供满足要求的供暖热水。

3 空气源热泵供暖系统的改进措施

3.1 空气源热泵直接供暖的系统形式

如果不仅仅在产品上做研究，在热泵系统上做一些改进，也有可能改善现状。传统系统设备简单，控制方便，初投资低，在我省太原以南地区可以满足需求，如图1所示，但如果用在太原以北的地区尤其是大同地区在进入深冬季节由于室外气温极低，往往无法实现可靠供热。

3.2 空气源热泵+蓄热水箱的系统形式

在严寒地区，如采用空气源热泵加蓄热水箱的系统方式，热泵机组在选型时适当地增量配置，在白天气温高的时候，空气源热泵机组既能提供建筑物所需的热量同时又能向蓄热水箱储存一些热量，这样在夜间室外温度低时，尤其是低于-12 ℃时，可关闭空气源热泵利用蓄热水箱的水提供建筑物夜间所需热量，系统流程如图2所示。

3.3 空气源热泵+电锅炉+蓄热水箱的供暖形式

现在，很多地区提倡利用谷价电，移峰易谷，在一些执行峰谷电价的地区，空气源热泵可配合电锅炉及蓄热水箱的系统形式。白天，室外气温高时，可利用空气源热泵提供建筑物白天所需的热量，夜间，启动电锅炉，利用谷价电给建筑物提供夜间所需热量的同时向蓄热水箱蓄热，弥补空气源热泵供热不足的部分，系统流程图如图3所示。

3.4 空气源热泵+水源热泵机组的系统形式

在没有峰谷电价政策的地方，空气源热泵也可配合相变储能罐及二级水源热泵机组共同提供供暖热水，低温空气源热泵提供20 ℃～25 ℃的低温热源，恒温存储和调节于相变储能罐中，且将其作为二级水源热泵机组冷凝水再次提温至40 ℃～60 ℃，作为建筑供暖热源，显然此做法下，低温空气源热泵和高温水源热泵均处于高性能区，大大降低运行费用。

系统流程图如图4所示。

3.5 其他

此外空气源热泵机组的放置位置也很有讲究，如条件允许最好放置于阳光充足的屋面上，当不能放于屋顶时，应放在日照时间比较长的地点，这样才能最大限度的提高制热效率。

目前，山西省高速公路通车里程已达到5 000余千米，按照规划，“十三五”末将达到7 200 km，届时配套服务站区的建筑面积将达到96万m2。以现有站区的燃煤消耗情况计算，2020年以后山西省高速公路站区燃煤消耗将达到10.5万t/年，向大气排放锅炉烟尘1 820 t/年，排放二氧化硫720 t/年，排放炉渣10 700 t/年，严重污染周边环境。

以上几种形式虽然都可运用，但空气源热泵+水源热泵机组的系统形式因增设了相变储能罐及水源热泵机组而使其初投资远远高于空气源热泵直供形式，所以不易被建设方接受。在北方严寒地区增设蓄热水箱的形式是一种比较可靠的系统形式。在执行峰谷电价的地区加设电锅炉则更可靠。

4 结语

全省各站区采用燃煤锅炉供暖的时代即将结束，以空气源热泵+蓄热水箱或空气源热泵+蓄热水箱+电锅炉的方式对服务站区冬季供暖既可以弥补空气源热泵单独运行的缺陷，又可以实现各站区“无污染、零排放”的建设目标，还可以克服燃气锅炉的气源无法保证、电锅炉能源消耗量太大、燃油锅炉运行费用太高等问题，有效提升供暖设备效率，降低运行费用，实现经济效益与环保效益双赢。为我省乃至全国北部供暖地区各站区供暖需求的解决提供了一种很好的方案，具有很好的经济和社会效益，不仅可以解决燃煤锅炉供暖存在的大气污染问题，还可以推广应用，前景广阔。