别墅的冷暖系统和空气源热泵系统安装研究

王 强 中铁十七局集团第二工程有限公司工程师

我国能源储备量较大，但由于我国庞大的人口数量，人均占有量较低，所以开发新型环保能源及可再生能源具有重大意义。冷暖辐射地板系统具备节能降耗、舒适性强等特点，而空气源热泵系统能够解决寒冷天气、阴天等环境条件下的热量供给不足问题，构建冷暖系统和空气源热泵系统，能够实现二者的优势互补。

1 系统介绍

1.1 冷暖系统

冷暖辐射地板系统利用高温冷水作为冷媒、低温热水作为热媒，借助地面楼板上的碎石混凝土进行地板温度控制，从而形成可制热或制冷的高效节能系统。主要分为室外地能收集系统(也就是俗称的埋地换热器)、热泵结构系统和热能使用终端系统。冷暖系统的优点在于其兼顾了辐射供冷暖的特点，进行独特的气候控制，不会出现污浊空气对流，增加居住的舒适感。地表浅层地热资源的温度常年较为稳定,且冬季比地上的温度高,夏季比地上的温度低,能够有效调节环境温度，且采暖室内温度场分布情况较为均匀，是一种天然的热泵热源和空调冷源。由于冷暖系统是将辐射作为供冷暖的主要方式，实际温度会出现冬高夏低的情况，在建筑采暖设计环节可进行3 ～4 ℃的适当优化调整，这也能够带来25%左右的节能效益。在冷暖系统实际作业时，要考虑到土壤与水资源使用的成本差异，事先调查好当地地质结构，防止超出地下水抽取负荷,不仅无法完成尾水回灌，更会对生态环境造成破坏[1]。

1.2 空气源热泵系统

空气源热泵系统是一种将空气作为热泵低位热源，进而构建建筑热循环的热泵系统，如图1所示，其优势在于空气资源“取之不尽”，且不会产生经济支出。空气源热泵系统虽然会消耗一定的高位能，但所供应的冷热量是消耗高位能与吸取低位能热量的总和。相较于传统太阳能直接供热系统，空气源热泵系统的优势在于其集热器结构较为简单，建造成本较低，具备良好的经济效益。不过空气源热泵系统受环境的影响较为明显，尤其在气温及热流密度较低的地区,空气供能明显不足，无法满足人们日常供暖或生产生活的热水需求[2]。

图1 空气源热泵系统工作原理示意图

将空气源热泵系统中的冷热源合一，不需要设置单独的冷冻机房，也不需要燃烧供应系统，不会对周围生态环境造成影响。将收集到的空气，以热能的形式储存在蓄热器中进行蓄能，并传递到保温水箱中，以达到蓄热的目的。在能源使用环节，若此阶段的能源温度不能使水温维持在稳定状态，可以适当配合辅助供热系统，发挥其向蓄能水池供热的功能。需要注意的是，空气的温度受季节、地域环境的影响较为明显，单位热容量较小，尤其在北方冬季，容易导致系统故障。当空气源热泵供能到达恒定值时，保温水箱中的水温与系统出水水温之间的温差较低，热泵系统的温度调节效果较差，此时要停止机组运行并进行除霜处理。

2 别墅的冷暖系统和空气源热泵系统安装可行性分析

2.1 冷暖系统可行性分析

不同季节环境条件下，冷暖系统的进水温度要求也不同，冬季低温环境下进水温度要控制在50 ～70 ℃；而夏季高温环境下进水温度则应控制在15 ～25 ℃。系统自身存在着极高的热惰性，实际作业环节可以采用间歇运行的方式，即在冬季高温或夏季低温时段运行，保障用户使用需求的同时，降低系统耗能。就热泵自身角度而言，其制热性能系数大于1，提供的热量会永远大于消耗的功，其热泵循环公式为逆卡诺循环：

式（1）中，εh为热泵制热性能系数，Th为高温热源温度，Ta为低温热源温度。

根据公式可知，热泵热源温度与系统供热温度之间的温差直接影响着系统制热性能，其制冷系数也会受到供水温度的影响。通过提高热泵运行效率，能够有效降低冷暖系统的运行成本，实现节能的供热目标。

2.2 空气源热泵系统可行性分析

环境温度是影响空气源热泵系统工作效率的主要因素，所以其多适用于我国长江及黄河流域，在部分低温条件下，其供热性能会受到较大影响。因此，进行空气源热泵系统的可行性分析，就需要强调在低温条件下的工作性能升级措施。

其一，节流装置设计。空气源热泵冷水机组多采用热力膨胀阀作为节流装置，其受环境温度影响较为明显，在零下5 ℃的环境下，膨胀阀同热泵系统之间的匹配性降低，整个系统的供热效果会减少60%以上；在零下15 ℃的环境下，整个空气源热泵系统已基本失去供热效果。对此，可以选择反应灵敏度好、控制精准度高的电子膨胀阀，它能够有效保障系统运行的稳定。同时契合压缩机与室外换风机，应用变频技术，提高电子膨胀阀在空气源热泵系统中的应用效果。

其二，压缩机装置设计。合理使用压缩机能够有效提高低温状态下空气源热泵系统的运行效果，在室外条件符合工况标准时，可选择1 级的压缩运行模式：当内部环境温度过高，由2 台压缩机进行并联运行制冷；当内部环境温度过低，由2 台压缩机进行串联双级压缩运行供热。实际施工环节中，应选择保温性能较好的材料，能够有效降低压缩机的热辐射，增强低温环境下空气源热泵系统的供热能力，缓解润滑油粘稠、蒸发压力小等不利因素的影响效果。

其三，室外机结霜问题设计。空气源热泵系统运行过程中，室外机吸热量不足是造成供热性能下降的主要原因，因此完善室外机结霜问题设计，对于提高系统工作强度有着重要意义。可以为室外机设置不同的转速档，在正常环境状态下使用低速运行档，在低温环境条件下使用高速运行档，结合亲水处理技术，降低凝结水及风阻力的影响，进而提高室外机的空气流量，增强系统供热效果。针对室外机结霜问题，可以在将融霜电磁阀串联到系统高、低压之间，在融霜环境下打开系统电磁阀，输送25%左右的流量到低压侧进行压制，并建立起能够推动高温气体流动的系统高压，快速去霜后持续完成热循环，保证空气源热泵系统的供热水平[3]。

2.3 冷暖系统和空气源热泵联合运行系统

以某别墅施工建设项目的供冷暖系统为例，该项建筑项目位于陕西省宝鸡市太白县太白大道与汤峪二路交叉口东南角，建筑总面积约为33153.62 m2，一共有26栋商业综合楼，据调查显示，当地夏季最高温度为27 ℃，冬季最低温度为零下10℃。项目结合冷暖系统和空气源热泵联合运行系统，在夏天进行制冷时，空调回水经过换热器把温度传给加热水箱，加热生活用水的同时，也降低空调回水温度。而在冬天，空气源热泵系统提供热量供给，当空调回到正常水温时，系统恢复冷暖系统。冬季空气源热泵提供的热水温度刚好满足地板辐射冷暖系统的进水温度要求，而夏季则适当提高进水温度，为联合系统运行提供条件。其工作原理为：室外温度较高时，不同的冷暖系统进水温度与机组COP 值成正相关，并随着冷凝器温度降低，机组COP 值增大，达到制冷效果。室外温度较低时，若不用空气源热泵作为辅助热源的条件下，冷暖系统由于长时间的运行，使得机组蒸发器侧的温度维持在1 ℃左右，此时机组COP 值较低，借助空气源热泵系统构建联合循环系统，能够保证系统供热温度在21 ℃以上，机组COP 值在4.1 以上，实现持续发热效果。

需要注意的是，由于当地空气湿度较大，在夏季采用冷暖系统和空气源热泵联合系统进行别墅地板供冷作业时，可能因为供水温度过低出现结露现象。在实际安装环节，要结合施工环境的气候条件，调整系统工作效率，必要时可增设除湿装置或增强新风系统工作效率来增强供冷量，改善室内空气质量。

3 结论

在建筑项目施工设计环节，冷暖系统及空气源热泵系统的优缺点较为明显，构建冷暖系统和空气源热泵联合系统，能够发挥二者的优势。将其应用于别墅工程中，能够有效增强室内供冷暖性能，满足别墅用户对其功能性、节能性、舒适性等方面的要求。