浅析超低温空气源热泵在公路房建中的应用

王 霞

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730000）

为满足人们日益出行新需求，提升甘肃省高速公路服务区的保障能力和服务水平，高速公路沿线的房建工程室内舒适度要求也越来越高，但高速公路沿线的房建工程通常都地处偏远，周围既无市政热源，又无天然气，燃煤锅炉房也因环境污染严重被大量取缔，采暖热源的选择是高速公路房建工程的重大难题。随着国家“煤改电”政策的大力推广，电锅炉由于热效率高，供暖效果好，稳定性强等特点在高速公路沿线的房建工程的冬季供暖中应用相对较多，但电加热锅炉耗电量高、运行成本高。空气源热泵是替代传统供暖模式最有竞争力的一种电力驱动采暖技术，具有节能、环保意义，不受地理位置、天然气源等问题的限制，但一般的空气源热泵通常在室外空气温度低于-5 ℃时就无法正常运行，需要增加辅助电加热作为热源，才能保证冬季供暖的连续性和稳定性。近几年超低温空气源热泵的产生解决了这一问题，能够在室外空气干球温度为-25 ℃下依然稳定运行，并不断产生35 ℃以上的热水，有效地解决了公路沿线房建设施的供暖问题。

1 超低温空气源热泵性能

空气能（源）热泵由电动机驱动，利用蒸汽压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷（热）源制取冷（热）风或者冷（热）水的设备，主要零部件包括蒸发器、冷凝器、膨胀阀、压缩机等。空气能（源）热泵利用空气中的热量作为低温热源，经过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到建筑物内，满足用户对生活热水、地暖或空调等的需求。

具体工作原理如图1所示。

图1 普通热泵系统原理图

普通的空气源热泵系统在制热过程中，室外空气温度低于-5 ℃时，机组的蒸发器会出现结霜问题，随着温度持续下降，导致结霜愈发严重，系统的制热量大幅衰减，能效比迅速下降，无法制热。超低温空气源热泵是针对这一问题进行技术改进后的又一代新产品，如图2所示。

图2 带喷气增焓的超低温热泵系统原理图

相比普通空气源热泵，超低温空气源热泵机组增加了中间冷却器，并采用了双级压缩的制冷循环。该循环将来自蒸发器的制冷剂蒸汽，以串联的两台压缩机或同一组压缩机的两组气缸做“接力”式的压缩，每一级的压缩比、排气温度等都能符合压缩机的使用条件，又可获得较低的蒸发温度，有效缓解蒸发器结霜问题，制冷系数也比相同制冷能力的单机制冷循环大，更节能、更经济。

本工程案例中所选用机组为单机双级螺杆压缩机，最低可在-35 ℃的环境温度下稳定运行，环境温度-12 ℃时，出水温度55 ℃超过国标能效限定值27%，低环境温度制热时无须增加电辅助加热，出水温度范围在35～70 ℃。机组的制热性能系数依然能保持在2以上。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

本工程为甘肃某绕城高速公路位于嘉峪关某镇的匝道收费站管理所、隧道管理站的宿舍楼和办公楼，建筑面积总计3 621 m2，共2层，冬季供热负荷为308 kW，工程选址位于嘉峪关市某村，供暖室外计算温度-14.5 ℃，冬季通风室外计算温度-9 ℃，冬季空气调节室外计算温度为-18.5 ℃。

2.2 热源及采暖方案的确定

工程建设地位于偏远乡村地区，按气候分区属于严寒区，就近区域内无集中供热，无天然气，只有冬季热负荷，无夏季冷负荷，不能采用地源热泵，该区域内也无可采用的废热和工业余热，太阳能等可再生能源易受到气候条件的影响，无法保证冬季采暖稳定可靠运行，考虑建筑规模较小，且燃煤锅炉会造成严重的大气污染，且相关政策不鼓励再建小型燃煤锅炉，选用了螺杆式超低温空气源热泵机组。单台额定制热量130 kW，选用三台超低温空气源热泵机组，机组的制热系数为2.38（该机组的名义制热基准为环境干球温度-12 ℃，环境湿球温度为-14 ℃，热水出水温度为41 ℃）。根据《辐射供暖供冷技术规程》（JGJ 142—2012），热水地面辐射供暖系统的供回水温度不应大于60 ℃，民用建筑供水温度宜采用35～45 ℃。

本项目的冬季采暖方案确定为以超低温空气源热泵为热源，末端采用低温热水地板辐射供暖系统的采暖形式。

2.3 能耗分析

对该项目进行热负荷模拟计算，计算得出单位面积热负荷指标为85 W/m2，由于该厂区设计了集中供热的设备用房，各建筑单体由敷设在地沟内的室外热网集中供暖，因此对热源产热量计算时考虑了管网热损失，如表1所示。

表1 黄草营匝道收费站管理所、隧道管理站供热负荷统计

经查阅规范数据及相邻地区供暖季对比分析，该地区冬季供暖天数按156 d计，每天均24 h供暖，超低温空气源热泵的制热性能系数按2.38计，供暖季的总耗能量：

冬季供暖耗功率：354/2.38=148.8 kW；

年耗电量：148.8×24×156×3 600=2×109kJ；

年标准煤消耗量：2×109/7 000/4.181 6=68 326.5 kg。

与采用电锅炉采暖相比，供暖季的总耗能量为：

冬季采暖耗电量：354×24×156×3 600=4.8×109kJ；

年标准煤消耗量：4.8×109/7 000/4.181 6=163 005.1 kg。

相较于电采暖，超低温空气源热泵的节电量为58.3%，年标准煤消耗节约量94 678.6 kg。

建筑物周边热源无法解决、电力充足的情况下，采用超低温空气源热泵不但能在低温环境下持续稳定运行，保证24 h供给热水，且相比电加热锅炉，节电量可观，运行成本低，对于环境排放也有益。另外，机组可以布置在室外空地，节省机房面积，有效利用了室外空地，降低建设成本，在适合的地区及工程中可以大力推广。

3 结语

通过本工程案例计算说明，超低温空气源热泵应用于高速公路沿线房建设施，技术和经济层面上对于严寒和寒冷地区高速公路沿线房建工程的冬季供暖工程都适用。环保节能高效率的超低温空气源热泵系统应在此类工程中大力推广。由于超低温空气源热泵可靠运行较大程度上依赖于当地的气候条件，包括室外空气温湿度、海拔高度等，都会对热泵机组的制热量产生较大影响。因此，在设备的购买和实际安装过程中，专业、负责的设备厂家也应在一定程度上为设备的稳定可靠运行提供保障。超低温空气源热泵技术还应不断改进和革新，为技术持续稳定推进、应用于更多实际工程奠定基础。