大温差空气源热泵在供暖系统中的应用

王沾瑛

（太原市热力集团有限责任公司第三供热分公司，山西太原 030000）

0 引言

在供暖工程建设中，空气源热泵的应用不仅需要重点关注热泵机组设备的质量性能情况，确保其能够实现持续、稳定、安全运行，同时也必须充分考虑到整个空气源热泵系统的运行效率、建设成本、能耗、末端匹配性等实际情况，使热泵系统的实际应用具有充分可行性，而在传统空气源热泵存在诸多不足的情况下，对于大温差空气源热泵的实际应用展开探究，显然是十分必要的。

1 空气源热泵的运行原理

空气源热泵通常都是由压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器四部分构成，实际运行时会依靠持续供应的高品位能源（一般为电能）来驱动压缩机，将处于低温、低压状态的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂，并输送到冷凝器中，以冷凝放热的处理方式逐渐转换为液态制冷剂。高温、高压的液态制冷剂会继续输送到膨胀阀中，经过节流膨胀处理转换为低温低压的液态制冷剂，最后再经过蒸发器的蒸发处理与以及风扇的持续促进空气流动，使低温低压制冷剂经过蒸发吸热后，再度转变为低温低压气态制冷剂，进入下一循环中[1]。

2 大温差空气源热泵的应用优势

2.1 能耗较低

从原理上来看，空气源热泵机组虽然能够通过促使制冷剂持续循环的方式，将热量从室外低温热源持续转移至室内高温热源，避免因另外设置热源而消耗过多能源，但却需要保持较小的供回水温差（通常为5℃），并依靠较大的水流量来保证换热效率与系统运行安全性，水泵及整个系统的实际能耗仍然会显得比较高。据中国节能协会公布的供暖季热泵系统持续监测数据显示，空气源热泵系统中水泵的实际耗电量，通常会占整个供暖系统总耗电量的40%～50%，这显然不符合当前供暖行业的节能减排发展理念[2]。

而采用大温差供回水设计的空气源热泵，则可以改变传统空气源热泵系统的设计思路，将整个供回水温差提升至10℃或15℃左右。这样一来，热泵机组设备无须再为了保持小温差、大流量，采用高性能的水泵，而在水泵选型配置明显减小的情况下，其运行时的能耗自然也会随之大大降低。例如，在供回水额定设计温差为15℃的情况下，相较于传统空气源热泵，大温差空气源热泵系统中水泵的能耗通常可降低70%～80%，而HSPF（供暖系统在供暖季的性能系数）数值则会降低60%左右。

2.2 投资成本低

在供暖锅炉系统改造工程中，由于传统空气源热泵机组具有小温差、大流量的特点，因此在进行热力管网、末端的改造施工时，往往都需要使用大规格的管道，末端建设规模也较大，这些都会使工程的前期投资成本大大增加，并给供暖工程中的空气源热泵推广应用带来巨大困难。而采用大供回水温差设计的空气源热泵，则可以在保留传统空气源热泵系统优势的前提下，提高系统供回水设计温差，大大降低管道规格、末端建设规模规格等方面的要求，最终达到协调热远端与供暖末端设计要求、降低锅炉改造工程前期投资成本的目的[3]。

2.3 末端供暖效果稳定

传统空气源热泵对供回水温差的要求非常严格，如果系统设计、施工阶段出现了问题，使供回水温差超出设计要标准，那么末端供暖效果就很容易出现波动，使采暖用户的室内供暖舒适性受到影响。但在专门对空气源热泵进行大供回水温差设计的情况下，却无须担心这一问题，由于热泵的供回水温差与干球温度直接相关，因此在系统运行阶段，通常只需小幅度提高热泵的供水温度，就可以将热泵系统的供回水温度平均值控制在与传统空气源热泵大致相同的状态，进而达到保证末端辐射散热量、控制采暖用户室内温度波动的目的，使室内供暖舒适性得到保证[4]。

3 大温差空气源热泵在供暖系统中的具体应用

3.1 设计阶段

由于大温差空气源热泵与传统空气源热泵的运行原理基本相同，因此二者在应用于供暖系统时，其设计思路也比较相似，都需要把握好机组性能、进风口进风速度、排气口排气速度等方面的细节。通常情况下，大温差空气源热泵系统的冬季工况时机组性能系数，应以冷热风机组不小于1.8、冷热水机组不小于2.0 为标准，机组的进风口气流速度与排气口排风速度的控制要求则分别为1.5～2.0m/s、7m/s 以上。若供暖系统位于冬季室外计算干球温度低于-10℃的地区，则必须使用专门的低温空气源热泵机组，在室外温度低于热泵平衡点温度的情况下，还要为热泵系统增设辅助热源[5]。

另外，在大温差空气源热泵系统的设计阶段，还要注意做好温度测算工作，将冬季空调室外计算干球温度、夏季空调室外计算湿球温度、室外计算温度等确定下来，并根据这些温度数据来合理选择热泵机组，明确空调冷热负荷指标。例如，某地区的夏季计算干球温度为33.4℃，计算湿球温度为26.9℃，冬季计算干球温度为-11℃，设计大温差空气源热泵系统时，选择了螺杆式水源热泵机组，并在冬季水源侧接地热尾水换热器，具备100t/h 的40℃地热供暖尾水。同时，在空调计算总热负荷为3480kW 的情况下，冷热符合指标分别为98W/m2以及31W/m2。

3.2 安装阶段

大温差空气源热泵与传统空气源热泵在内部结构上大同小异，基本都是由压缩机、冷凝机、蒸发器、膨胀阀、四通阀、水侧换热器、风机等部件，安装施工较为简单，只需在实际安装时把握好一些细节要点即可。例如，在机组设备运输、搬运阶段，应充分考虑到机组内部比较精密的特点，尽量选择路况较好的公路，或是直接采用铁路运输等其他运输方式，并保证搬运时机组倾角在75°～105°（搬运方式应为叉车搬运或滚动搬运），以免因运输、搬运时出现磕碰而使机组设备损坏[6-8]。

在正式安装阶段，需要先将机组设备搬至安装点附近的安全位置，进行全面的开箱检查[9]。其中拆箱操作应按照顶板、侧板、纸箱、底托盘的顺序依次进行，拆开后要注意查看机组设备外部是否存在损坏现象，并清点箱内配件与装箱清单是否匹配，查看设备所有部件是否出现损坏，以免使后续的设备运行受到影响。另外，为了尽可能延长空气源热泵机组的使用寿命，保证设备性能的可靠性，整个安装过程必须严格按照说明书操作，并以整体落地的方式完成安装，安装位置应设置在室外或楼顶。

而在连接机组管道时，则要先按照安装说明将机组固定好，确定机组设备安装牢固之后，再将符合机组技术参数的水泵、管材搬运至安装现场，并对其质量性能进行复查，以免出现水泵性能符合要求、管材质量不合格问题，使空气源热泵机组无法正常运行。确定水泵、管材无任何问题之后，应开始对管道系统进行全面清洁，将管道内部的各种杂物清除干净，并按照设计原理图将内部清洁的管路有序安装起来，使所有水管都能够布置合理，且处于横平竖直的状态，以免因管路弯曲过多而出现系统阻力损失增加的问题。在自来水给水管、主机和水箱登出的管路连接完毕后，应立即组织专业技术人员进行严密性水压试验与排污清理，确保整个管路连接到位、无漏水处，且系统内部清洁。

3.3 运维阶段

在大温差空气源热泵机组安装到位、投入运行后，还要注意做好开机前维护与日常运维工作。开机维护是指在每年冬季供暖开机之前，由专业人员向水循环回路中适量添加防冻液，以免机组设备出现循环液上冻的故障现象，如主机周边存放有杂物，则要将主机1m 范围内的杂物清理干净，风扇正面则要留出2m 左右的空地，以免因阻挡物距离过近而将冷风送回主机。

日常运维工作主要是指冬季供暖时对空气源热泵系统进行持续维护，由于日常维护的工作内容比较烦琐，因此必须要在工作制度中将机组维护要点明确下来，对有关维护人员提出严格要求。例如，在冬季气温低于0℃的情况下，应尽量保证空气源热泵电源的持续供电，以免使机组设备、管路被冻坏。在热泵机组设备供暖时会排放大量化霜水的情况下，需要考虑好化霜水的管道安装位置及线路，确保化霜水排除后能够快速清理干净。如使用了热水型空气源热泵机组，应注意将机组设备地出水温度控制在45℃以内，并安装地面辐射、风机盘管散热末端，以免因出水温度过高而出现室内温度不稳定、风机盘管过热等问题。

另外，在大温差空气能热泵机组投入运行时间较长的情况下，往往都会出现一些运行故障，而为了尽可能降低故障的负面影响，避免机组设备出现二次故障，则需要用户注意观察压缩机运行噪声、启停次数、吸气管结霜情况以及冷凝压力、吸气压力等细节，以便于及时发现故障隐患，并对故障信息做出简单判断。在发现故障后，用户需要及时向专业维修人员汇报，或联系厂家售后进行报修，而不可由非专业人员擅自进行拆卸、维修。

4 大温差空气源热泵在供暖系统中应用需要注意的问题

4.1 融霜控制

在将大温差空气源热泵实际于供暖系统建设时，由于热泵运行时会从室外热源（以空气为主）中吸收热量，而需供暖区域的冬季室外空气温度又比较低，因此在空气换热阶段（室外热源向室内热源转移热量），空气温度与换热器表面温度都会不断下降，一旦换热器表面温度下降至露点温度，就很容易出现表面析湿现象，如换热器表面温度降低至0℃以下，其表面则会结霜，进而直接影响整个机组设备的正常运行。面对这一问题，用户不仅需要通过安装四通换向阀等方式进行除霜处理，同时还需要充分考虑到换热器表面长时间结霜对热泵机组设备能耗以及运行稳定性、安全性的影响，根据供热系统实际情况来采取合适的融霜方法，做好融霜控制工作，确保热泵机组的融霜总用时在运行周期的20%以下。例如，在冬季温度较高的中部地区，换热器结霜程度不高，可采用除霜速度快的电热除霜方法，基本无须考虑除霜的能耗、成本问题；而在冬季温度较低的东北、西北等地区，则可以在综合考虑除霜速度、能耗等多方面因素的情况下，采用成本较低、除霜速度比较理想的换向除霜方法。

4.2 设备基础高度设计

在供暖系统大温差空气源热泵的实际应用中，由于热泵机组设备运行时容易受到外界环境影响，出现周边积水大量结冰、冷风受地面杂物阻挡等情况，因此设备安装阶段必须要合理设置设备基础高度，确保基础高度能够在30cm 以上，以便于有效避开地面上可能会堆积的各种杂物。若机组设备安装区域存在积雪风险，则需要根据安装位置的实际情况来对积雪高度进行合理预测，并据此设计出相应的基础高度，以免因设备安装区域大量积雪而影响通风条件与制热效果。若冬季降雪量过大，还要在降雪时注意检查设备安装区域积雪情况，并将可能影响到热泵机组运行的积雪及时清除干净。

5 结语

总而言之，随着暖通空调行业的不断发展，未来大温差空气源热泵必然会在供暖系统中得到更多的应用，而要想保证其应用效果，在有关供暖工程建设中将大温差空气源热泵系统的优势充分发挥出来，则需要熟悉了解传统空气源热泵与大温差空气源热泵间的区别，从设计、安装施工、运维等方面入手，准确把握这一热泵设备的实践应用要点，同时对融霜控制、设备基础高度设计等应用问题加以注意。