空氣源熱泵地板采暖技術(shù)在民用住宅上的應(yīng)用

辛 宏

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

空氣源熱泵地板采暖技術(shù)在民用住宅上的應(yīng)用

辛 宏

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

文中介紹了空氣源熱泵地板采暖技術(shù)在民用住宅上的應(yīng)用，并說明了其工作原理。該系統(tǒng)不僅具有節(jié)能環(huán)保效益，而且在改善能源結(jié)構(gòu)等方面上提供了有效的措施。

空氣源熱泵；節(jié)能環(huán)保

0 引 言

在建筑業(yè)迅猛發(fā)展之際，采暖空調(diào)熱水供應(yīng)逐漸成為建筑用能的大戶，由于環(huán)保要求的提高，我國北方越來越多的城市限制燃煤采暖，何種清潔節(jié)能的采暖系統(tǒng)可替代燃煤采暖成為關(guān)系到國計(jì)民生的課題。

空氣源熱泵是一種適用廣泛、便于分戶管理的節(jié)能產(chǎn)品，特別是在沒有實(shí)現(xiàn)集中供熱的地區(qū)，屬可再生能源利用范疇。

1 案例源單位簡介

裝甲兵工程學(xué)院的前身是1953年成立的軍事工程學(xué)院“裝甲兵工程系”。1961年以該系為基礎(chǔ)，在西安組建成立裝甲兵工程學(xué)院。1969年遷址北京。學(xué)院隸屬于總裝備部，是全國重點(diǎn)工科院校、全軍學(xué)歷教育院校。

長安新城是北京市一個(gè)大型生活社區(qū)，位于長安街南畔，東部的“健身、休閑廣場”緊鄰西四環(huán)綠化帶，用地47.3 ha，總建筑面積約100×104m2，是目前北京市西部的經(jīng)濟(jì)適用房。為了貫徹國家節(jié)約能源的政策，裝甲兵工程學(xué)院職工在該小區(qū)購房多套，統(tǒng)一安裝了空氣源熱泵+地板輻射采暖設(shè)備。

2 對比房采暖系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、技術(shù)水平、能耗情況

以回龍觀云趣園二區(qū)10號樓4單元302室作為對比房，對比房和實(shí)驗(yàn)房結(jié)構(gòu)相同，建筑面積122 m2，房體均設(shè)置內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。

對比房采用電熱膜作為采暖系統(tǒng)，每平方米電熱膜費(fèi)用150元，采暖設(shè)備總投資150×122=18 300萬元。室溫設(shè)定為20 ℃。采暖對比數(shù)據(jù)典型日(8 d×24 h)，耗電量為301 kWh，換算成一個(gè)采暖期120 d為4 515 kWh，北京地區(qū)電費(fèi)按0.48元/kWh計(jì)算，冬季采暖期費(fèi)用為0.48×4 515=2167.2元。

3 節(jié)能改造系統(tǒng)及方案的選擇

3.1 系統(tǒng)方案的選擇

熱泵用少量高品位能將大部分低品位能提升為可用于采暖空調(diào)熱水供應(yīng)的能源，其效率大于1.0，是一種替代高位能源直接利用的裝置。

空氣源熱泵與水源熱泵、地源熱泵相比的優(yōu)點(diǎn)是：以空氣為熱源，清潔、可再生、可小型化的裝置。

實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)采暖的方案：

(1)通過降低熱泵機(jī)組的出水溫度，使壓縮機(jī)運(yùn)行在可行的壓縮比內(nèi)。并保證較高的供熱效率及運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)機(jī)組特點(diǎn)是分體式(防凍)，具有雙末端機(jī)即地板輻射采暖和風(fēng)盤送風(fēng)降溫。

(2)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)技術(shù)。

①水溫的范圍：當(dāng)?shù)孛婷鎸訛樘沾纱u時(shí)，維持室溫18 ℃，使用管材PEX-D20/16，管間距為200 mm，水溫35 ℃，可以提供的供熱量為90.4 W/m2，大于建筑的采暖負(fù)荷，所以水溫可以適當(dāng)?shù)陀?5 ℃(按建設(shè)部節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能50%的建筑采暖負(fù)荷為54 W/m2)。

②當(dāng)壓縮機(jī)出水溫度為35 ℃，其冷凝溫度為40 ℃左右，當(dāng)環(huán)境溫度為-15 ℃，對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為-20 ℃左右，其壓縮機(jī)的壓差小于1.4 MPa，是安全運(yùn)行的范圍，并以樣本數(shù)據(jù)7P機(jī)為例，該壓縮機(jī)輸入功率為5 600 W(含水泵和風(fēng)機(jī))，機(jī)組輸出熱量為8 580 W，COP為1.53，即壓縮機(jī)工作在-15 ℃環(huán)境下，產(chǎn)生35 ℃的水，能效比為1.53。

③空氣源熱泵機(jī)組，經(jīng)中國家電所測試結(jié)果見表1。

表1 中國家電所檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 空氣源熱泵采暖技術(shù)介紹

空氣源熱泵采暖技術(shù)，以空氣源熱泵作為冷熱源，冬季與輻射地板結(jié)合用于采暖，借助電能從空氣中取熱、取冷，清潔、安全、節(jié)能。

空氣源熱泵與地板輻射技術(shù)結(jié)合時(shí)該系統(tǒng)由兩部分組成：

(1)空氣源熱泵機(jī)組

由室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)兩部分組成，它在冬季作為熱源，提供熱水給地板輻射采暖。室外機(jī)與空氣進(jìn)行熱交換，通過氟22介質(zhì)將冷熱傳送到室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)通過板式換熱器將氟22的冷熱轉(zhuǎn)化為冷熱水，由冷熱水在居室內(nèi)循環(huán)。這種設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：

①氟系統(tǒng)與水系統(tǒng)分別放在室外、室內(nèi)，避免冬季采暖時(shí)凍結(jié)隱患。

②室內(nèi)系統(tǒng)以水作為輸送冷熱的媒介，安全可靠，大大減少氟泄漏。

③壓縮機(jī)在室外，噪音小。

(2)地板輻射采暖

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳墓ぷ髟硎鞘辜訜岬牡蜏責(zé)崴鹘?jīng)鋪設(shè)在地板層中的管道，并通過管壁的熱傳導(dǎo)對其周圍的混凝土地板加熱，低溫地板以輻射方式向室內(nèi)傳熱，從而達(dá)到舒適的采暖效果。

輻射地板一般由供暖埋管和覆蓋混凝土層構(gòu)成，基層為鋼筋混凝土樓板，上鋪高效保溫材料隔熱層，隔熱層上敷設(shè)塑鋁復(fù)合管，塑鋁復(fù)合管上鋪鋼筋加強(qiáng)網(wǎng)，其上為混凝土地面和裝修層。

該技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用分體結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計(jì)，具有防凍、布置方便、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)；整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制，可按需要分時(shí)段分室調(diào)控。

3.3 空氣源熱泵采暖技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)關(guān)鍵技術(shù)

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱，經(jīng)過電力做功，輸出高品位熱能的設(shè)備。如水源熱泵從16 ℃的井水中提取熱，經(jīng)電力壓縮機(jī)對循環(huán)工質(zhì)做功，可以達(dá)到輸出熱水溫度52 ℃，其輸出熱量與輸入電功率之比為3.51。這種熱水可以利用風(fēng)機(jī)盤管向房間供暖。夏季又可利用同一裝置制冷，做到一機(jī)多用，即節(jié)省初投資，又節(jié)省運(yùn)行費(fèi)。在有條件提供地下水源的情況下，是一種理想的節(jié)能系統(tǒng)裝置。但在大部分城市地區(qū)，由于受到水源開采的限制，實(shí)際推廣過程中難度大。

另一類熱泵是以空氣為熱源，理論上可以不受資源限制，在任何地區(qū)運(yùn)用。供熱是通過直接產(chǎn)生熱風(fēng)或產(chǎn)生45 ℃熱水后再產(chǎn)生熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)的。在寒冷氣候下，選用低溫性能好的高效壓機(jī)的基礎(chǔ)上，降低冷凝溫度，選擇一種可行的末端采暖裝置配合使用?？諝庠礋岜脵C(jī)組在氣溫-15 ℃下穩(wěn)定運(yùn)行，通過向輻射地板采暖供出35～38 ℃左右的熱水，使得在寒冷地區(qū)的室內(nèi)溫度達(dá)到舒適要求，即18～20 ℃。在上述的氣溫、水溫條件下，熱泵的蒸發(fā)溫度至少是-20 ℃，蒸發(fā)壓力是1.455 kg/cm2，冷凝溫度是40～43 ℃，冷凝壓力是14.2～15.4 kg/cm2，即壓縮機(jī)的壓縮比為9.8～10.58。

空氣源熱泵研究所通過太陽能集熱器產(chǎn)生低溫?zé)崴┹椛涞匕宀膳?，水?0～40 ℃，可滿足北京地區(qū)冬季需求，輻射地板是一種配合氣源熱泵的散熱末端。

(2)創(chuàng)新點(diǎn)

①低溫性能好：壓縮機(jī)能夠保證系統(tǒng)-16 ℃正常運(yùn)行。

②供熱效率較高：與地板輻射采暖匹配，利用35 ℃低品位熱，在0～-15 ℃的環(huán)境溫度下，COP平均達(dá)2.0以上，地板的蓄能作用使得系統(tǒng)可以利用白天的較高溫空氣，進(jìn)一步提高系統(tǒng)供熱效果。

③分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：氟系統(tǒng)和水系統(tǒng)分離，冬季防止凍結(jié)，室內(nèi)機(jī)體積小、噪音低。

④模塊設(shè)計(jì)：雙室外機(jī)可有效節(jié)能。用戶可以根據(jù)負(fù)荷的情況，運(yùn)行單/雙機(jī)，解決能耗大的問題。

⑤使用220V民用電：8～16 kW大功率機(jī)組可以使用220 V民用電。

3.5 實(shí)驗(yàn)房的實(shí)際運(yùn)行狀況及現(xiàn)場監(jiān)測

實(shí)驗(yàn)房為長安新城4號樓6單元0704室，公寓面積122 m2，做內(nèi)保溫。安裝使用了空氣源熱泵采暖系統(tǒng)設(shè)備FRS-12D機(jī)組一套：12D主機(jī)，地板輔設(shè)管線。機(jī)組額定輸入功率4.8 kW，制熱量為13.4 kW。地板埋管為PEX管，地板表面為木質(zhì)地板。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

通過累計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，8 d×24 h用電量為137 kWh，換算成一個(gè)采暖期120 d為2 055 kWh，電費(fèi)按0.48元/kWh計(jì)算，費(fèi)用為0.48×2 055=986.4元。

5 節(jié)能量的測量

節(jié)能量的測量見表3。

表3 典型月實(shí)驗(yàn)房與對比房的耗能量測試對比表

由上表可推，北京地區(qū)一個(gè)采暖期120 d，建筑面積為122 m2的住房，采用空氣源熱泵+地板輻射采暖，較電熱膜采暖要節(jié)電量為2 460 kWh，折合節(jié)熱量8 856 MJ。

6 項(xiàng)目節(jié)能效益及其它非能源效益

6.1 節(jié)能效益

空氣源熱泵采暖技術(shù)投入運(yùn)行后，北京地區(qū)每年采暖期120 d，一套建筑面積為122 m2的住房，采用空氣源+地板輻射采暖，電費(fèi)按0.48元/kWh計(jì)算，費(fèi)用986.4元。采用電熱膜技術(shù)采暖，冬季采暖期費(fèi)用為2 167.2元。前者年可節(jié)省采暖運(yùn)行費(fèi)用1 180.8元。

6.2 非能源效益

該系統(tǒng)投入運(yùn)行后，年可節(jié)電量2 460 kWh，一年可減排碳含量561.13 kg(計(jì)算根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會(huì)節(jié)能信息傳播中心提供的減排標(biāo)準(zhǔn)，1噸標(biāo)煤減排710.6千克碳)。

表3 住宅類建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)綜合比較表(以北京地區(qū)為例)

7 總投資及經(jīng)濟(jì)評價(jià)

7.1 投資回收期

不同采暖系統(tǒng)投資費(fèi)用比較見表4。

表4 不同采暖系統(tǒng)投資費(fèi)用比較表

在初投資上，空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)投資費(fèi)用要高出對比房電熱膜采暖3 660元。運(yùn)行費(fèi)用上，年可節(jié)約1 180.8元，計(jì)算回收期為：

投資回收期=增加投資/年節(jié)約額=3 660/1 180.8=3.10年

項(xiàng)目可在3.10年即3.1個(gè)采暖期收回全部投資。

電的價(jià)格是影響投資回收期的主要因素，其關(guān)系如圖1所示。

表5 回收期—電價(jià)

圖1 電價(jià)影響回收期圖

根據(jù)我國現(xiàn)有的通漲情況，選擇貼現(xiàn)率8%，項(xiàng)目壽命期10年。

表5 凈現(xiàn)值計(jì)算表 元(RMB)

10年累計(jì)收益11 808元，折現(xiàn)值4 263.26元。

內(nèi)部收益率計(jì)算見表6。

表6 貼現(xiàn)率—凈現(xiàn)值關(guān)系圖 萬元(RMB)

圖2 貼現(xiàn)率—凈現(xiàn)值關(guān)系圖

計(jì)算內(nèi)部收益率IRR=29.90%，大于設(shè)定的期望利率，節(jié)能效益顯著。

8 適用對象

空氣源熱泵采暖技術(shù)采用輻射地板作為散熱末端后，擴(kuò)大了風(fēng)冷熱泵采暖的應(yīng)用領(lǐng)域，由夏熱冬冷地區(qū)推進(jìn)到寒冷地區(qū)，使得在北方寒冷地區(qū)除了目前常規(guī)的燃煤、燃?xì)?、燃油及電熱直接采暖方式外，又出現(xiàn)了一種新的采暖方式。

我國寒冷地區(qū)人口約3億，新系統(tǒng)的市場潛力大。系統(tǒng)初投資約180元/m2，在價(jià)位上適合中高檔住宅樓盤和別墅采用，因此在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)同時(shí)環(huán)保要求高的大中城市及沿海發(fā)達(dá)地區(qū)有著一定的市場。

此系統(tǒng)與寒冷地區(qū)其他常規(guī)采暖方式比較，也表現(xiàn)出自己的特點(diǎn)。在環(huán)保方面，采用R22型綠色制冷劑，借助電能從空氣中取熱，在居住小區(qū)內(nèi)不造成任何空氣污染，是一種清潔、安全的采暖系統(tǒng)；在節(jié)能方面，它綜合了空調(diào)的高效率和地板輻射采暖的舒適性特點(diǎn)，在環(huán)境溫度0～-15 ℃下，系統(tǒng)供熱效率COP平均達(dá)2.0以上。對于非節(jié)能建筑，在京津地區(qū)冬季運(yùn)行費(fèi)與燃煤采暖收費(fèi)基本一致；對于節(jié)能建筑，在北京冬季運(yùn)行費(fèi)比北京市燃油、燃?xì)饧半婂仩t采暖收費(fèi)節(jié)省60%左右的費(fèi)用，比燃煤采暖收費(fèi)省37%左右的費(fèi)用。

[1] 何占江,朱常琳.蘭州市應(yīng)用空氣源熱泵的可行性及對空氣質(zhì)量的改善[J]. 甘肅科技，2007(2).

[2] 甄 仌,劉宗華,王起霄,等.提高低溫空氣源熱泵性能的研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2007(1).

[3] 沈 煒,周 晉,李樹林.空氣源熱泵在中國北方地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007(1).

[4] 韓宗偉,李先庭,石文星.適用于寒冷地區(qū)的太陽能與低溫空氣源熱泵復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)[J]. 暖通空調(diào), 2011(1).

[5] 付文成,郭憲民,陶祥成.一種新型空氣源熱泵除霜方式的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2009(3).

[6] 劉 悅,張?jiān)戚x.熱泵原理及其國內(nèi)外發(fā)展[J]. 科技信息(科學(xué)教研), 2008(8).

Application of Air Source Heat Pump Floor Heating Technology in the Civil Residence

XIN Hong

(Energy Conservation Service Center of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China)

This article introduces the application of air source heat pump floor heating technology in the civil residence, and describes its working principle. This system is not only benefits to the energy conservation and environmental protection, but also provides the effective measures on aspects of improvement in energy structure and the others.

Air source heat pump; Energy conservation and environmental protection

2015-06-11

2015-07-10

辛宏(1983-)，女，畢業(yè)哈爾濱商業(yè)大學(xué)，國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易專業(yè)，現(xiàn)從事節(jié)能方面研究與測試工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.009

TU823.1

B

1009-3230(2015)08-0032-05