關于空氣源熱泵機組制備集中熱水的節(jié)能及穩(wěn)定性分析

摘 要：文章根據工程實例將空氣源熱泵、燃氣、電加熱制備熱水在運行能耗、投資以及供熱穩(wěn)定性等方面進行對比分析。

關鍵詞：高層宿舍；集中供熱；空氣源熱泵；節(jié)能減排

節(jié)能減排是我國十一五規(guī)劃綱要，雖然十一五已經過去，但十二五節(jié)能減排面臨的形勢仍然十分嚴峻。我國建筑能耗占總能耗的27%以上，而且還在以每年1個百分點的速度增加。所以在新建建筑中盡可能的利用新技術達到節(jié)能減排的目的也刻不容緩。文章將分析空氣源熱泵在宿舍生活區(qū)集中供應熱水系統(tǒng)的運用，以及對采用空氣源熱泵、燃氣、電制備熱水的能耗、投資、供熱穩(wěn)定性方面進行分析。

1 空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵是根據逆卡諾循環(huán)原理，采用電能驅動將室外5～15℃空氣的熱量通過熱泵提升到50～55℃供生活熱水。熱泵從空氣中吸取溫度為10℃左右的熱量通過蒸發(fā)器換熱將熱泵中的液態(tài)介質變成氣態(tài)，氣態(tài)介質通過壓縮機壓縮成高壓高溫氣態(tài)，進入冷凝器冷凝放熱將熱量傳給生活熱水，經放熱后的介質變成高壓液態(tài)再經節(jié)流裝置膨脹減壓成低壓液體進入蒸發(fā)器重復往返上述過程。

2 空氣源熱泵在集中供應熱水中的運用

該項目位于重慶渝北地區(qū)，氣象條：年平均溫度17.7℃，日平均溫度≤+5℃的天數為0天，日平均溫度≤+8℃的天數為53天。根據現(xiàn)行規(guī)范，屬于宜設置輔助熱源的，但對氣象條件以及職工宿舍的使用段性分析，日平均溫度≤+8℃的天數為53天，日期為12.22～02.12，在該段時間內大部分工人已返鄉(xiāng)過春節(jié)，熱水用量會大大減少，所以本工程設計采用不設置輔助加熱熱源，采用最冷月平均氣溫7.2℃，作為空氣源熱泵計算參數。以1#宿舍樓為例：宿舍總人數3288人，主要宿舍類型為8人間和4人間屬于有單獨衛(wèi)生間的Ⅲ和Ⅳ宿舍。

3 運行能耗分析

經查閱國內主要空氣源熱泵廠家的參數數據，分析發(fā)現(xiàn)空氣源熱泵工況均為室外干/濕球溫度為20℃/15℃，進水溫度15℃，出水溫度55℃時，cop取3.5。按Q=365mqC（tr-tl）ρr計算年耗熱量Q=1.86×1010KJ按進口熱泵的性能計算，需要消耗的能源折合標準煤596.5噸。采用燃氣式水加熱器時需要折合標準煤717.0噸。采用電加熱器時需要折合標準煤2129.9噸。由此可以采用空氣源熱泵運行能耗最低，比采用燃氣水加熱器每年節(jié)約標準煤120.5噸，比采用電加熱器每年節(jié)約標準煤1533.4噸。

4 一次性投資造價及運行費用分析

采用空氣源熱泵、燃氣水加熱器、電加熱器一次性投資比較如表1所示，由表可以在選用相同容積熱水貯水箱的情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)的加熱設備和第一循環(huán)管道造價較高，而電加熱的其他設備投入費用較高。從總體一次性投資看，燃氣水加熱器投資為最低，電加熱器投資最高。年運行費用空氣源熱泵最低，電加熱器最高。（如表2所示）

由10年累計成本投入可知，運行時間大于2年后空氣源熱泵總投入為最少，且隨運行時間增長總成本相對于電加熱器和燃氣水加熱器越來越低；當采用燃氣水加熱器作為輔助熱源時，輔助熱源運行時間小于1個月時，3年以后累計投入將比單獨設置燃氣水加熱器和電加熱器少；當采用燃氣水加熱器作為輔助熱源時，輔助熱源運行時間小于3個月時，5年以后累計投入才比單獨設置燃氣水加熱器和電加熱器少，總投資節(jié)省并不明顯。

5 供熱穩(wěn)定性能分析

首先分析空氣源熱泵供熱穩(wěn)定性，由于空氣源熱泵的工況數據都在室外干/濕球溫度為20℃/15℃，進水溫度15℃，出水溫度55℃時測定，所以當冬季或最冷月平均氣象條件低于工況條件時，設備產熱能力要衰減，環(huán)境溫度為7℃時COP會下降，根據各廠家提供樣本的變工況曲線，熱泵變工況曲線隨環(huán)境溫度變化平坦的熱泵，COP下降幅度較小，降至3.1左右，制熱量減少11.4%，熱泵變工況曲線隨環(huán)境溫度變化較陡的熱泵，COP下降幅度較大，降至2.5左右，制熱量減少28.6%，環(huán)境溫度較低時還會出現(xiàn)結霜問題，影響空氣源熱泵的使用。總之空氣源熱泵受環(huán)境溫度影響較大，供熱穩(wěn)定性差。燃氣水加熱器只要保證足夠的燃氣供應，燃氣水加熱器加熱效果最好，升溫快，熱源穩(wěn)定，維護成本低，需要設備用房且安裝位置受限，必須通風，燃氣有泄漏的危險，并有大量廢氣排出。電水加熱器保證足夠的電力供應，電水加熱器加熱效果最好，升溫較快，熱源穩(wěn)定，需要設備用房但安裝方便安裝位置不受限制，維護成本較高，電功率大，供電線路要求高。

6 結束語

空氣源熱泵制備熱水節(jié)能且無污染符合國家的節(jié)能減排規(guī)劃，但其供熱不穩(wěn)定導致選用時需要根據當地氣象條件來決定是否適合采用空氣源熱泵。在最冷月平均氣溫不小于10℃的地區(qū)，且極端低溫情況天數較少，如我國南方地區(qū)，COP在最不利氣象條件下仍能達到3.5，適合采用空氣源熱泵且可不設置輔助加熱，也可以保證供熱穩(wěn)定性。節(jié)能效果明顯，建造及運行成本低。在最冷月平均氣溫小于10℃大于0℃的地區(qū)如中部沿海地區(qū)、西南部分地區(qū)，空氣源熱泵在最不利氣象條件下制熱量會下降，這時需要根據用戶需要設置輔助加熱。由以上投資與運行費用分析中可知，在運行期較長且制熱量不滿足用戶要求的天數較少的情況下設置燃氣熱水器作為輔助加熱投資與運行費也比直接采用燃氣水加熱器和電加熱器少，采用空氣源熱泵加熱也能達到節(jié)能減排的目的。

參考文獻

[1]GB50015-2003.建筑給水排水設計規(guī)范[S].2009.

[2]GB50736-2012.民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].

[3]中國建筑設計研究院.建筑給水排水設計手冊（上冊）.第二版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.