超低溫空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)供暖應(yīng)用研究

金洪文,孫 妍, 馬 喆,吳宏偉 ,蔣 娜

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012; 2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心,長(zhǎng)春 130012; 3.赫特福德大學(xué),英國(guó);4.長(zhǎng)春電力設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)春 130012)

嚴(yán)寒地區(qū)占據(jù)中國(guó)國(guó)土面積 27%，截止2014年，其城鎮(zhèn)建筑供暖面積達(dá)126億，其中污染嚴(yán)重的分散燃煤供暖面積占比高達(dá)30%左右.嚴(yán)寒地區(qū)供暖能耗不僅需要滿(mǎn)足嚴(yán)寒天氣所需大量熱負(fù)荷，還需要補(bǔ)充通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失大約40%的能耗，為此需要消耗大量的煤炭資源進(jìn)行供暖.同時(shí)，以燃煤為主用發(fā)電或供暖的化石能源在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)造成土地?fù)p壞、水資源污染、溫室效應(yīng)加劇，霧霾天氣頻繁等生態(tài)環(huán)境失衡.

2013年，國(guó)務(wù)院下發(fā)全面整治燃煤小鍋爐計(jì)劃，加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè).國(guó)家“十三五”規(guī)劃中提出：“實(shí)施以電代煤、以氣代煤，率先使用太陽(yáng)能、地?zé)崮?、空氣能等清潔能源提供供熱、供冷服?wù)”，以壓減燃煤消費(fèi)，防治大氣污染、提高可再生能源消費(fèi)比例等方面要求.

近年來(lái)，長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)等夏暖冬冷區(qū)已廣泛采用空氣源熱泵作為供暖及供熱水系統(tǒng)運(yùn)行，隨著空氣源熱泵性能不斷完善，在北方很多地區(qū)也得到應(yīng)用.北方地區(qū)室外采暖計(jì)算溫度一般在-20℃～-26℃之間，常規(guī)R410A的制冷劑熱泵機(jī)組運(yùn)行較佳的室外氣溫條件在-5 ℃左右[1].隨著室外氣溫的降低，空氣源熱泵的制熱量和運(yùn)行能效呈下降趨勢(shì)，蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜帶來(lái)制熱能力下降等問(wèn)題突顯出來(lái).因此，很多品牌的空調(diào)廠(chǎng)家都已研發(fā)出適用于低溫環(huán)境的CO2空氣源熱泵，以CO2作為制冷劑工質(zhì)的熱泵，能夠?qū)崿F(xiàn)超低溫蒸發(fā)吸熱，室外溫度條件在-20 ℃時(shí)可達(dá)到出水溫度為35 ℃左右，平均COP值2.5左右.且CO2的ODP=0，GWP=1.同時(shí)，東北地區(qū)電資源過(guò)剩也為空氣源熱泵應(yīng)用提供便利條件.

本文以敦化高速公路服務(wù)區(qū)(西區(qū))建筑為例，對(duì)CO2低溫空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行分析.

1 氣候條件

敦化市位于吉林省東部山區(qū)，長(zhǎng)白山腹地，屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候，春天短.采暖季平均氣溫-4.6 °C，最高溫度23.3 °C，最低溫度-31.3°C.對(duì)2015年10月25日～2016年4月10日敦化國(guó)家基準(zhǔn)氣候觀測(cè)站(位置E 128°12′，N 43°22′,海拔高度524.9 m)氣象觀測(cè)，采暖季氣溫區(qū)間分布小時(shí)數(shù)如表1，采暖季月平均干球溫度、相對(duì)濕度如表2.

表1敦化市采暖季節(jié)各月氣溫區(qū)間分布小時(shí)數(shù)(h)

溫度區(qū)間/℃日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04總計(jì)t≥52564---148101338-5≤t<511728882-271073411441106-15≤t<-518271357230406146-1428-25≤t<-15-6047249016840-1200t<-25--3445--52

表2敦化市采暖季月平均干球溫度(tg)、相對(duì)濕度(φ)

日 期日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04干球溫度/°C5.6-5.1-10.7-16.4-11-1.36.6相對(duì)濕度/%53676959585750

由表1可知：敦化市供暖總時(shí)長(zhǎng)為4 154 h，室外氣溫≥-15℃的時(shí)長(zhǎng)為2 872 h，占總供暖時(shí)長(zhǎng)的69.1%；室外氣溫≥-5℃的時(shí)數(shù)為1 444 h，占總供暖時(shí)長(zhǎng)的34.7%.從室外氣溫區(qū)間分布情況看，敦化市供暖期內(nèi)絕大多數(shù)時(shí)間里采用空氣源熱泵進(jìn)行供暖，可在較高的能效下運(yùn)行.

2 工程概況

本次測(cè)試地點(diǎn)為敦化高速公路服務(wù)區(qū)(西區(qū))綜合服務(wù)樓，屬于框架結(jié)構(gòu)節(jié)能型建筑，設(shè)有餐廳、包廂、廚房、冷庫(kù)、客房、辦公室等區(qū)域.供熱面積為2 922.5 m2，末端采用地面輻射采暖.因工程地處偏遠(yuǎn)，無(wú)法接入市政供暖系統(tǒng)或燃?xì)夤艿?，常?guī)的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)很難滿(mǎn)足全天候供熱的要求，地源熱泵初投資費(fèi)用高，綜合考慮增設(shè)管道造價(jià)、輸送熱損失、投資費(fèi)用以及節(jié)能環(huán)保等要求，提出使用采用以電為動(dòng)力的CO2空氣源熱泵供熱[2]. 采用5臺(tái)CO2空氣源熱泵，三用兩備，每臺(tái)空氣源熱泵名義制熱量為100 kW，輸入功率為37 kW.循環(huán)水泵型號(hào)為IRG-80-160，其額定功率為7.5 kW，流量為50 m3/h.

3 供熱能力分析

2017年1月7日～12日期間，采用型號(hào)DT3891G的 “多路溫度巡檢儀熱電偶記錄儀”對(duì)供水、回水主管道、室外及室內(nèi)溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量記錄.測(cè)試期間三臺(tái)CO2空氣源熱泵連續(xù)供熱，測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為138 h，且測(cè)試期間空氣源熱泵所提供熱量滿(mǎn)足冬季采暖室內(nèi)計(jì)算溫度18℃(實(shí)際室內(nèi)溫度達(dá)到20℃左右).室外溫度、CO2空氣源熱泵提供熱量數(shù)據(jù)如圖1所示，此系統(tǒng)采用智能控制系統(tǒng)，當(dāng)提供熱量滿(mǎn)足設(shè)定要求，自動(dòng)降低供水溫度，通過(guò)改變制冷劑流量，致使輸出的熱量減少，最大限度減少能耗.

利用熱量公式計(jì)算熱泵提供熱量.

Q=G×cp×Δt/3.6

(1)

其中:Q為CO2空氣源熱泵提供熱量，kW；G為循環(huán)水流量，kg/s；cp為比熱容，kJ/(kg·℃)；Δt為供回水溫差，℃.

Q=G×cp×Δt/3.6=50×4.18×4.5/3.6=260.76kW

CO2空氣源熱泵測(cè)試期間平均供熱量為260.76 kW，日平均提供熱量260.76×24=6 258.24 kW.

圖1 CO2 空氣源熱泵供熱量隨室外氣溫變化情況

4 結(jié)霜除霜分析

1月10號(hào)10：30～19:00為機(jī)組除霜期間，共計(jì)6 h30 min.測(cè)試期間，CO2空氣源熱泵供回水溫差增大2倍，并且經(jīng)計(jì)算除霜期間平均產(chǎn)生404.1kW熱量，達(dá)到除霜目的同時(shí)保證了室內(nèi)環(huán)境溫度保持在20 ℃左右.如圖2所示，除霜前期需較多熱量，隨時(shí)間推移，所需熱量逐漸減少.

圖2 CO2空氣源熱泵除霜期供熱量隨天氣變化情況

據(jù)資料顯示，空氣源結(jié)霜與室外空氣條件有密切關(guān)聯(lián)，室外干球溫度tg和相對(duì)濕度φ是影響空氣源熱泵結(jié)霜效率的重要參數(shù)，且結(jié)霜范圍溫度在-12.8℃≤tg≤5℃.當(dāng)溫度tg>-5.8℃時(shí)，不考慮結(jié)霜；當(dāng)溫度-5℃85%時(shí)，結(jié)霜嚴(yán)重；當(dāng)tg<-5℃時(shí)，結(jié)霜速率減慢；當(dāng)tg<-5.8℃、φ<67%時(shí)，不發(fā)生結(jié)霜；當(dāng)tg<-12.8℃時(shí)，不發(fā)生結(jié)霜[3].

由表1可初步得知：敦化市供暖期內(nèi)室外空氣平均相對(duì)濕度多數(shù)均在相對(duì)濕度界限以下，少數(shù)室外空氣狀態(tài)點(diǎn)落入結(jié)霜區(qū)且極少部分落入嚴(yán)重結(jié)霜區(qū).由表4可知：落入結(jié)霜區(qū)的時(shí)數(shù)達(dá)到373 h，占供暖總時(shí)數(shù)的0.08%；落入嚴(yán)重結(jié)霜區(qū)的時(shí)數(shù)達(dá)到230 h，占供暖總時(shí)數(shù)的0.05%，其余各月出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)霜現(xiàn)象平均每月2～5天，出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象平均每月4～9天.

表3敦化市采暖季各月結(jié)霜所占小時(shí)數(shù)(h)

除霜情況日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04總計(jì)結(jié) 霜-13510487650-373嚴(yán)重結(jié)霜-9238-3367-230

敦化作為典型的嚴(yán)寒地區(qū)，結(jié)霜時(shí)間短.而超低溫空氣源熱泵除霜化霜可根據(jù)程序設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在除霜期運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，間隔每20 min進(jìn)行一次除霜，每次除霜時(shí)間2 min(除凈)；按24 h運(yùn)行計(jì)算即124 min，總計(jì)大約2.4 h.敦化市連續(xù)結(jié)霜期約為6～14 d，既最多除霜為34 h小于運(yùn)行期的20%，完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).且供熱期間因除霜所消耗的總電量不大0.6 kW/m2，僅消耗少量能源即可滿(mǎn)足除霜要求且不影響室內(nèi)環(huán)境溫度需求.

5 熱泵供熱電耗及運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

5.1 電耗

敦化高速公路服務(wù)區(qū)西區(qū)互感器比為120，每天9：00記錄電表讀數(shù)，如表2所示，根據(jù)電表記錄可知每天耗電量約為20×120=2 400 kW .

對(duì)CO2空氣源熱泵機(jī)組在-20 ℃的低溫下能效比計(jì)算：

求得COP平均值為2.6，即1 kW的電量可以產(chǎn)生2.6 kW的熱量，相比與直接電采暖更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能.

5.2 運(yùn)行費(fèi)用

按照吉林省峰、平、谷電價(jià)計(jì)算，峰電價(jià)時(shí)間段為7：30-11：30、17：00-21：00共8個(gè)小時(shí)，低谷電價(jià)時(shí)間段為22：00-5：00共計(jì)7個(gè)小時(shí)，其他為平電價(jià)時(shí)間段.平電價(jià)為0.525元，峰電價(jià)乘150%，谷電價(jià)乘50%.根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以高速公路服務(wù)區(qū)西區(qū)日平均提供熱量6258.24 kW作為計(jì)算基準(zhǔn)，取多種能源形式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表5所示.

表4熱泵用電情況

日期(年/月)測(cè)試時(shí)間2017/01/072017/01/082017/01/092017/01/102017/01/112017/01/12電表讀數(shù)/(kW·h-1)108411051126114611691188

表5四種能源單位時(shí)間運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

熱源方式空氣源熱泵直接電采暖燃?xì)獠膳济翰膳茉搭?lèi)別電能電能天然氣化石能源能源消耗量2400kW6258.24kW633.1m30.76t(標(biāo)煤)能源單價(jià)按吉林省電價(jià)按吉林省電價(jià)2.67元/m31170元/t運(yùn)行費(fèi)用/元12603285.581690.60899.58每平方運(yùn)行費(fèi)用0.43元/(d·m2)1.12元/(d·m2)0.57元/(d·m2)0.20元/(d·m2)

注：國(guó)家環(huán)保政策不允許，因此不具備以煤為能源供暖條件.

6 投資回收期

因本工程地處高速公路段，無(wú)法利用集中供熱和燃?xì)獠膳室噪婂仩t采暖進(jìn)行對(duì)比分析.相同條件下，300 kW電熱儲(chǔ)能初投資費(fèi)用約為27萬(wàn)元，名義制熱量為100 kW空氣源熱泵初投資費(fèi)用約為24萬(wàn)元，五臺(tái)兩備三用共需120萬(wàn)元.相對(duì)于電鍋爐系統(tǒng)計(jì)算靜態(tài)投資回收年限為：

經(jīng)上述計(jì)算可知，CO2空氣源熱泵機(jī)組供熱所需運(yùn)行費(fèi)用約0.43元/(d·m2)，系統(tǒng)投資回收年限短，嚴(yán)寒地區(qū)采暖季節(jié)周期長(zhǎng)，需采暖地區(qū)面積基數(shù)大，整個(gè)采暖季節(jié)省費(fèi)用的總量非常可觀[4].

7 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)典型嚴(yán)寒地區(qū)敦化地區(qū)氣象資料及實(shí)際應(yīng)用的研究，得出CO2空氣源熱泵機(jī)組作為一種新型環(huán)保設(shè)備，能夠在-20 ℃的低溫下正常運(yùn)行，平均COP值可達(dá)到2.6，比燃?xì)?、直接用電供熱都?jié)能，比集中供熱費(fèi)用高，但是如果綜合環(huán)境效益和社會(huì)效益來(lái)看，采用CO2空氣源熱泵機(jī)組比燃煤供熱要好.目前CO2空氣源熱泵機(jī)

組應(yīng)用正處在起步階段，不能完全替代以燃煤為主的集中供熱形式，但對(duì)于地處偏遠(yuǎn)或有環(huán)保要求區(qū)域的中小型建筑適合采用CO2空氣源熱泵機(jī)組供熱.如果條件允許，可配備太陽(yáng)能等多種形式的供熱系統(tǒng)與空氣源熱泵協(xié)同運(yùn)行，將大大減少運(yùn)行費(fèi)用.

[1] 何務(wù)華. R410A制冷劑在多聯(lián)機(jī)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)[J]. 制冷,2006(1):72-74.

[2] 茅靳豐,竇文平,韓 旭. 高原嚴(yán)寒地區(qū)觀察哨樓連續(xù)式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005(1):63-66.

[3] 姜益強(qiáng),姚 楊,馬最良.空氣源熱泵結(jié)霜除霜損失系數(shù)的計(jì)算[J].暖通空調(diào),2000,30(5):24-26.

[4] 金洪文,高 杲,畢見(jiàn)勝. 空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可行性研究[J]. 長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015(1):8-11,24.