煤改電中空氣源熱泵供暖方案的優(yōu)化分析

張瑞祥

（山西焦煤嵐縣正利煤業(yè)有限公司 山西呂梁 033000）

引言

近些年來(lái)，雖然我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展比較迅速，但是能源的消耗量與日俱增，尤其是化石燃料燃燒過(guò)程中所排放的污染物會(huì)增加生態(tài)環(huán)境的壓力。2013年國(guó)務(wù)院制定并頒發(fā)了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，極大的推動(dòng)了清潔能源工程的發(fā)展，如“煤改電”、“煤改氣”等。在上述工程中，空氣源熱泵得到了廣泛的應(yīng)用，其既可以避免燃料不完全燃燒所排放的污染物，而且還可以滿足人們的取暖需求，達(dá)到生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的雙重要求。

1 研究對(duì)象

本次以正利煤業(yè)食堂為例進(jìn)行研究，其配套房間包括食堂操作間、物品儲(chǔ)藏間、鍋爐房，供暖房間面積為210m2，總占地面積為370m2。最西側(cè)為原鍋爐房，其主要記住電鍋爐供暖，供回水溫度控制在50℃-75℃，額定制熱量控制在9kW，在對(duì)其進(jìn)行改造過(guò)程中，用空氣源熱泵來(lái)代替原有燃煤鍋爐房，同時(shí)調(diào)整和優(yōu)化了供熱管道。改造前，餐廳1和餐廳2均有54片散熱器，散熱器型號(hào)為四柱760，共有散熱器片數(shù)186片，散熱器采用了雙管上供上回連接方式。改造后餐廳1保持原來(lái)的散熱器末端型號(hào)不變，并增設(shè)了幾臺(tái)散熱器，然而餐廳2直接將原有散熱器拆除，并為其配備了立式風(fēng)機(jī)盤(pán)管，該過(guò)程中的風(fēng)機(jī)盤(pán)管、散熱器、采暖干管都采用了雙管上供上回進(jìn)行連接。由于餐廳1和餐廳2的房間尺寸相同，按照要求雖然配備了不同類型的散熱末端，然而供暖由同一個(gè)熱泵機(jī)組完成，因此供回水溫度相同，且散熱末端的模擬和測(cè)試具有一定的可比性。本次以餐廳1和餐廳2為研究對(duì)象。

2 空氣源熱泵設(shè)備的選型及校核計(jì)算

《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012中明確規(guī)定：在進(jìn)行空氣源熱泵熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要滿足如下要求：（1）通風(fēng)過(guò)程所需消耗的熱量；（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)所需熱負(fù)荷；（3）外門(mén)開(kāi)啟與冷風(fēng)滲透過(guò)程中，在冷空氣加熱階段需要的耗熱量；（4）其他途徑所需要消耗和獲取的熱量。通常情況下，空氣源熱泵所產(chǎn)生的熱負(fù)荷主要由兩部分組成，即新風(fēng)負(fù)荷和室內(nèi)負(fù)荷，如果空調(diào)系統(tǒng)未經(jīng)加濕處理時(shí)，將會(huì)采用與供暖系統(tǒng)一樣的熱負(fù)荷公式進(jìn)行計(jì)算。本次研究過(guò)程中為了使房間具備良好的氣流組織，采用了TLX-A21立式明裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管4臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管能夠產(chǎn)生1.178kW的供熱量。

根據(jù) 《風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組》GB/T 19232-2003可知，在進(jìn)水溫度60℃，進(jìn)口空氣干球溫度21℃條件下對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的制熱性能進(jìn)行測(cè)試，如果實(shí)際工況與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工況有所偏差時(shí)，要對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的產(chǎn)品性能和參數(shù)給予進(jìn)一步校核，查看其是否滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

在標(biāo)準(zhǔn)工況下，餐廳1和餐廳2所采用的TLX-A21風(fēng)機(jī)盤(pán)管制熱量達(dá)到了1.62kW，下面將會(huì)在實(shí)際運(yùn)行的同時(shí)，來(lái)校核風(fēng)機(jī)盤(pán)管運(yùn)行階段所需的供熱量。

2.1 進(jìn)水溫度的校核

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的供水溫度為60℃，然而在具體運(yùn)行階段，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的進(jìn)水溫度只有45℃，此時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的性能參數(shù)表進(jìn)行查閱得知在水流量為217kg/h，供水溫度為45℃的條件下，風(fēng)機(jī)盤(pán)管供熱量達(dá)到了1.166kW。

2.2 熱指標(biāo)計(jì)算法

大部分早期建筑物為了能夠達(dá)到節(jié)能效果，且保證煤改電的順利進(jìn)行，就需要對(duì)既有建筑進(jìn)行改造，此時(shí)可能會(huì)因?yàn)閳D紙的丟失和不足，而導(dǎo)致優(yōu)化方案無(wú)法順利進(jìn)行，此時(shí)可以借助熱指標(biāo)法對(duì)其進(jìn)行估算。通常情況下，熱指標(biāo)法包括了體積指標(biāo)法和面積指標(biāo)法兩種方法，其中面積指標(biāo)法一般是在室內(nèi)外溫差為1℃的情況下，每平米建筑物所對(duì)應(yīng)的平均熱負(fù)荷。體積熱指標(biāo)法一般是指在室內(nèi)外溫差為1℃的情況下，每立方米建筑物所對(duì)應(yīng)的采暖熱負(fù)荷。建筑熱負(fù)荷不僅與建筑面積有關(guān)，而且與建筑物的窗墻比、體形系數(shù)等有關(guān)，主要取決于建筑物通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外界所傳遞的熱量。實(shí)際上，面積熱指標(biāo)法所對(duì)應(yīng)的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果更為直觀，而且計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便，因此在空氣源熱泵設(shè)備校核計(jì)算過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

2.3 被測(cè)建筑熱負(fù)荷計(jì)算

通常情況下，與該食堂相匹配的設(shè)計(jì)圖紙存在比較明顯的不足，這樣一來(lái)就無(wú)法準(zhǔn)確判定被測(cè)房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)所具備的熱工特性，此時(shí)可以借助建筑熱指標(biāo)法來(lái)對(duì)建筑的熱負(fù)荷進(jìn)行估算。根據(jù)“十二五”規(guī)劃可知，到“十二五”末期每棟建筑物所對(duì)應(yīng)的綜合設(shè)計(jì)熱指標(biāo)均需要達(dá)到50W/m2。但是，各個(gè)地區(qū)所制定的設(shè)計(jì)熱指標(biāo)不可能徹底取代所有周?chē)慕ㄖ饕怯捎诒本┦袇^(qū)、郊區(qū)與周?chē)r(nóng)村的建筑結(jié)構(gòu)存在加大的差距，加之郊區(qū)房屋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工水平與城市相比存在比較大的差異，從而導(dǎo)致房屋的節(jié)能性較差，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。本次研究過(guò)程中，房屋改造前所對(duì)應(yīng)的熱指標(biāo)為75W/m2，并且在冬季餐廳1和餐廳2可以達(dá)到的熱負(fù)荷均為5650W。

2.4 風(fēng)機(jī)盤(pán)管在不同出風(fēng)速度下的制熱量修正

本次研究所選擇的風(fēng)機(jī)盤(pán)管在進(jìn)行高檔位運(yùn)行過(guò)程中，所產(chǎn)生的制熱量，通過(guò)與速度修正系數(shù)相乘就能夠獲得中速和低速運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)機(jī)盤(pán)管的制熱量。通過(guò)分析得知，餐廳2選擇了TXL-A21型號(hào)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管，通過(guò)對(duì)進(jìn)風(fēng)口空氣干球溫度和進(jìn)水溫度進(jìn)行校核發(fā)現(xiàn)，在高速風(fēng)量下，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的單臺(tái)制熱量為2.124kW，在中速條件下，所對(duì)應(yīng)的制熱量修正系數(shù)為0.88，這樣一來(lái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的單臺(tái)制熱量達(dá)到了：2.124×0.88=1.869kW。在實(shí)際情況下，室內(nèi)熱負(fù)荷所需制熱量1.178kW，而改造后風(fēng)機(jī)盤(pán)管所對(duì)應(yīng)的最終制熱量達(dá)到了1.869kW，符合餐廳2室內(nèi)所需熱量要求。

2.5 改造后末端設(shè)備對(duì)室內(nèi)空間所產(chǎn)生的影響

煤改電前，餐廳1在靠外墻側(cè)窗戶下分兩組布置了散熱器54片。改造成空氣源熱泵后，在原有基礎(chǔ)上增加了散熱器51片。以往散熱器組片連接強(qiáng)度相對(duì)比較弱，無(wú)法增加散熱器數(shù)量，此時(shí)選擇了將在房間東西兩側(cè)安裝兩組散熱器，每側(cè)布設(shè)散熱器25片，總計(jì)105片。

煤改電前，餐廳2散熱器布置與餐廳1相同，在對(duì)其進(jìn)行改造后，用立式明裝風(fēng)機(jī)盤(pán)管來(lái)取代原有散熱器末端，為了確保餐廳2室內(nèi)氣流均勻流通，將2臺(tái)散熱器布置在靠近外墻窗戶側(cè)，2臺(tái)分別布置在東西墻兩側(cè)。

原有散熱器選擇了的是尺寸為60mm×143mm×682mm的四柱760型散熱器，改造后餐廳1繼續(xù)選用四柱760型散熱器，然而餐廳2選擇的風(fēng)機(jī)盤(pán)管尺寸為896mm×220mm×560mm。

通過(guò)本次研究發(fā)現(xiàn)，改造后餐廳1的房間散熱器數(shù)量增加，供回水溫度降低，導(dǎo)致散熱器所占室內(nèi)面積增加。通過(guò)在餐廳東西墻兩側(cè)增設(shè)兩組散熱器，這樣不僅沒(méi)有增加南外墻散熱器安裝的占地面積，而且還可以達(dá)到預(yù)期的供熱效果。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著城市化建設(shè)和生態(tài)環(huán)保的發(fā)展，有效的推動(dòng)了煤改電的進(jìn)程，通過(guò)對(duì)空氣源熱泵供暖方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，既能夠有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，而且還能夠提高室內(nèi)的舒適度，在滿足用戶供暖需求的同時(shí)，還可以達(dá)到生態(tài)環(huán)保的要求。