超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的應(yīng)用

李靜巖，柳 江，馮曉娟，王守國

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2.中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)

有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；3.中國城市建設(shè)研究院有限公司 建筑所，北京100120）

我國能源結(jié)構(gòu)高度依賴煤炭等化石能源，非化石能源僅占14%，大量化石能源的利用造成了環(huán)境問題[1]。為此，國家大力推動(dòng)新能源技術(shù)發(fā)展，并出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)新能源技術(shù)利用的政策?？諝庠礋岜靡源髿庾鳛榈蜏?zé)嵩?，通過消耗少量電能，可將空氣中的低位熱能提升為高位熱能加以利用，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保、適用性強(qiáng)的制熱技術(shù)，目前已得到廣泛的應(yīng)用[2]。但是，傳統(tǒng)空氣源熱泵受環(huán)境溫度的影響較大，在高寒地區(qū)的低環(huán)境溫度下會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)排氣溫度過高、壓縮比過大，進(jìn)而造成制熱性能下降的問題，當(dāng)環(huán)境溫度低于-25℃ 時(shí)甚至無法啟動(dòng)[3]。針對(duì)這一問題，一些諸如壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)、雙級(jí)壓縮熱泵、復(fù)疊式空氣源熱泵等新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]，使空氣源熱泵在高寒地區(qū)的應(yīng)用成為可能。近年來，鐵路科研院所圍繞超低環(huán)境溫度空氣源熱泵展開大量的研究工作[6-10]，并自主研發(fā)了應(yīng)用于高寒地區(qū)的超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵，其在低環(huán)境溫度下仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的制熱。在此，以位于內(nèi)蒙古自治區(qū)北部地區(qū)某鐵路工區(qū)建筑的供暖項(xiàng)目為例，對(duì)超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵在高寒地區(qū)建筑供暖中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵性能

根據(jù)高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)和設(shè)備運(yùn)行特性，對(duì)熱泵機(jī)組各部件及控制系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研發(fā)出適用于高寒地區(qū)的超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵。該熱泵機(jī)組以室外低溫機(jī)組耦合室內(nèi)高溫機(jī)組的間接復(fù)疊方式，將2個(gè)運(yùn)行范圍不同的循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)低環(huán)境溫度運(yùn)行和高溫出水目的。系統(tǒng)主要包括室外低溫機(jī)組、室內(nèi)高溫機(jī)組及中間耦合水箱，分為2個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)Ⅱ室外低溫機(jī)組以室外低溫空氣作為熱源，生產(chǎn)出15 ～ 35℃的低溫?zé)崴腿胧覂?nèi)，作為子系統(tǒng)Ⅰ室內(nèi)高溫機(jī)組的低位熱源；子系統(tǒng)Ⅰ生產(chǎn)出45 ～ 70℃的熱水，并通過暖氣片或風(fēng)機(jī)盤管等供暖末端向建筑物內(nèi)散熱，以達(dá)到向室內(nèi)供暖的目的，系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖1所示。

圖1 超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵系統(tǒng)循環(huán)示意圖

超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵室外機(jī)組采用壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)、防高溫噴液技術(shù)和智能化霜技術(shù)，高效節(jié)能，保證在超低溫度下仍能強(qiáng)勁制熱。室內(nèi)機(jī)組依據(jù)大溫差、小流量的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)行費(fèi)用低，壓縮機(jī)高壓側(cè)冷凝溫度高，能夠保證供暖循環(huán)用水溫度要求。經(jīng)國家專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵在環(huán)境溫度-25℃、出水溫度60℃、水流量11.50 m3/h的工況下，機(jī)組制熱能效比可達(dá)2.05。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

某鐵路工區(qū)建筑位于內(nèi)蒙古自治區(qū)北部高寒地區(qū)，該地區(qū)冬季室外最低環(huán)境溫度可達(dá)-31℃。供暖區(qū)域包括平房和樓房兩部分，建筑總面積1 210 m2，室內(nèi)末端采用鑄鐵式暖氣片，建筑外墻已作保溫處理。要求冬季供暖室內(nèi)溫度不低于18℃。

2.2 熱源比選

該項(xiàng)目供暖建筑位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，未并入市政供暖系統(tǒng)，未接入燃?xì)夤艿?，無法使用燃?xì)忮仩t；根據(jù)國家節(jié)能環(huán)保要求，并考慮經(jīng)濟(jì)效益，不宜采用燃煤鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐等供暖；太陽能供熱系統(tǒng)對(duì)太陽光照強(qiáng)度的依賴性較高，難以保證穩(wěn)定的供能，并且其存在能流密度小、前期投入大等問題，不宜用于本項(xiàng)目。熱泵具有能效比高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)所利用低位熱源種類主要分為地源熱泵、空氣源熱泵等。考慮高寒地區(qū)土壤溫度低、不易擾動(dòng)等特點(diǎn)，不宜采用地源熱泵；空氣源熱泵適用范圍廣，不受地理環(huán)境限制，只需置于大氣環(huán)境下即可正常運(yùn)行，通過針對(duì)性設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以保證在高寒地區(qū)的建筑供暖。因此，依據(jù)項(xiàng)目地點(diǎn)的實(shí)際情況，經(jīng)綜合比選，采用超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵作為項(xiàng)目的供暖熱源。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該地區(qū)冬季室外空調(diào)設(shè)計(jì)溫度和室內(nèi)供暖溫度要求，計(jì)算得到該工區(qū)建筑的采暖設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為113 kW。設(shè)計(jì)使用室內(nèi)高溫機(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)機(jī)組制熱量為65 kW，額定輸入功率為18.6 kW。選取3臺(tái)室外低溫機(jī)組，在該地區(qū)室外空調(diào)設(shè)計(jì)溫度-27.8℃下[11]，單臺(tái)機(jī)組制熱量為31.6 kW，額定輸入功率為19.2 kW。

室內(nèi)高溫機(jī)組和室外低溫機(jī)組與耦合水箱間由水泵等循環(huán)系統(tǒng)同程連接。內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)分別設(shè)置2臺(tái)循環(huán)水泵，1用1備，均由變頻器控制。配備1套系統(tǒng)補(bǔ)水裝置，保證系統(tǒng)缺水時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水。配備熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)啟停機(jī)組、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)和故障自動(dòng)報(bào)警等，保證系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化。整套超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供/回水溫度設(shè)計(jì)為70/50℃，根據(jù)需要可適當(dāng)調(diào)整供回水溫度和溫差，末端直接連接建筑室內(nèi)暖氣片。

2.4 效果分析

與僅有室外空氣源熱泵機(jī)組的供暖系統(tǒng)相比，采用的超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵更具穩(wěn)定性和高效性。一方面，由于室外低溫機(jī)組僅需制15 ～ 35℃的低溫?zé)崴瑹o需將水直接加熱至供暖所需溫度，有助于減小壓縮機(jī)的壓縮比，提高機(jī)組制熱效率；同時(shí)，較低的供水溫度有助于緩解結(jié)霜問題，縮短除霜時(shí)間并減少除霜耗能，從而確保機(jī)組運(yùn)行過程中較高的平均能效比。另一方面，由于室內(nèi)高溫機(jī)組存在穩(wěn)定的低位熱源，保證了機(jī)組長期穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

根據(jù)該項(xiàng)目2個(gè)供暖季的監(jiān)測(cè)，超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵機(jī)組能夠完全滿足供暖需求，在-30℃環(huán)境溫度下能夠有效制熱，保證室內(nèi)溫度不低于20℃。系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，無需人員值守，日常維護(hù)方便。室外機(jī)組和室內(nèi)機(jī)組均間斷性運(yùn)行，在回水達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)停機(jī)，在水溫下降至設(shè)定值時(shí)自行啟動(dòng)，最大程度降低系統(tǒng)耗電量，提高節(jié)能效果，耦合水箱在室外機(jī)組停機(jī)期間能夠保證室內(nèi)機(jī)組的正常運(yùn)行。

一般情況下，熱泵產(chǎn)品性能指標(biāo)中列出的機(jī)組能效比，是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的某特定工況下的能效比。而在熱泵機(jī)組實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)組能效比會(huì)隨環(huán)境溫度和供暖需求的變化而變化，因此對(duì)熱泵機(jī)組在供暖期間整體運(yùn)行情況的考核，以年綜合能效比COPz作為考核指標(biāo)。年綜合能效比COPz可通過下式求得

式中：w為單位面積日綜合耗電量，kW·h；p為單位面積設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；A為建筑供暖面積，m2；D為年取暖天數(shù)，d；y為機(jī)組每天運(yùn)行時(shí)間，h；COPz為系統(tǒng)年綜合能效比。

根據(jù)2個(gè)供暖季機(jī)組電能表記錄數(shù)據(jù)與機(jī)組運(yùn)行天數(shù)的比值，計(jì)算得到建筑供暖的日耗電量為750 kW·h，供暖建筑總面積為1 210 m2，可求得單位面積日綜合耗電量w為0.62 kW·h；根據(jù)建筑采暖設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷與供暖建筑總面積的比值，計(jì)算得到單位面積設(shè)計(jì)熱負(fù)荷p為93.4 W；根據(jù)2個(gè)供暖季記錄的機(jī)組運(yùn)行總時(shí)間與機(jī)組運(yùn)行天數(shù)的比值，計(jì)算得到機(jī)組每天的運(yùn)行時(shí)間y為13.48 h；最后通過(1)式計(jì)算得到機(jī)組運(yùn)行的年綜合能效比為2.03。

超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵和電鍋爐2種供暖方式的效率、耗電量和運(yùn)行費(fèi)用等的對(duì)比情況如表1所示。從表1可以看出，超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于電鍋爐，節(jié)約電量超過50%。

3 結(jié)束語

超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵通過室外空氣源熱泵耦合室內(nèi)水源熱泵的間接復(fù)疊方式，實(shí)現(xiàn)低環(huán)境溫度下的高效制熱。與電鍋爐相比，節(jié)能效果明顯，在高寒地區(qū)建筑供暖的實(shí)際應(yīng)用中，具有節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定高效、安裝便利及運(yùn)行維護(hù)簡單的特點(diǎn)。冬季供暖效果顯著，運(yùn)行費(fèi)用低，是能夠解決高寒地區(qū)建筑供暖問題的一種有效方式。

表1 超低環(huán)境溫度耦合空氣源熱泵與電鍋爐的對(duì)比