基于熱泵技術(shù)的空氣能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐

包森霖　張希平　張琪　楊錦斌

【摘 要】隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，資源短缺、供應(yīng)能力不足等問(wèn)題逐漸暴露，國(guó)家對(duì)清潔能源應(yīng)用的大力推廣以及消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)力的不斷提升，空氣能熱泵技術(shù)已成功在我公司供采暖系統(tǒng)（4200m高海拔地區(qū)）實(shí)踐應(yīng)用，使用效果良好，為企業(yè)帶來(lái)了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【關(guān)鍵詞】熱泵技術(shù);采暖供熱

中圖分類號(hào)： TU832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.009

Design and Application of Air Energy Heating System Based on Heat Pump Technology

BAO Sen-lin ZHANG Xi-ping ZHANG Qi YANG Jin-bin

（Tibet Yulong Copper Co.， Ltd.， Changdu Tibet 854100， China）

【Abstract】With the rapid development of China's economy， problems such as shortage of resources and insufficient supply capacity are gradually exposed. With the vigorous promotion of clean energy application by the state and the continuous improvement of consumer purchasing power， air-energy heat pump technology has been successfully applied in heating system of our company （4200m high altitude area）. The application effect is good， bringing abundant economic and social benefits to enterprises.

【Key words】Heat pump technology; Heating and heating

1 熱泵技術(shù)及空氣能熱泵

1.1 熱泵技術(shù)

熱泵技術(shù)原理與制冷系統(tǒng)的工作原理是一致的。熱泵系統(tǒng)也一般由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、膨脹閥、熱交換器四部分組成，見(jiàn)圖1所示，其工作過(guò)程為：低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器里從高溫?zé)嵩矗ㄈ缱匀唤绲目諝?、水或土壤等）吸熱并氣化成低壓蒸氣，然后制冷劑氣體在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在熱交換器內(nèi)被低溫?zé)嵩蠢鋮s凝結(jié)成高壓液體，再經(jīng)節(jié)流元件（毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節(jié)流成低溫低壓液態(tài)制冷劑，如此就完成了一個(gè)制冷循環(huán)。

1.2 空氣能熱泵

1.2.1 空氣能熱泵技術(shù)

空氣能熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理的一種節(jié)能、環(huán)保制熱技術(shù)，是按照“逆卡諾”原理工作的，逆卡諾循環(huán)原理為通過(guò)壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)工作、吸收空氣中熱量制造熱水，作為熱泵技術(shù)的一種，有“大自然能量的搬運(yùn)工”的美譽(yù)，有著使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干凈等多重優(yōu)勢(shì)。具體工作過(guò)程：壓縮機(jī)將冷媒壓縮，壓縮后溫度升高地冷媒經(jīng)過(guò)水箱中的冷凝器制造熱水，熱交換后的冷媒回到壓縮機(jī)進(jìn)行下一輪循環(huán)，在這一過(guò)程中，空氣熱量通過(guò)蒸發(fā)器被吸收導(dǎo)入冷媒中，冷媒再導(dǎo)入水中，產(chǎn)生熱水。

1.2.2 空氣能熱泵工作原理

蒸汽壓縮制冷循環(huán)工作原理，以環(huán)境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風(fēng)或者冷（熱）水的設(shè)備，主要零部件包括熱側(cè)換設(shè)備、熱源側(cè)換熱設(shè)備及壓縮機(jī)等。空氣能（源）熱泵利用空氣中的熱量作為低溫?zé)嵩?，?jīng)過(guò)傳統(tǒng)空調(diào)器中的冷凝器或蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，然后通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)，提取或釋放熱能，利用機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，滿足用戶對(duì)生活熱水、地暖或空調(diào)等需求，具體原理見(jiàn)圖2所示。

2 采暖供熱項(xiàng)目概況及負(fù)荷計(jì)算

2.1 項(xiàng)目概況

我公司在建的昌都市生活、辦公基地，建筑氣候?qū)儆诤涞貐^(qū)，采暖宿舍樓建筑面積6778.52平方米，賓館建筑面積7002.41平方米，商業(yè)樓建筑面積1786.86平方米，地下車(chē)庫(kù)建筑面積4999.57平方米，是集多功能為一體的采暖項(xiàng)目，總建筑面積約20560平方米，供熱總負(fù)荷約2302KW。

項(xiàng)目中央空調(diào)系統(tǒng)及供暖系統(tǒng)設(shè)置形式：宿舍樓、賓館及商業(yè)樓采用中央空調(diào)加新風(fēng)和部分地暖系統(tǒng)結(jié)合的采暖方式，地下室采用暖氣片供暖的方式;項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，供暖主機(jī)采用低溫型風(fēng)冷熱泵模塊化機(jī)組提供熱源，主機(jī)及系統(tǒng)動(dòng)力裝置防置在屋頂。

2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采暖負(fù)荷計(jì)算參照《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（陸耀慶）中的“民用建筑供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算”部分有關(guān)規(guī)定，采用估算法進(jìn)行采暖負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，供暖的采暖單元熱負(fù)荷初步估算，并根據(jù)海拔、高原、工程特點(diǎn)等因素經(jīng)過(guò)參數(shù)修正后，估算值結(jié)果如表1所示。

2.3 儲(chǔ)能水箱有效容積核算

水暖系統(tǒng)需要考慮系統(tǒng)水容量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，對(duì)于空氣源熱泵地暖系統(tǒng)，最大的影響因素是冬季機(jī)組除霜?？諝庠礋岜脵C(jī)組化霜時(shí)間為3～8min，一般取化霜時(shí)間4min來(lái)計(jì)算緩沖水箱容積。系統(tǒng)熱穩(wěn)定性要求：冬季運(yùn)行時(shí)，主機(jī)除霜時(shí)間4min，供水溫度允許降低不超過(guò)3℃。

系統(tǒng)最小水容量M1=Q·T/（C·3），式中：M1為系統(tǒng)最小水容量，kg;Q為主機(jī)制熱量，kw;T為化霜時(shí)間，S;C為水的比熱，取值4.2，kJ/kg℃。

系統(tǒng)水容量M2=0.15·L，式中：M2為系統(tǒng)水容量，kg;L為系統(tǒng)管路總長(zhǎng)，m。

儲(chǔ)能水箱有效容積M=M1-M2（kg）

計(jì)算修正后可得：M賓館≈20000kg=20T，M宿舍≈15000kg=15T。

3 空氣能熱泵選型配置及供采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空氣能熱泵選型配置

依據(jù)各供暖單元的采暖熱指標(biāo)、采暖熱負(fù)荷、冷指標(biāo)、冷負(fù)荷以及主機(jī)電負(fù)荷的估算結(jié)果，根據(jù)采供暖項(xiàng)目地點(diǎn)氣候、制冷制熱及實(shí)際使用情況，選用美國(guó)“麥克維爾”低溫型風(fēng)冷熱泵機(jī)組MAC450DR5LH主機(jī)，單臺(tái)制冷量為130kW，低溫工況下單臺(tái)制熱量為141kW，具體配置選型：

（1）賓館采暖空氣源熱泵機(jī)組，制熱量141KW，單機(jī)電功率43.6KW，9臺(tái)。

（2）宿舍樓采暖超低溫空氣源熱泵機(jī)組，制熱量141KW，單機(jī)電功率43.6KW，8臺(tái)。

（3）商鋪（含地下室）采暖空氣源熱泵機(jī)組，制熱量141KW，單機(jī)電功率43.6KW，6臺(tái)。

（4）賓館熱水超低溫空氣源熱泵機(jī)組，制熱量32KW，單機(jī)電功率7.2KW，2臺(tái)。

（5）宿舍熱水暖超低溫空氣源熱泵機(jī)組，制熱量32KW，單機(jī)電功率7.2KW，2臺(tái)。

3.2 供采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣能熱泵供采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有多專業(yè)、技術(shù)新、范圍廣等特點(diǎn)，涉及模塊化設(shè)計(jì)、獨(dú)立電控設(shè)計(jì)、噴氣增焓壓縮機(jī)技術(shù)、智能除霜技術(shù)、輪換/互備運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)等最新、先進(jìn)技術(shù)。

3.2.1 模塊化、獨(dú)立電控設(shè)計(jì)

空氣能熱泵系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由一個(gè)或多個(gè)模塊組合而成，每個(gè)模塊都有自己獨(dú)立的電控單元，各模塊的電控單元之間以通訊網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行信息交換，空氣能熱泵系統(tǒng)采用全中文微電腦控制系統(tǒng)，能自動(dòng)地根據(jù)負(fù)荷大小進(jìn)行能量控制，達(dá)到最佳匹配，真正實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能運(yùn)行。

3.2.2 兩級(jí)節(jié)流中間噴氣技術(shù)

項(xiàng)目選用噴氣增焓壓縮機(jī)，采用兩級(jí)節(jié)流中間噴氣技術(shù)，利用經(jīng)濟(jì)器進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)增焓效果，通過(guò)中低壓時(shí)壓縮機(jī)邊壓縮邊噴氣混合冷卻，高壓時(shí)正常壓縮，從而提高壓縮機(jī)排氣量，達(dá)到低溫環(huán)境下提升制熱能力的目的

3.2.3 智能除霜技術(shù)

空氣源熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度低、濕度大的情況下容易結(jié)霜。MAC450DR5LH型模塊機(jī)組能夠根據(jù)制熱運(yùn)行的主要參數(shù)和負(fù)荷變化，精準(zhǔn)判斷除霜時(shí)機(jī)，做到有霜除霜，無(wú)霜正常制熱，并且能夠根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行強(qiáng)制手動(dòng)除霜。

3.2.4 模塊化輪換、互備運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)

空氣源熱泵系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)使用負(fù)荷情況，輪換設(shè)置優(yōu)先開(kāi)啟的模塊機(jī)組，平衡分配每臺(tái)模塊機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，系統(tǒng)內(nèi)模塊分級(jí)啟動(dòng)，減少機(jī)組啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊空氣源熱泵系統(tǒng)特有;模塊化互備運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)，采用單模塊多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使同一系統(tǒng)中不同模塊之間互為備用。大大提高了機(jī)組的可靠性和使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，資源短缺、供應(yīng)能力不足等問(wèn)題逐漸暴露，環(huán)境壓力正倒逼著能源戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型與能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，國(guó)家節(jié)能減排工作逐步深入和清潔能源應(yīng)用的大力推廣，北方地區(qū)“煤改電”工程的相繼啟動(dòng)，成為空氣能熱泵行業(yè)發(fā)展的助推劑，而空氣能作為清潔能源應(yīng)用的代表，理應(yīng)受到了各行各業(yè)的大力推廣。與煤、電供采暖系統(tǒng)相比具有天壤之別、得天獨(dú)厚之優(yōu)勢(shì)，值得全面普及、廣泛應(yīng)用?？諝饽軣岜眉夹g(shù)已成功在我公司供采暖系統(tǒng)（4200m高海拔地區(qū)）實(shí)踐應(yīng)用，使用效果良好，為企業(yè)帶來(lái)了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。