空氣源熱泵與水源熱泵特點(diǎn)分析及應(yīng)用

趙恩榮 徐廣才

通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司 山東 濟(jì)南 250031

為了提高室內(nèi)環(huán)境的舒適程度，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行針對(duì)性控制能夠達(dá)成較好的體驗(yàn)效果。傳統(tǒng)的采暖系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中都會(huì)出現(xiàn)功耗較大的情況，并且現(xiàn)階段此類裝置被大規(guī)模投入，其所使用的能源都是通過化石能源燃燒形成的，在能源產(chǎn)生的過程中會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染，化石能源的消耗也不符合可持續(xù)性發(fā)展的需求，因此在現(xiàn)有暖通供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加入新的設(shè)計(jì)要素對(duì)這些傳統(tǒng)的溫度控制措施進(jìn)行優(yōu)化。一方面降低該系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所需消耗的能源，提高原料的使用效率，達(dá)到更好的能源輸出水平，同時(shí)減少化石能源的消耗，減少在供暖過程中所造成的能源消耗和環(huán)境污染。采用更加環(huán)保節(jié)能綠色的方式來(lái)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，在確保室內(nèi)溫度舒適的前提下，又能夠與周邊環(huán)境形成友好關(guān)系。

1. 空氣源熱泵與水源熱泵的特點(diǎn)分析

1.1 空氣源熱泵

該類型熱泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用空氣中存在的熱量作為低溫?zé)嵩?，?jīng)過空調(diào)蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，通過循環(huán)系統(tǒng)提取其中的熱量。利用基礎(chǔ)的循環(huán)裝置，將熱量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)需投放的區(qū)域。

1.1.1 優(yōu)點(diǎn)

空氣源熱泵結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，安裝迅速并且很多結(jié)構(gòu)是模塊化形式，不需要單獨(dú)為其設(shè)置機(jī)房進(jìn)行組裝，可以在更多空間條件下進(jìn)行布置。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單帶來(lái)的另一個(gè)好處在于其占地面積也能夠得到更好的控制。

整體控制管理機(jī)制較為明確，進(jìn)行操作管理時(shí)，出現(xiàn)故障和誤操作的可能性較低，并且空氣源熱泵有自動(dòng)控制系統(tǒng)的集成，可以根據(jù)布置在節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行密切監(jiān)控。同時(shí)與中央控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)完成溫度調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)。這樣一來(lái)，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度可以大大降低，人為干預(yù)的次數(shù)減少，節(jié)約了相應(yīng)的人力成本投入。機(jī)械在接受和下達(dá)指令方面所需的等待時(shí)間更短，可以有助于提升系統(tǒng)整體的工作運(yùn)行效率，還可以規(guī)避由于人工失誤操作而產(chǎn)生的低級(jí)錯(cuò)誤。

與燃?xì)夂腿济哄仩t相比，采用空氣源熱泵能夠?qū)崿F(xiàn)污染控制。在其投入使用的過程中不會(huì)像空氣排放硫化物氮化物，可以更好的保護(hù)周圍環(huán)境，因此即使在人口密集區(qū)也可以投入使用，特別適合新型社區(qū)的使用環(huán)境。在自動(dòng)化智能化技術(shù)的價(jià)值下，可以實(shí)現(xiàn)單一中心節(jié)點(diǎn)覆蓋一大片區(qū)域的使用狀態(tài)，這樣一來(lái)就可以在人工成本投入方面取得較好的收益，并且智能控制系統(tǒng)的加入能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的能耗控制。符合未來(lái)該類型裝置控制發(fā)展的方向，在現(xiàn)階段通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的方式，能夠?yàn)槲磥?lái)的全面普及打好基礎(chǔ)。

1.1.2 缺點(diǎn)

由于該類型熱泵設(shè)備與空氣之間會(huì)直接換熱，所以一般設(shè)備會(huì)被安裝在室外。對(duì)于外部美觀有要求的建筑物，使用這種設(shè)備要謹(jǐn)慎，可能會(huì)破壞其外觀裝飾效果。需要在設(shè)備外部進(jìn)行特殊處理，例如設(shè)置遮擋物，遮擋對(duì)象一般是百葉，而對(duì)百葉進(jìn)行遮擋又會(huì)直接影響機(jī)械是使用效率。因此在對(duì)其進(jìn)行遮擋時(shí)要考慮到百葉不同運(yùn)行狀態(tài)受遮擋后的影響程度，盡可能避免由于遮擋而造成百葉運(yùn)行狀態(tài)失調(diào)，產(chǎn)生安全隱患。由于空氣熱源泵采用的是對(duì)流式室內(nèi)末端，因此熱舒適性和傳統(tǒng)散熱器相比較差。即使能夠通過對(duì)使用區(qū)域的溫度變化情況進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，但由于整體產(chǎn)生的熱量調(diào)節(jié)幅度有限，所以依然會(huì)與傳統(tǒng)的制暖裝置效果有一定的差距。在我國(guó)北方地區(qū)冬季外部氣溫長(zhǎng)時(shí)間處于零下，很容易在機(jī)體外表出現(xiàn)結(jié)霜熱泵，化霜工作時(shí)不但不能制熱，還會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。當(dāng)工作環(huán)境處于零下10℃以及更低的環(huán)境時(shí)，空氣熱源泵機(jī)組的工作效率會(huì)急劇下降，甚至?xí)霈F(xiàn)不能啟動(dòng)的情況。

1.2 水源熱泵

水源熱泵的工作原理是利用地表淺層水源，例如地下河，地下水和湖泊所吸收的太陽(yáng)能以及地?zé)崮苄纬傻牡推肺粺崮苜Y源，采用熱泵原理通過少量高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

水源熱泵的能量來(lái)源主要來(lái)自于地表水取之不盡，用之不竭。與傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t相比，整個(gè)取暖過程不需消耗額外的化石資源，驅(qū)動(dòng)力也僅需少量電能即可完成。對(duì)所處區(qū)域的環(huán)境很友好，整個(gè)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能高效的運(yùn)行狀態(tài)。不會(huì)額外出現(xiàn)污染情況，并且省去了為基礎(chǔ)構(gòu)造鍋爐房和附帶設(shè)施的時(shí)間和空間，既節(jié)約了建筑成本，又降低了成本投入。而且水源熱泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)出現(xiàn)任何污染環(huán)境的物質(zhì)，具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 缺點(diǎn)

水源熱泵系統(tǒng)的使用與所屬地區(qū)地下水水位、水量、水溫息息相關(guān)，在水資源充足的地區(qū)，其使用沒有明顯限制，但容易受到水位變化的影響。如果當(dāng)?shù)厮Y源不穩(wěn)定，就會(huì)影響到機(jī)組工作的穩(wěn)定性和熱效率。由于過于依賴地下水，如果地下水質(zhì)不適合基礎(chǔ)運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)備使用壽命急劇縮短，例如投入使用的地區(qū)地下水質(zhì)含鹽量較高或pH值超過了機(jī)組推薦使用范圍，亦或是地下水中含有較多泥沙都會(huì)對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)件造成磨損和破壞，縮短使用時(shí)間，并增加了后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)所需投入的成本，為機(jī)組運(yùn)行可靠增加了不確定性因素。

對(duì)于供暖功能敏感的區(qū)域位置就不能采用這樣的方式進(jìn)行供暖，否則可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。常見的水源熱泵系統(tǒng)能夠提供的供熱溫度上限受到運(yùn)行效率的限制，一般只能達(dá)到45攝氏度，對(duì)于散熱器和空調(diào)機(jī)主而言，這一溫度屬于較低水平，只適用于地面輻射供暖系統(tǒng)。當(dāng)服務(wù)對(duì)象屬于對(duì)供暖要求更高的情況，這種熱泵就無(wú)法實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能預(yù)期。在實(shí)際使用過程中，這種供暖方式一般只能作為輔助因素加入，為了達(dá)成既定的溫度調(diào)節(jié)目標(biāo)，還需要投入一部分傳統(tǒng)的制熱裝置。

1.2.3 小結(jié)

即便如此，在加入新的供暖方式之后，也確實(shí)能夠使供暖裝置的能源消耗率降低明顯的百分比，實(shí)現(xiàn)對(duì)化石能源的節(jié)約使用，有效降低了過程中所需消耗的能源數(shù)量，減少對(duì)外環(huán)境的污染。在實(shí)際應(yīng)用過程中，已有的溫度控制系統(tǒng)完全可以利用，節(jié)約前期的成本投入規(guī)模。同時(shí)使溫度控制狀態(tài)能夠更加穩(wěn)定。

2. 工程實(shí)例介紹

為了讓更多的讀者能夠了解到該類型機(jī)主在投放使用過程中的注意事項(xiàng)及重點(diǎn)難點(diǎn)文章列舉作者實(shí)際參與的工作經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)例分析的方式，幫助大家更加準(zhǔn)確的了解到對(duì)兩種熱泵使用效率可能造成影響的因素。

作者所參與的改造項(xiàng)目熱泵系統(tǒng)原有建筑面積43,000m2，新建建筑面積為23,000m2。園區(qū)內(nèi)主要功能為溫泉度假酒店項(xiàng)目所處區(qū)域已有溫泉水井，可以通過對(duì)原有的水源供熱系統(tǒng)進(jìn)行改造來(lái)實(shí)現(xiàn)基本需求，考慮到酒店洗衣房對(duì)于蒸汽需求以及日常溫泉加熱，項(xiàng)目部對(duì)于施工區(qū)域現(xiàn)有的一座可以正常投入使用的鍋爐房，也進(jìn)行了相應(yīng)的利用。由于原有的鍋爐房距離建筑物較遠(yuǎn)，為了達(dá)到更好的控溫效果，在項(xiàng)目實(shí)施階段選擇采用空氣源壁掛式分體空調(diào)。這樣做的好處是可以盡可能減少外線手續(xù)鋪設(shè)的長(zhǎng)度，節(jié)約施工成本，并且能夠減少在管線中出現(xiàn)的能量消耗。

2.1 工程區(qū)域氣象參數(shù)

施工所在的北京豐臺(tái)區(qū)，屬于大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬季外部平均溫度為-10℃，年平均溫度為11℃，夏季室外的平均溫度為33.5℃。

2.2 主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 螺桿式水源熱泵機(jī)組選型

為達(dá)到較為穩(wěn)定的制冷效果，同時(shí)是為了適應(yīng)施工建設(shè)面積，選擇采用4管制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行溫度控制，同時(shí)增加兩組螺桿式水熱泵機(jī)組。加上施工區(qū)域原有的三臺(tái)。冷水源泵機(jī)主合計(jì)質(zhì)量可以達(dá)到3,329kw，其余的熱量由鍋爐房進(jìn)行補(bǔ)充，供暖系統(tǒng)選擇蒸汽熱水板式換熱器來(lái)進(jìn)行。

兩臺(tái)新增的制冷技術(shù)為主要的制冷裝置，主要是承擔(dān)系統(tǒng)供冷功能，在調(diào)節(jié)供的高峰期，由于荷載的限制有所欠缺，因此需要串聯(lián)一臺(tái)原有基礎(chǔ)，以確保在高峰期時(shí)效果能夠滿足需求。

2.2.2 采暖板式換熱器

選擇可拆卸的汽水換熱器裝置兩套作為供暖裝置，可以負(fù)擔(dān)供暖任務(wù)中70%的份額。根據(jù)板塊工作壓力和供氣選擇相適宜的蒸汽減壓閥，在前部后部加入閥門和壓力表。在出口處安裝泄壓安全閥，確保換熱器工作穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)量蒸汽減壓閥出口壓力為0.4Mpa，進(jìn)口壓力為0.6Mpa。換熱器二次熱水溫度可以達(dá)到55℃，在二次熱水進(jìn)出口加裝有熱力變送器和溫度傳感器，能夠向監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前熱水溫度和流經(jīng)區(qū)域的溫度分布情況，幫助控制中心人員掌握全局供熱效果，及時(shí)調(diào)整供熱等級(jí)。

2.2.3 系統(tǒng)循環(huán)水泵

為了節(jié)約能耗，提高熱量使用效率，在原有基礎(chǔ)上增加了水源熱泵循環(huán)供暖系統(tǒng)。由于系統(tǒng)中自帶有采暖循環(huán)水泵，所以不需再額外加入，采暖板換二次進(jìn)口管道。

2.2.4 生活系統(tǒng)熱水板式轉(zhuǎn)熱器

選擇兩臺(tái)可拆卸板式汽水換熱器，每臺(tái)負(fù)擔(dān)70%的熱負(fù)荷，換熱面積能夠達(dá)到50㎡，管口直徑選用DN80，二次熱水溫度可以達(dá)到60℃。

結(jié)束語(yǔ)：

采用空氣源熱泵與水源熱泵，可以對(duì)現(xiàn)有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行有力的補(bǔ)充，并且過去的溫度調(diào)節(jié)裝置在使用過程中伴隨著能源消耗和環(huán)境污染問題，而本文所介紹了兩種新型技術(shù)，則可以在這方面實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的友好發(fā)展。