空氣源熱泵供暖在畜禽業(yè)上的應(yīng)用

［摘 要］在政策的引導(dǎo)下，空氣源熱泵在民用供暖領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為家庭、學(xué)校、醫(yī)院、酒店、工廠、商場(chǎng)等場(chǎng)所提供了溫暖舒適的供暖服務(wù)。以往的畜禽取暖，利用的是燃煤式鍋爐，供暖季還需要多名工人晝夜倒班添煤、掏灰，存在污染環(huán)境、成本高等問(wèn)題，而空氣源熱泵目前已廣泛成為畜禽養(yǎng)殖燃煤鍋爐替代的設(shè)備。文章以“畜禽業(yè)”中使用空氣源熱泵供暖的實(shí)例，闡述了空氣源熱泵在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

［關(guān)鍵詞］集中供暖；空氣源熱泵供暖；散熱器；解決方案

［中圖分類(lèi)號(hào)］TM615 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0046–04

我國(guó)畜禽舍總數(shù)量約超過(guò)百萬(wàn)棟，當(dāng)前使用空氣源熱泵采暖的畜禽舍可能不足1%，以平均每棟畜禽舍配置3 臺(tái)制熱量100 kW 的空氣能計(jì)算，全國(guó)大約需要300 萬(wàn)臺(tái)，總產(chǎn)值超過(guò)千億元。其不僅在新建畜禽舍中得到應(yīng)用，在舊的畜禽舍供暖方式的改造中也發(fā)揮了重要作用，例如，原來(lái)以煤為燃煤取暖的畜舍，在節(jié)能減排的大環(huán)境下，將其改造成了空氣源熱泵供暖?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)原理如圖1 所示。

空氣源熱泵供暖節(jié)能環(huán)保，符合國(guó)家政策的要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)智能化控制，溫度可隨畜禽所需要的不同溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，采暖溫度相對(duì)比較均勻，在提高了畜禽存活率的同時(shí)，也保證了畜禽的健康和快速成長(zhǎng)，在整個(gè)畜禽業(yè)包括養(yǎng)豬場(chǎng)、養(yǎng)雞場(chǎng)、養(yǎng)鴨場(chǎng)、養(yǎng)牛場(chǎng)、養(yǎng)鵝場(chǎng)等養(yǎng)殖場(chǎng)冬季采暖方案中得到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。文章基于空氣源熱泵在河北畜禽業(yè)上的供暖應(yīng)用案例，闡述了河北畜禽業(yè)采用空氣源熱泵供暖的新技術(shù)，分析了現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題和處理辦法。

1 工程概況

1.1 工程情況

該項(xiàng)目地址為河北省張家口市康?？h，主要為畜禽場(chǎng)冬季采暖，采暖面積合計(jì)14 295.66 m2。采暖區(qū)域分布和溫度需求見(jiàn)表1。河北省張家口市康保縣冬季平均溫度-13.8℃，冬季采暖室外計(jì)算溫度-30.0℃，采暖天數(shù)150 d，冬季最低溫度-36℃。末端采用散熱器和地暖，冬季室內(nèi)要求18～20±2℃，保溫良好。

1.2 工程要求

（1）設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度（20±2）℃。

（2）供水溫度50℃，回水溫度45℃。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）GB50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（2）GB50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（3）GB/T-25127.1—2020《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組- 第1 部分：工業(yè)或商業(yè)用及類(lèi)似用途的熱泵（冷水）機(jī)組》。

（4）GB/T21362—2008《商業(yè)或工業(yè)用及類(lèi)似用途的熱泵熱水機(jī)》。

（5）GB29541—2013《空氣源熱泵能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。

（6）JGJ142—2012《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》。

3 氣象參數(shù)

3.1 室外空氣設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù) GB50736—2012《 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，查得河北?。|經(jīng)114°23'，北緯41°28'）室外空氣計(jì)算參數(shù)值見(jiàn)表2。

3.2 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

依據(jù)2009JSCS—4《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施- 暖通空調(diào)· 動(dòng)力》全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施表1.2.1 得到冬季采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。畜禽建筑長(zhǎng)期逗留區(qū)域空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

畜舍是畜禽長(zhǎng)期居住的地方，冬季必須對(duì)其進(jìn)行供熱，供暖建筑物的室內(nèi)溫度應(yīng)選二級(jí)。

4 熱負(fù)荷計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量采用的是基于日平均溫差的穩(wěn)態(tài)計(jì)算法。

建筑冬季的熱負(fù)荷主要有兩個(gè)方面：①建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量；②從窗戶和窗戶的縫隙中漏入冷氣的耗熱量。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量由基本耗熱量和附加耗熱量?jī)刹糠纸M成。

對(duì)于民用建筑，采暖區(qū)冬季熱負(fù)荷主要為由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所形成的耗熱量。按照GB50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量分為基本耗熱量、附加耗熱量及高度附加耗熱量3 個(gè)方面。

4.1 圍護(hù)物基本耗熱量

圍護(hù)物基本耗熱量計(jì)算公式如下。

Q1=αFK（tNd－tWd）

式中，Q1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量形成的熱負(fù)荷，W；α為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；tNd為供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；tWd為供暖室外計(jì)算溫度，℃。

整個(gè)建筑物或房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量等于其的圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分基本耗熱量的總和。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的附加耗熱量

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的附加耗熱量應(yīng)按其所消耗基本熱量的百分比計(jì)算。各附加百分?jǐn)?shù)應(yīng)根據(jù)以下要求進(jìn)行選擇。

4.2.1 朝向修正率

不同朝向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，受到的太陽(yáng)輻射量不同，同時(shí)，不同的朝向，風(fēng)的速度和頻率也不同。為此，我國(guó)GB50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)各種豎向外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的修正。校正系數(shù)為：北、東北和西北方向?yàn)?～10% ；東、西朝方向：-5%，西南方向：-10%～-15% ；南向：-15～-30%。

選用修正率時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)囟救照章始拜椛渎蕪?qiáng)度的大小。冬季日照率小于35% 的地區(qū)，東南、西南和南向的修正率宜采用0～10%，其他朝向可不修正，本項(xiàng)目不考慮日照修正。

4.2.2 風(fēng)力附加率

GB50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)建筑物豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷增加了5%～10%，這是我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50019—2003標(biāo)準(zhǔn)的要求。

風(fēng)力附加率指根據(jù)室外風(fēng)速的變化，對(duì)墻體的基礎(chǔ)耗熱量進(jìn)行修正，計(jì)算墻體的基礎(chǔ)耗熱量時(shí)，以4 m/s 的風(fēng)速計(jì)算出的外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。在我國(guó)大多數(shù)地區(qū)，冬季的平均風(fēng)速在2～3 m/s 左右。所以，在工程設(shè)計(jì)中，通常不需要考慮附加風(fēng)的影響。

4.2.3 外門(mén)附加率

對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟沒(méi)有熱風(fēng)簾的外門(mén)時(shí)，室外進(jìn)入的冷空氣得到加熱，可用室外的基礎(chǔ)耗熱量乘以GB50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中所列的相應(yīng)附加系數(shù)，而不需要考慮陽(yáng)臺(tái)門(mén)的附加率。

4.2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高度附加率

在民用和工業(yè)建筑中，由于建筑內(nèi)部溫度梯度的作用，使得建筑內(nèi)部上面部分的傳熱系數(shù)增大。為此，GB50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)建筑高4 m 以上的建筑，按每增加1 m 增加2% 的增高率進(jìn)行了規(guī)定，但其增高率不得大于15%。需要說(shuō)明的是，增加的高度比應(yīng)該加上基礎(chǔ)消耗和其他額外消耗的熱量之和。

4.3 濕負(fù)荷計(jì)算

供暖建筑物或地區(qū)在冬天時(shí)，其散濕量應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

（1）人體水分散失的數(shù)量。

（2）滲透氣體所帶來(lái)的水分。

（3）在該化學(xué)反應(yīng)中所產(chǎn)生的水分散失的數(shù)量。

（4）在不同濕潤(rùn)表面上，波浪狀或液體流動(dòng)的水分散失的數(shù)量。

（5）食物或氣態(tài)物質(zhì)的水分散發(fā)的數(shù)量。

（6）裝置水分散失的數(shù)量。

（7）滲透到廠房結(jié)構(gòu)體內(nèi)的水分散出量。

在計(jì)算散濕總量時(shí)，要依據(jù)不同的散濕源類(lèi)型，選擇合適的系數(shù)。在普通的民用建筑中，一般沒(méi)有考慮滲透到維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的散濕量。

通常，供暖區(qū)的濕負(fù)荷是由人體散發(fā)的水分引起的和敞開(kāi)水槽表面的水分散發(fā)引起的，本設(shè)計(jì)考慮人體（人性化的對(duì)待家禽）散濕量。

計(jì)算時(shí)刻的人體散濕量按下式計(jì)算：

Dt=0.001φntg

式中，Dt為散濕量，kg/h；φ為群集系數(shù)；nt為計(jì)算時(shí)刻采暖區(qū)域內(nèi)的總?cè)藬?shù)；g為1名成年男子的小時(shí)散濕量，g/h。

4.4 冷風(fēng)滲透耗熱量

冬季，建筑內(nèi)的冷空氣與建筑內(nèi)垂直穿通通道氣流密度差異而產(chǎn)生的熱壓，在風(fēng)吹過(guò)建筑時(shí)，通過(guò)門(mén)窗等縫隙進(jìn)入室內(nèi)，加熱此冷空氣所需的熱量。冷風(fēng)滲透耗熱量Q2 計(jì)算公式如下：

Q2=0.28CpρVΔt

式中，Cp為空氣定壓比熱，取1.01；ρ為空氣密度；V為冷空氣體積，m3；Δt為室內(nèi)外計(jì)算溫差，℃。

4.5 總熱負(fù)荷量

考慮到該項(xiàng)目實(shí)際情況，通過(guò)負(fù)荷計(jì)算及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合所給的圖紙，熱負(fù)荷匯總見(jiàn)表4。

5 設(shè)備選型

5.1 主機(jī)選型

結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，擬采用直流變頻空氣源熱泵二聯(lián)供機(jī)組為冷/ 熱源，設(shè)備-35℃強(qiáng)勁制熱（極寒地區(qū)專(zhuān)用），節(jié)能環(huán)保符合國(guó)家碳中和政策、噪聲低且運(yùn)行安全無(wú)需人工管理，配置物聯(lián)網(wǎng)卡可智能遠(yuǎn)程監(jiān)控，大量節(jié)省人工成本及運(yùn)行費(fèi)用。

邦頓超低溫直流變頻空氣源熱泵機(jī)組，其在冬季供暖室外計(jì)算溫度-30.0 ℃ 時(shí)，BHVE800-32F 機(jī)組制熱量為112 kW，BHVE400-32FH 機(jī)組制熱量為56 kW，在熱泵選型計(jì)算時(shí)，要在滿足最大熱負(fù)荷的同時(shí)增加10% 的富裕量。則由機(jī)組性能參數(shù)曲線可得出機(jī)組數(shù)量，具體熱泵主機(jī)選型見(jiàn)表5。

5.2 末端選型

要求室溫Tin=22℃，按熱泵供水溫度T1=50℃，回水溫度T2=45℃，可計(jì)算出過(guò)余溫度（Δt）。

根據(jù)計(jì)算公式：（T1+T2）/2-Tin=Δt，即Δt=（50+45）/2-22=25.5℃。

再根據(jù)河北昌豪采暖設(shè)備公司提供的《低溫翅片管散熱器散熱量實(shí)測(cè)表》，進(jìn)水50℃，出水45℃，要求室溫22℃（Δt=25.5℃）時(shí)，KF-800 型散熱器散熱量為786.8W/ 組。

由此可知：14 295.66 m2 的畜禽舍，按單位面積80 W/m2 熱負(fù)荷計(jì)算，則搭配暖氣片數(shù)量為1 453 組。

6 費(fèi)用估算以及與其他熱源設(shè)備的使用費(fèi)用比較

供熱站預(yù)測(cè)能耗，計(jì)算耗電總量，按照每天供熱運(yùn)行13 h，供熱季150 d，電價(jià)0.31 元/kW·h，折合每平方（整個(gè)采暖季）運(yùn)行成本，室內(nèi)溫度達(dá)到（20±2）℃，冬季供暖幾種能源運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表6。

7 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決的方法

當(dāng)熱泵供暖系統(tǒng)安裝完畢后，在正式投入使用前的調(diào)試運(yùn)行工作不可或缺。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)見(jiàn)的新問(wèn)題，只有將出現(xiàn)的問(wèn)題得以解決，在正式移交業(yè)主使用時(shí)才能保證供暖系統(tǒng)工作的順利進(jìn)行。該項(xiàng)目在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，需反復(fù)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使設(shè)備達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)試中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決方案具體如下。

7.1 空氣源熱泵機(jī)組出現(xiàn)的故障報(bào)警

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中空氣源熱泵主機(jī)設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)某些故障報(bào)警，導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)，運(yùn)行停止。在調(diào)試期間線控手操器上出現(xiàn)過(guò)以下故障報(bào)警。

水流開(kāi)關(guān)故障：系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行5 min 后，出現(xiàn)水流開(kāi)關(guān)故障報(bào)警代碼，水流開(kāi)關(guān)由于水流量小，水流開(kāi)關(guān)無(wú)法打開(kāi)，主板和手控器無(wú)水流開(kāi)關(guān)流量信號(hào)，檢查、確認(rèn)機(jī)組正常的情況下，檢查系統(tǒng)的循環(huán)管路及水泵，檢查管路閥門(mén)有沒(méi)有損壞或是否打開(kāi)，檢查循環(huán)泵是否符合機(jī)組流量要求，檢查過(guò)濾器是否堵塞。發(fā)現(xiàn)循環(huán)管道中，由于新安裝了鍍鋅供暖管道，里面有生料帶、麻絲、舊鍍鋅管鐵屑（原有系統(tǒng)管道）等雜質(zhì)堵死在過(guò)濾器濾網(wǎng)中，造成管道水流量不足，引起水流開(kāi)關(guān)故障。在清洗過(guò)濾網(wǎng)后，故障消失，機(jī)組運(yùn)行正常。

7.2 末端散熱器溫度不高的問(wèn)題

在安裝完成啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些末端散熱器水溫升高低，經(jīng)過(guò)對(duì)安裝管路進(jìn)行仔細(xì)的檢測(cè)，確定各路管都是同程布管的情況下，通過(guò)對(duì)水流量進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算，再與機(jī)組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出原主管道的管徑太小，不能與熱泵機(jī)組相匹配。通過(guò)增加并聯(lián)主管后，這一問(wèn)題得到了解決。

8 空氣源熱泵供暖在河北畜禽舍上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)與分享

通過(guò)空氣源熱泵供暖在河北畜禽舍上的采暖案例的分析，可看出在前期的主機(jī)設(shè)備選型時(shí)，主機(jī)設(shè)備的選型并不難，一般生產(chǎn)廠家都有對(duì)應(yīng)的制熱量標(biāo)準(zhǔn)比較。但是末端供暖系統(tǒng)的選型卻是多樣化的，例如在原來(lái)使用燃煤取暖時(shí)使用的散熱器大小、長(zhǎng)短；供水主管道的大小走向均不一樣，一案例一個(gè)方案。以下為該項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)分享。

（1）方案選型設(shè)計(jì)時(shí)，須進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)勘察原有舊系統(tǒng)的末端采暖設(shè)備，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，以便后期進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算、校對(duì)，以更確定合理的末端采暖設(shè)備參數(shù)，這對(duì)整個(gè)供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

（2）提高能源的使用效率是最終目的，也是將燃煤替換成空氣源熱泵的主要原因，這是國(guó)家碳中和、碳達(dá)峰的國(guó)家要求，在系統(tǒng)運(yùn)行方式和輔助運(yùn)行設(shè)備選型時(shí)，怎樣選擇能效高的產(chǎn)品，并使之結(jié)合，運(yùn)行在較低能耗水平之間，是方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮的問(wèn)題之一。

（3）正式移交業(yè)主前的調(diào)試工作不可缺少，須認(rèn)真解決調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，以保證設(shè)備選型滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)及使用要求。

（4）在公司總部建立基于互聯(lián)網(wǎng)端的監(jiān)控平臺(tái)，機(jī)組運(yùn)行的電控系統(tǒng)部署通訊端能與公司總部監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行通訊，出現(xiàn)故障，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，為售后贏得寶貴時(shí)間。

9 結(jié)束語(yǔ)

在北方地區(qū)的畜牧業(yè)養(yǎng)殖中，空氣源熱泵供暖的應(yīng)用是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其不僅涉及前期方案和圖紙的深化設(shè)計(jì)，還涉及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況進(jìn)行調(diào)查以及后期的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)工程動(dòng)輒數(shù)千m2，甚至數(shù)萬(wàn)m2，這就給施工單位和售后服務(wù)帶來(lái)了更高的要求。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)在調(diào)試中持續(xù)出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行有效地解決，才能保證各工藝環(huán)節(jié)間的有效連接，從而確保整個(gè)工程的成功實(shí)施。目前，我國(guó)北方畜禽行業(yè)的“空氣源熱泵”供暖工程已經(jīng)在河北地區(qū)進(jìn)行了3～4 a的穩(wěn)定運(yùn)行，并逐步被津京冀，山東和山西等北方地區(qū)所采用。

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