空气源热泵供暖技术应用分析
哈尔滨供暖时间空气源热泵供暖技术应用分析
刘元芳;李立;董重成
【摘 要】论述了工程应用中系统设计、末端设备选取、热媒温度确定、系统安装运行应考虑的问题和做法,并对空气源热泵供暖区域做了分析,提倡在严寒地区的供暖期与其它热源耦合互补的利用空气能供暖.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2017(039)001
【总页数】4页(P116-119)
【关键词】空气源热泵;独立供暖;末端设备;效能比
【作 者】刘元芳;李立;董重成
【作者单位】黑龙江东方学院,哈尔滨150066;黑龙江东方学院,哈尔滨150066;哈尔滨工业大学,哈尔滨150006
【正文语种】中 文
【中图分类】TU832.15
在国家政策的支持下，热泵技术在我国得到了大力推广应用，除地源热泵等技术被成熟应用建筑和生活中，近年空气源热泵又有了快速发展。目前，不但在寒冷地区开始推广应用，在严寒地区的新疆、呼和浩特、沈阳也具有规模应用的成功案例。而随着市场的不断发展，空气源热泵企业的发展态势，将在未来几年逐渐呈现打破当前应用南北区域划分的限制。
空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术,通过空气获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来供暖或供应热水。
以热泵为热源的供暖系统即为热泵供暖系统。空气源热泵不仅可作为分散供暖的热源，也完全可以用做集中供暖系统的热源。目前，热泵供暖末端设备可采用：地板辐射供暖、风机盘管供暖、散热器供暖。
由于空气源热泵的特点和能效比的关系，空气源热泵供应的热水温度应处在技术经济合理
的工况，这就决定了供暖末端宜采用低温的散热设备。目前采用的末端设备是：地板辐射供暖、风机盘管供暖、散热器供暖，它们各有不同的特点，适合不同需求。
低温地板供暖提高了舒适度，有效节约能源。不占房间的有效使用面积，可以自由的装修墙面、地面和摆放家俱。具有非常好的隔音效果，减少楼层噪音。但地板供暖系统的结构繁杂，有8cm填充层的占用层高，会给人以压抑感。在二次装修时易被破坏，修复则会留有埋在地下的接头，留下隐患。构造层蓄热使得房间升温时间较长，热惰性大。
散热器供暖安装容易、维修简单，彩多样、外观优雅、极易与家装所融合，房间可利用散热器上的温控阀单独调节房间温度，管路少、无立管、泄露亦少，设计计算较简单，房间升温快、温度调节灵活。但散热器供暖占用室内空间，一般热媒供水温度较高，影响热泵供暖的能效比。
风机盘管供暖升温快 、调节灵活、空调供暖两用冷暖两用、节省投资，可根据需要安装在地面或顶棚。但是，热空气在顶部有效利用差、运行产生噪音。
空气源热泵供应的热水温度越高，能效比越低，表1是空气源热泵在某一工况下出口热水温
度升高COP变化情况。热泵供暖末端采用的地板辐射供暖、散热器供暖、风机盘管供暖。由于散热方式不同，采用的热水温度也有所不同。
GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第3.1.1条规定： 热水地面辐射供暖系统的供、回水温度应由计算确定，供水温度不应大于60℃，供回水温差不宜大于10℃且不宜小于5℃。民用建筑供水温度宜采用35～45℃。JGJ242-2012《辐射供暖供冷技术规程》中规定:热水地面辐射供暖系统供水温度宜采用35～45℃，不应超过60℃；供回水温差不宜大于10℃，且不宜小于5℃；风机盘管供暖一般采用的热水温度进水60℃，回水50℃；对于空气源热泵供暖进水45℃，回水45℃。地板辐射供暖、风机盘管供暖热水温度对于空气源热泵供暖具有合理的能效比。
GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第5.3.1 散热器供暖系统应采用热水作为热媒；散热器集中供暖系统宜按75℃/50℃连续供暖进行设计，且供水温度不宜大于85℃，供回水温差不宜小于20℃。对于散热器集中供暖，空气源热泵供暖热水温度按75℃/50℃设计仍使能效比处在不是合理的工况。
然而，通过对供暖系统的实际运行调查，目前北方地区大多数城市集中供热系统运行参数，
就是在最冷月运行参数也远远小于设计工况。对北方几十个城市调查结果是：二次网供水温度约在 47～63℃，回水温度约在 40～50℃，运行温差约为 7.8～14.7℃，温差均小于设计温差20℃。图1是哈尔滨某小区测试整个供暖季温度变化曲线，供暖初期供热温度低于40℃，最冷天气供热温度为60℃。
空气源热泵的最佳工作状态是提供50℃以下的
热水。以往空气源热泵用于建筑采暖不成功的原因之一，就是在于供暖散热器要求热水温度在80℃，这种工作状态下，空气源热泵的能效比太低，不经济。通过散热器低温供暖研究认为：60℃/45℃具有技术经济合理性和可行性。而针对空气源热泵供暖热媒参数完全可以降至和生活热水供应的温度一致。
空气源热泵供暖具有诸多优点。但使用受到环境温度的限制，不同区域、不同末端装置设计时应考虑以下问题。
室内供暖计算温度，根据GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定南北方室内设计温度不同： 严寒和寒冷地区主要房间应采用18 ～ 24℃；夏热冬冷地区主要房间宜采用16～22℃。
选用末端设备时应考虑房间功能、生活习惯和运行方式，从舒适性和经济性选择适合住户需求的地板辐射供暖、风机盘管供暖、散热器供暖形式。
新建与既有建筑增设供暖设施要加以区别：新建住宅可完全按设计规范规定进行。而既有建筑增设供暖设施要考虑住户的具体要求进行，可进行局部主要房间加装供暖设施。既有建筑增设地板辐射供暖时应考虑荷载，尽量采用干式地板供暖，并考虑局部供暖和家具摆放遮挡。地面饰面层应采用热阻小的材料。各环路长度应尽可能一致，并加设调节和环路关断阀门。加热管布置方式可采用图2的形式。
风机盘管冷暖两用，供水温度可降低，用于住宅供暖时宜立式安装，宜靠外窗设置。散热器用于空气源热泵供暖系统，热媒温度可降低与热水供应温度55℃一致。其散热量计算完全可按各类散热器给出的实验公式，代入ΔT℃进行计算即可。图3是对同一组散热器分别对温差ΔT=15～65℃进行分段实验和连续实验的结果，认为低温工况的散热量可视为ΔT=40～65℃试验曲线的延长线。
散热器供暖按低温参数设计，会增加散热器数量，但是低温供暖的特点是舒适和节能。
对于分户独立供暖系统，考虑到管道布置，家具摆放和空间使用等因素散热器完全可在内墙布置，不必强调靠外窗布置。
空气源热泵同时用于生活热水供应和供暖应对生活热水单独设置管道，避免对供暖系统产生腐蚀。对于分户独立闭式系统几乎可以不顾虑散热器的腐蚀问题。由于供暖的热负荷计算是按累年平均不保证5d统计确定的供暖室外空气温度计算参数，当室外温度减低房间需要供应的热负荷增大，而空气源热泵COP值会下降，为解决这一矛盾，必要时应考虑采取耦合热泵系统优势互补或辅助热源的经济可行性。
对于空气源热泵作为集中供暖的热源，由于空气源热泵的特点，为减少输送热损失和管网造价，不宜较长距离输送热媒。
根据对供暖系统运行质调节水温曲线分析，在供暖初期和末期：散热器供水温度仅需40℃，地板供暖供水温度仅需28℃。对于供暖期从日平均5～10℃阶段空气源热泵都有较经济的运行工况，而最冷月平均温度≤-10℃的地区属建筑热工的严寒地区，在这一地区供暖期时间长，一般都在150d以上，因此有100d以上的空气源热泵供暖运行，该时间段的供热负荷仅接近供暖设计热负荷的一半。
供暖期室外温度变化影响空气源热泵效能比COP值，因此空气源热泵供暖的效能比应是针对供暖季的平均值。对于严寒地区出现最冷月时应有其他热源作为热负荷调峰，以便空气源热泵处于技术经济合理的运行工况。
空气源热泵作为热水系统它具有无以比拟的优点。但供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而减小，所以它的使用受到环境温度的限制，一般适用于最低温度在-10℃以上的地区。表2常规空气源热泵COP 值与空气温度的变化值，图4是空气源热泵不同蒸发温度的COP值变化曲线。
超低温空气源热泵采用超低温工况压缩机及低温高效404A制冷制，既能解决空气源热泵衰减问题，同时还可有效的正常制热，可在-25℃的环境温度工作，-20℃以上可达到理想的应用效果。超低温空气源热泵可以实现-20℃以上不加电辅助正常运作。
按照建筑热工设计分区确定：严寒地区最冷月平均温度≤-10℃,寒冷地区最冷月平均温度0～-10℃,夏热冬冷地区最冷月平均温度0～10℃。
热泵技术的发展，超低温热泵机组是针对北方严寒地区设计的，适用环境温度-25℃以上地
区，常规热泵机组在-5℃、增强型热泵机组在-15℃以下不能正常制热。超低温热泵机组相对系统能效比COP更高，因机组的温度响应极快，供应热水的能力极强，即使在-25℃的超低室外环境温度下，依然能够稳定地提供热水。末端采用低温地板辐射采暖系统，可以使热泵节能的优势得到更好的发挥。空气源热泵与水地暖的组合COP均超过3.0，具有运行能效高、运行费低的特点。
图5是哈尔滨供暖季的室外温度变化曲线。从图5中可以看出:最冷月平均日最高气温在-15℃上下，最冷月平均日最低气温在-25℃上下，最冷月平均日气温在-20℃上下。从图6中可以看出:12月中旬至2月中旬气温处于较低的时间段。其它时间段日平均气温均大于-10℃，完全处在寒冷地区的空气温度，因此，在整个180天的供暖期大部分时间都是在空气源热泵较好运行范围。
GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》第8.3.1条规定：冬季设计工况时就性能系数(COP),冷热风机组不应小于1.80，冷热水机组不应小于2.00。即便在最冷月平均日最低气温在-25℃不能运行，但是，有100多天运行性能系数(COP)都会达到规定的要求，因此，具有极大的推广应用价值。而且，北方冬季雾霾最严重都是出现在进入供暖
期的初期，这个阶段的气压低不利于颗粒物的扩散。因此，在严寒地区分阶段利用空气源热泵供暖，对于节能减排，改善雾霾环境具有实际意义。
空气源热泵在北方用于供暖完全可行，并可用做集中供暖系统的热源。严寒地区宜采用超低温空气源热泵，也可在供暖期分时间段担负供暖负荷，并在最冷月与其他热源耦合互补运行。在做技术经济方案论证时应考虑使用所在地区的整个供暖期运行效能比。空气源热泵供暖末端设备可采用地板辐射、风机盘管和散热器，采用散热器供暖的供水温度完全可与生活热水温度一致。
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