熱泵技術在供暖中的應用

【摘要】目前，空氣源熱泵加上末端低溫地板輻射采暖系統在北方建筑中已經得到推廣和應用。本文從原理上分析，通過熱泵技術，可以減少在我國北方地區直接燃煤，從而減少霧霾。對制約熱泵采暖發展的問題進行探討，為熱泵技術在采暖系統中的優化設計與應用提供參考。

【關鍵詞】熱泵；采暖；設計

0 引言

近年來，由于我國北方大部分地區冬季采用燃煤鍋爐取暖，很容易形成霧霾天氣，新型節能環保的采暖方式呼之欲出。隨著國家“煤改電”政策的推行，熱泵（主要是空氣源熱泵）、電地暖、蓄熱電暖氣、太陽能供暖等節能型清潔能源技術和產品也得以推廣。空氣源熱泵加上末端低溫地板輻射采暖在多個不同維度的考量下均表現良好，特別是在使用費用、基礎投資、節能性和全過程費用方面均排名第一。然而由于溫度、技術等客觀因素，造成某些熱泵產品無法在低溫環境下正常運行，制熱效果也不盡人意。本文對制約熱泵采暖發展的問題進行探討，為熱泵技術在采暖系統中的優化設計與應用提供參考。

1 熱泵系統的概念和原理

我們都有一個常識：水不可能自發地從低處流向高處，要將低處的水輸送到高處去，必須用一臺水泵（消耗電能作為補償），才能將低處的水送到高處。同理，熱量也不可能自發地從低溫環境傳送到高溫環境中去，如果要實現熱能從低溫環境向高溫環境的轉移，必須通過一臺設備，并消耗一部分機械功（例如電能）作為補償，這種設備就稱為“熱泵”。空氣源熱泵原理就是利用逆卡諾原理，以極少的電能，吸收空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮變為高溫熱能，是一種節能高效的熱泵技術。空氣源熱泵在運行中，蒸發器從空氣中的環境熱能中吸取熱量以蒸發傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮后壓力和溫度上升，高溫蒸氣通過永久黏結在貯水箱外表面的特制環形管冷凝器冷凝成液體時，釋放出的熱量傳遞給了貯水箱中的水，冷凝后的傳熱工質通過膨脹閥返回到蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復。

2 熱泵系統的應用范圍

隨著熱泵技術的不斷發展，超低溫熱泵機組是針對北方嚴寒地區設計的，適用環境溫度-25℃以上地區，常規熱泵機組在-5℃、增強型熱泵機組在-15℃以下不能正常制熱。超低溫熱泵機組相對系統能效比COP更高，因機組的溫度響應極快，供應熱水的能力極強，即使在-25℃的超低室外環境溫度下，依然能夠完美穩定地提供恒溫熱水。末端采用低溫地板輻射采暖系統，可以使熱泵節能的優勢得到更好的發揮。地板采暖技術成熟，以35℃-45℃低溫熱水為熱媒，通過埋設地板內的塑料管（常用PEXR管，PE-RT管，PP-R管或鋁塑復合管）把地板加熱，均勻地向室內輻射熱量，是一種對房間微氣候進行調節的節能采暖系統。地板的儲熱能力強，可使建筑保溫性提高，節能效果顯著。空氣源熱泵與水地暖的組合COP均超過3.0，具有運行能效高、運行費低的特點。由空氣源熱泵作為能源，與地板采暖相結合建成集中式或分散式采暖系統。可廣泛應用于華中、華北、西北南部等地區。

3 熱泵系統的常見問題

空氣能熱泵采暖的制熱量受環境溫度因素明顯，一直是制約我國熱泵采暖發展的技術難題。南北方氣候條件、房屋結構、生活習慣有諸多不同，筆者主要從“寒冷地區”和“夏熱冬冷地區”使用熱泵而引發的問題進行分析。當前熱泵的不足和原因有以下幾個方面：

3.1設計人員對熱泵性能了解不夠深入

設計人員沒有充分考慮低溫運行條件下熱泵的性能以及采暖負荷的變化，熱泵機組選型偏小。一方面采暖系統設計人員沒有注意到空氣源熱泵的制熱量隨環境空氣溫度的下降而減小，按以往采用熱水鍋爐等熱源裝置的方式考慮熱源裝置的容量；另一方面，市場上信息比較混亂，空氣源熱泵熱水機的額定制熱能力按20℃環境溫度考慮，而典型的熱泵采暖運行環境溫度為7℃，兩個測試條件的差異就導致30%左右的熱量差異。此外，環境溫度為-7℃熱泵的制熱能力約為環境溫度為7℃的55%，與此同時，建筑物的采暖熱負荷則隨環境溫度的下降而增加，若設計人員對這些問題認識不足，就會導致熱泵系統制熱量不足，導致采暖效果不好。

3.2熱泵產品良莠不齊

熱泵制造企業未掌握熱泵冬季制熱設計的關鍵技術，其后果不僅導致冬季制熱性能不良，而且壓縮機容易損壞。以前在家用空調制造行業，冬季壓縮機燒毀現象是一個突出問題。隨著產業集中度的提高，往大企業集中，設計錯誤導致壓縮機冬季燒毀的情況在房間空調器制造行業基本消失，但是由于近年來大量中小企業進入熱泵熱水器制造行業，同樣的問題成為熱泵熱水器行業的突出問題，以至于在我國市場上出現了熱泵熱水器專用壓縮機。必須指出，類似的熱泵產品在日本已經出現30年，而且這類產品在日本的市場保有量大約為我國的100倍，而在日本這類問題并沒有發生。由此可見，問題不在于這類產品的技術合理性，而在于個別企業的設計不當。

3.3未采用壓縮機調速技術，以及一些諸如補氣等方法，一味依賴輔助熱源

在冬季利用輔助熱源解決熱泵供熱量不足問題，是在熱泵應用早期的無奈之舉，隨著壓縮機變容量技術以及補氣技術的應用，空氣源熱泵在冬季對輔助熱源的依賴逐步減少。

熱泵性能的好壞取決于熱泵搬運空氣中熱能并轉化為熱水的能力。熱泵應從吸熱（從空氣）能力、散熱（到熱水）能力兩個方面進行優化設計，使熱泵的性能最好，熱能利用率最佳。使用超大面積的空氣熱交換器，配合高質量的電機和風扇系統，吸收的空氣熱能更多，使用于進行交換成熱水的熱量遠超一般的熱泵。換熱器最好采用雙循環水路鈦管設計，相比傳統的鈦管單循環，水經過冷凝換熱器的時間更長，接觸面積更大，相同的熱能可以加熱更多的熱水，效率更高，并最大限度地減少水垢的生成。應該指出，空氣源熱泵的推廣應用，在我國剛剛開始。這項技術不單單是生產企業開發新產品，有了“高效節能” 桂冠就可一賣了之。建筑結構設計上也要有墻體和門窗的保溫，如果房間結構不節能，任何高效產品都沒有意義。熱泵產品要有好的可靠性和售后服務。任何瑕疵都會影響熱泵的正常工作，尤其在寒冷季節出現故障，不僅風險極大，也會使熱泵供熱的名聲掃地。

4 結束語

根據目前技術的發展狀態以及前景，未來空氣源熱泵加上末端低溫地板輻射采暖型式將會成為供暖型式的首選。在節能減排大行其道的今天，推廣空氣源熱泵的目的是出于對能源、生態環境的保護。在利用資源的同時我們更要做到資源的保護，這才是推廣它的真正意義。

參考文獻

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