戶式低溫空氣源熱泵采暖系統在司馬臺新村的應用

劉婷 宓林 朱愷

摘要：本文首先介紹了北京市密云縣司馬臺新村采暖項目的概況和當地氣象參數，考慮到低溫空氣源熱泵的優點，以及保護水源和保護生態環境的因素，決定采用低溫空氣源熱泵供暖，并對低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統進行方案設計和熱負荷計算，然后進行設備選型。系統安裝運行后，選取兩個采暖季和一個典型日，對典型房間的室內外溫度進行測量，結果令人滿意，村民們普遍反應良好，最后對系統進行經濟性分析，運行費用在20元/㎡以下，低于城市集中供暖費用，老百姓完全能夠接受。在全國新農村建設和城鎮化過程中低溫空氣源熱泵作為采暖和空調能源是值得推薦的。

關鍵詞：熱泵采暖；戶式低溫空氣源熱泵；地板輻射采暖；新農村建設

中圖分類號：T254 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0346-04

長期以來，我國的能源結構以煤炭消耗為主，無論是發電行業，還是生產性企業，包括北方地區的供暖，都是以煤炭為主。巨大的煤炭消耗產生了大量的溫室氣體和粉塵，嚴重污染了大氣環境。為應對全球氣候的變化，國家把能源消耗強度降低和主要污染物排放總量減少確定為國民經濟和社會發展的約束性指標，北方地區以燃煤為主傳統供暖方式已經不能滿足可持續發展的要求。空氣源熱泵系統可以從大氣環境中提取熱量，作為冬季供暖的熱源，在我國長江中下游以南地區一直有相當廣泛的應用，但常規空氣源熱泵系統低溫制熱性能并不理想，存在室外蒸發器結霜、熱泵性能較低等問題。隨著低溫空氣源熱泵系統技術的發展和優化，使得空氣源熱泵系統可在低環境溫度下安全、穩定、經濟地運行，低溫空氣源熱泵系統已成功應用于北方地區冬季采暖。

1 司馬臺新村采暖熱源系統

1.1 項目概況

司馬臺新村位于北京市密云縣古北口鎮，是偏遠山區，也是北京市水源保護區、生態涵養區和傳統文化展示區。北京市和密云縣政府把司馬臺新村列入新農村建設重點項目，經統一規劃改造，農民搬新居，需要解決冬季采暖問題。

司馬臺新村工程總面積為77525㎡，共有121棟單位工程，計596戶。其中二層別墅107棟，有三種戶型，共316戶。A戶型（110㎡）73戶；B戶型（160㎡）197戶；C戶型（203㎡）46戶。多層建筑14棟，有4種戶型，共280戶。D戶型（74.06㎡）90戶；E戶型（88.3㎡）90戶；F戶型（105㎡）50戶；G戶型（122㎡）50戶。

1.2 當地氣象參數

年平均氣溫10～12℃，1月-7～-4℃，7月25～26℃。根據氣象參數顯示近5年內，出現-20℃以下時間，累計48小時；-16℃以下時間，累計720小時。根據密云縣氣象局在離古北口鎮最近的上甸子觀察點測得的氣象數據如表1所示。

1.3 熱源選擇

為了選擇適用的采暖熱源，特列出常見熱源性能比較，見表2。司馬臺新村地處偏遠山區，無市政集中供暖管網，燃油或燃氣資源不具備，無法在該項目上使用；電鍋爐因其能效極低，也不宜采用。從經濟、環保和節能方面考慮，水、地源熱泵作為熱源是能效比最高的，但是密云縣特殊的地形地貌，陡峭起伏，溝壑陡深，給地源熱泵的施工造成很大障礙，更重要的是密云縣是北京市集中水源地，是禁止發展水源熱泵地區；所以水、地源熱泵也不能考慮。作為北京市的水源保護區、生態涵養區和傳統文化展示區，經反復論證，最終決定采用低溫空氣源熱泵作為采暖熱源，低溫空氣源熱泵通過消耗少部分電能可獲得2.5～3.4倍的供熱量，一次能源利用率可達0.825～1.122，通過一次能源效率分析，低溫空氣源熱泵與直接電采暖相比，節能69%；與燃煤鍋爐相比，節能43%；與燃氣鍋爐相比，節能28.6%。

1.4 低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統

本方案結合當地資源環境條件，低溫空氣源并結合系統的經濟效益、節能效益，考慮到當地農民對于供暖操作系統的復雜性接受程度，綜合分析得出，本方案選用低溫空氣源熱泵+低溫水地板輻射采暖系統。

（1）低溫空氣源熱泵特點

太陽光的熱能被大氣吸收，空氣中貯存了無限量的不能直接利用的低溫熱能。人們利用逆卡諾原理，以極少的電能，用蒸發器吸取空氣中的低溫熱能以蒸發傳熱工質，工質蒸氣經壓縮機壓縮后，壓力和溫度上升，高溫工質蒸氣通過貯水箱外側環形管冷凝器時把熱量傳遞給貯水箱的水，工質蒸氣冷凝成液體，通過膨脹閥返回到蒸發器，然后再被蒸發，如此循環往復，把空氣中的低溫熱能轉化后產生成熱水，用于室內供熱采暖（制冷時將室內熱量排放到室外空氣中）。

低溫空氣源熱泵系統優勢：1）適用范圍廣，性能穩定：適用溫度范圍在-7℃至40℃，并且一年四季全天候使用，不受雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚低溫的影響，均可正常使用。2）運行成本低，節能效果突出：投資回報期短，可節省70%的能源。3）環保型產品，無任何污染，無任何燃燒外排物，不會對人體造成損害，具有良好的社會效益。4）安全穩定，使用方便：安全性能好，無任何隱患，占地空間很小，外形與空調室外機相似，可直接與供暖管網連接，適合于大中城市的高層建筑。5）使用壽命長、維護費用低：使用壽命長達15年以上，設備性能穩定，運行安全，自動化程度高。

傳統的空氣源熱泵機組工作范圍較窄，當冬季室外溫度低于-5℃時，機組的能效比和平穩運行性均受到較大影響，為了解決這一問題，本方案選用清華同方研制的低溫空氣源熱泵，只要環境溫度大于-22℃機組均能正常運行。

（2）低溫熱水地板輻射采暖系統特點

低溫地板輻射采暖是利用建筑物內部地面作為輻射面進行采暖的系統，將加熱盤管埋設于地板下，以30～60℃的熱水作為熱媒，在加熱盤管內循環流動加熱地板，通過地面以輻射和對流的方式向室內加熱，加熱室內空氣，在室內形成一個交互的輻射場，輻射換熱量通常占總換熱量的50%以上[1]，其結構如圖1所示：

低溫地板輻射采暖系統優勢：1）高效節能：熱媒低溫傳送，在傳送過程中熱量損失小，熱效率高。2）環保、衛生，健康保健：室內地表溫度均勻，室溫由下而上隨著高度的增加溫度逐步下降，符合人的舒適感受；空氣中灰塵流動要小的多，減少了空氣中有害病菌的蔓延，室內環境更加衛生清潔。3）不占使用面積。4）使用壽命長，免維護，安全性能好，節約維修費用。

2 采暖方案設計

2.1 熱負荷計算

司馬臺新村建設中推廣新型建筑節能民居建設，外墻使用擠塑裝飾保溫板，窗體采用中空保溫玻璃鋼窗，建筑整體保溫性能良好。按照北京市節能建筑標準設計，冬季室內設計溫度為18℃。由于司馬臺新村地處北京北部山區，冬季氣溫偏低，考慮到空氣源熱泵在低溫環境下運行會有衰減，熱泵機組選型時需將額定出力比設計負荷選大一些，在出力不足時需加輔助電加熱系統。

（1）圍護結構的基本耗熱量計算公式

（2）附加耗熱量計算公式

（3）通過門、窗縫隙的冷風滲透耗熱量計算公式

（4）外門冷風侵入耗熱量計算公式

通過計算得到各戶型的采暖熱負荷，見表3。

2.2 設備選型

根據不同的戶型，計算負荷大小，從而為每一戶居民家中選擇一套戶式低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統。系統加配輔助電加熱器。-18℃以上的天氣只靠熱泵機組運行。-18℃以下時輔助電加熱器投入運行。設備型號選擇情況見表4。

2.3 系統構成

空氣源熱泵系統由三部分組成：1）主機部分：戶式空氣源熱泵機組和循環水泵；2）末端系統：地板采暖管線、閥門、分集水器、膨脹罐及補水定壓裝置；3）溫控系統：溫度傳感器及控制器等組成。系統原理見圖2。

3 系統運行測試與分析

3.1采暖季運行測試數據

本項目于2011年完成安裝調試，并投入使用。課題組對2011～2012年及2012～2013年兩個冬季低溫空氣源熱泵供暖情況進行了測試。在這兩個供暖季中，低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統均安全、穩定運行，2012～2013采暖季遭遇了北京地區較寒冷的一個冬季，在室外溫度達到-20℃以下時，室內溫度仍保持在18℃的設計溫度。

選取一棟二層別墅做為測試對象，并對其運行結果進行分析。

（1）典型房間采暖運行數據

為了弄清系統的運行情況，分別對典型房間的室內溫度和室外環境溫度進行了兩個采暖季的測試。典型房間選取最不利房間，分別對一層北側餐廳及二層北側臥室進行測試，從而避免太陽輻射等因素對房間負荷的影響，同時盡量減少測試人員對房間溫度場、速度場的影響。測試時間分別選取0～2點、6～8點、12～14點、18～20點，將測得的四個典型時間段的平均溫度繪圖，就得出整個采暖季室內溫度曲線和室外溫度曲線。見圖3。

從圖3可以看出，在兩個運行采暖季內，雖然室外環境溫度變化較大，但是室內溫度基本保持穩定，在-15℃環境溫度下仍然保持了很好的穩定性。當夜間氣溫降至-15℃以下時，室內溫度也沒有出現較大波動，仍維持在18℃以上。

（2）典型房間典型日運行數據

為進一步驗證供暖系統的供熱效果及其穩定性，我們選取室外空氣溫度較低的2013年1月24日為典型日，當天室外最低溫度為-16℃，遠遠低于北京市市區冬季平均最低溫度，典型日典型房間溫度測量結果見圖4。從圖中可以看出，在典型日一天之內，室外環境溫度變化較大，但是室內溫度基本保持穩定，當夜間氣溫降至-16℃以下時，室內溫度也沒有出現較大波動，仍維持在20℃左右。

由此可以得出，即使環境溫度不斷變化，但是低溫空氣源熱泵系統仍然能保持安全、穩定的運行，能保障村民家中的供暖需求。

3.2 采暖季運行效果分析

（1）熱舒適性效果分析

對人體熱舒適性的研究表明：理想的溫度梯度應該是頭部、胸部比足部略低一些，既所謂正向溫度梯度場，這符合我國中醫提倡的“溫足而涼頂”的理論。傳統的取暖方式，房間的頂部大約有30℃，而人體所處的位置尤其是腳部僅有15℃甚至更低。地板輻射散熱是最舒適的采暖方式，室內地表溫度均勻，室溫由下而上隨著高度的增加溫度逐步下降，這種溫度曲線正好符合人的生理需求，給人以腳暖頭涼的舒適感受。

選取典型房間在典型日期間，測試房間不同高度處溫數據。分別選取房間內0.1m、1.2m、1.8m高度處的溫度測點。測試結果如表5所示。

地板輻射采暖的加熱盤管敷設于房間地面，熱量由下向上傳遞，室內溫度分布均勻，溫度梯度合理，通過房間內分層溫度測試數據與室內房間理想供熱曲線（圖5）的對比分析可知，冬季室內溫度一般應在16～22℃，達到Ⅱ級熱舒適，地板輻射供暖，室內溫度應為17～19℃[2]，這種溫度曲線符合人體生理需求，給人以腳暖頭涼的舒適感受。

（3）節能效果分析

1）低溫空氣源熱泵采用補氣增焓技術有效提高低溫環境運行能效

常規空氣源熱泵機組在低溫環境下運行，系統蒸發溫度降低，壓縮機的吸氣比容增大，導致進入壓縮機的制冷劑體積流量減少，系統制熱性能下降；壓縮機排氣溫度過高導致頻繁啟停，影響系統正常運行；排氣溫度升高導致潤滑油粘度急劇下降，系統會出現回液、回油不正常的現象，導致壓縮機損壞。低溫空氣源熱泵采用了補氣增焓技術，可有效解決常規空氣源熱泵在低環溫下運行的問題，補氣增焓技術采用經濟器系統，實現制冷制熱雙向補氣，在節流部分加設補氣回路，形成“準二級壓縮”，提高熱泵系統在低溫工況下的能效，解決熱泵機組在低環境溫度下高效制熱問題，保證機組在-20℃以上環境溫度正常工作，綜合部分符合性能系數（IPLV）≥2.4。采用補氣增焓技術能效比的改善效果十分明顯，均在0.2以上，相當于空調器能效級提升一級。

2）地板輻射采暖系統蓄熱性能良好

地板輻射采暖地面層蓄熱量大，熱穩定性好，在間歇供暖的條件下，室內溫度變化緩慢。地板采暖將地面溫度均勻加熱，室溫自下而上逐漸遞減，室內溫度變化緩慢，能較好保持室溫均衡。保溫性能良好的建筑，在20℃時停電停水，室內溫度在12小時內仍可保持18℃，使人不會有忽冷忽熱的感覺。低溫空氣源熱泵主機工作時間與環境溫度密切相關。3）地板輻射采暖、空氣源熱泵系統雙節能地板輻射采暖，可使人們同時感受到輻射溫度和空氣溫度的雙重效應，其室內溫度梯度比對流采暖時小，因而可以大大減少屋內上部的熱損失，熱壓減少，冷風滲透量也減小。地板輻射采暖的實感溫度比室內溫度高出2～4℃ ，18℃的設計溫度可達到一般采暖22℃的采暖效果，在本項目中采用35℃的低溫熱水。室內外溫差減小，傳熱損失較少。住宅室內溫度每降低4℃，可降低供熱能耗10%以上。空氣源熱泵機組因為供水溫度降低，能效比提高，供水溫度每降低4℃，能效比提高10%以上，不同供水溫度下機組COP如圖6所示。采用低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖技術相比較其它空氣源熱泵供暖方式綜合節能率超過20%。

4）采用優化的系統運行策略

低溫空氣源熱泵機組搭配合適的末端采暖系統，在特定的環境溫度、特定的供回水溫度的設計工況下，可以保證良好的系統能效比，為了最大限度的降低系統運行費用，需要一套好的的運行策略。

在運行時間內，不僅自動檢測回水溫度，還自動檢測回水溫度變化率，實時跟蹤室內負荷，自動調節機組的冷/熱量輸出，節能效果顯著，同時減少室內溫度波動，提高舒適度。

為了保證機組在低溫環境下安全可靠運行，系統采用熱泵和電加熱雙熱源方案，借助電加熱的輔助方式將熱水溫度加熱到需求溫度。先根據室外溫度信號和該溫度下的經驗COP 判斷低溫空氣源熱泵能否高效運行，如果熱泵在設定的出水溫度和室外溫度條件下不能高效運行，則利用輔助電加熱系統加熱系統內的循環水，使得出水溫度達到設計要求。通過大量測試數據分析，為了最大限度的提高系統能效，降低運行費用本項目設定為-18℃以上的天氣熱泵機組單獨運行，-18℃以下的天氣電加熱器單獨運行，控制策略如圖7所示。

4 經濟性分析

4.1 系統初投資

主機部分，約120元/㎡。地板采暖部分，約40～60元/㎡ 。整個系統造價合計，160～180元/㎡。這樣的初始投資，村民們可以接受。

4.2 系統運行費用及能耗分析

由于本項目中采用的是戶式空氣源熱泵系統，每戶居民可根據自己的需求隨時開啟或關閉熱泵機組，各戶機組的運行時間有差異，從而導致運行費用略有不同，課題組挑選三個戶型的建筑，對運行費用進行分析。見表6。運行費用低于20元/㎡，低于城市集中供暖費用，村民們樂意接受。

4.3與其他系統經濟性比較

5 節能效益分析

按照北京市供暖標準，“低溫空氣源熱泵+地板供暖系統”與“電鍋爐+地板輻射供暖”相比，可實現減排CO2 11.4噸，SO2105.0kg，粉塵3.0噸，節能減排效益顯著。

6 結論

隨著司馬臺新村冬季供暖工程的成功實施，驗證了低溫空氣源熱泵系統能在-20℃以上環境溫度正常工作，可取代傳統的供暖方式，一方面滿足用戶對舒適、經濟環保、調節使用方便的供暖服務的需求；另一方面可以解決集中供熱設施無法覆蓋，但有供熱需求場所的供暖問題。從資源依賴程度、環境友好程度、經濟效益、舒適性等方面綜合考慮，“低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統”適用于我國北方地區冬季采暖的推廣，實現為國節能、為民節資、環保舒適的目的。

參考文獻

[1]李新.關于全面推廣低溫水地板輻射采暖方式的探討 [J].區域供熱，2004（6）：16-18

[2]高智杰.夏熱冬冷地區不同采暖末端的供熱特性及調控規律研究 [D].西安：西安建筑科技大學，2013.