集中式空氣源熱泵用于采暖工程的實例研究

趙寶國，王立群，韓獻軍

（1-頓漢布什（中國）工業(yè)有限公司，山東煙臺 264003；2-冰輪環(huán)境技術股份有限公司，山東煙臺 264002）

0 引言

空氣源熱泵從空氣中取熱，消耗少量電能，輸出可供采暖利用的高品位熱能，目前已成為清潔供暖的主流產(chǎn)品。具有高效、節(jié)能、無污染等多重優(yōu)點的空氣源熱泵技術為暖通空調技術的發(fā)展提供了方向[1-2]，近年來在北方地區(qū)冬季采暖中扮演了越來越重要的角色。國務院官網(wǎng)發(fā)布了《關于印發(fā)“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知》，鼓勵并支持以空氣源熱泵為代表的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在“煤改電”工程[3]實施的大環(huán)境下，加快熱源端清潔化改造，重點圍繞解決散煤燃燒問題，按照“集中為主，分散為輔”和“宜氣則氣，宜電則電”原則，因地制宜推進燃煤設施清潔化改造。各省市也已根據(jù)自身條件制定了相關推進政策。空氣源熱泵采暖必將迎來更加廣泛的應用。

近年來，空氣源熱泵技術向低溫方向發(fā)展。一般采用低溫熱泵專用的渦旋壓縮機（噴氣增焓或噴液），并配合大片距翅片換熱器的系統(tǒng)組合形式，此種系統(tǒng)形式應用的最低環(huán)境溫度可達-25 ℃，能夠做到在低溫環(huán)境下完全不用電加熱輔助[4-6]。此外，為提高低溫空氣源熱泵的效率，對于除霜的解決方案許多人做了大量的研究。黃虎等[7]通過對空氣源熱泵的結霜情況進行測試，發(fā)現(xiàn)霜層厚度達到一定數(shù)值時，對機組的能效比（Coefficient of Performance，COP）等參數(shù)有明顯的影響。KRAKOW等[8]提出在熱氣旁通除霜循環(huán)中增加一個輔助蒸發(fā)器，實驗結果表明，熱泵系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，避免了除霜過程中壓縮機吸氣帶液的情況。雖然提出的除霜方式較多，但并不夠完善，需要繼續(xù)研究[9-16]。

本文將從實際工程應用的角度，對存在的問題進行說明和分析，給出解決的方案，提出集中式空氣源熱泵系統(tǒng)的概念；并在實際采暖工程實例中加以驗證，為空氣源熱泵采暖應用提供參考。

1 傳統(tǒng)空氣源熱泵應用

1.1 補氣增焓熱泵系統(tǒng)

圖1為傳統(tǒng)空氣源熱泵模塊系統(tǒng)簡圖，采用渦旋壓縮機補氣增焓，隨著渦旋壓縮機技術的進步，空氣源熱泵模塊的運行環(huán)境溫度范圍更加寬泛，運行效率進一步提升。

補氣增焓技術能夠較好地改善低溫環(huán)境下壓縮制冷循環(huán)的效率，降低壓縮機排氣溫度，提高制冷設備的效率以達到節(jié)省能源的目的[17]。張華俊等[18]通過實驗在-10 ℃～-15 ℃的低溫環(huán)境中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)仍然具有較高的制熱能力和供暖溫度，能夠滿足寒冷地區(qū)冬季的采暖要求，但隨著環(huán)境溫度的升高，補氣改善性能系統(tǒng)的效果變差。

圖1 補氣增焓熱泵系統(tǒng)簡圖

1.2 工程應用中的不足

隨著傳統(tǒng)空氣源熱泵在越來越多的采暖工程中大規(guī)模使用，以下幾個問題表現(xiàn)得越來越突出。

1）占地面積大。由于傳統(tǒng)空氣源熱泵單臺容量小，所以機組臺數(shù)較多，占地面積較大。以某小區(qū)為例，小區(qū)供暖面積67,000 m2，設備擺放面積接近400 m2。對于寸土寸金的城市小區(qū)來講，要擺放如此眾多的設備，設備占地大是個棘手的問題。

2）機組擺放緊湊，對換熱效果有影響。由于考慮節(jié)省用地，設備間距被迫變小，“設備方陣”中間位置出現(xiàn)“冷島效應”，造成處在這個位置的設備換熱效率低下。以某小區(qū)為例，經(jīng)過現(xiàn)場運行測試，3排設備當中，中間一排的效率平均比邊上兩排低15%左右。

3）設備降噪難度大。經(jīng)過降噪優(yōu)化設計的傳統(tǒng)空氣源熱泵，設備噪音為61 dB，10 m以外也有45 dB，尤其壓縮機產(chǎn)生的長波震動會傳得非常遠。由于空氣源熱泵的蒸發(fā)器必須露天放置，所以機組無法進行封閉降噪。

4）水側換熱器無法進行拆卸清洗。熱泵在加熱循環(huán)水過程中會有水垢產(chǎn)生，對于補水頻繁的系統(tǒng)結垢更為嚴重。傳統(tǒng)的空氣源熱泵為了增大換熱面積并有效降低成本，全部采用封閉式高效換熱器，這種換熱器不能拆卸清洗。

5）空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下運行時，蒸發(fā)器表面霜的形成導致?lián)Q熱器傳熱效果惡化，且增加了空氣流動阻力，使得機組的制熱能力下降，嚴重時機組會停止運行，因此，提高蒸發(fā)側的除霜和延緩結霜技術是提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑之一[19]。

2 集中式空氣源熱泵應用

2.1 系統(tǒng)構成

針對以上工程應用中出現(xiàn)的問題，本文結合已有行業(yè)經(jīng)驗，提出集中式空氣源熱泵的系統(tǒng)形式，主要用于30,000 m2以上大中型空氣源熱泵采暖項目。本系統(tǒng)主要由低溫螺桿并聯(lián)機組、大片距空氣側換熱器、桶泵供液系統(tǒng)3部分構成，見圖2。

圖2 集中式空氣源熱泵系統(tǒng)簡圖

整個熱泵系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）機組采用大型低溫螺桿并聯(lián)機，單臺容量大，占地少；單臺容量可達800 P，而傳統(tǒng)空氣源熱泵單臺最大容量只有25 P，使縮小機組占地面積成為可能；

2）主機占地少，有利于封閉降噪；主機自帶箱體，相對封閉的環(huán)境有利于阻隔噪音向機房外傳遞；

3）桶泵供液系統(tǒng)效率高，能實現(xiàn)冷媒的遠距離輸送；桶泵供液能使整個系統(tǒng)提高效率20%左右；冷媒遠距離輸送，可以使空氣側換熱器與主機分開布置，比如安放在樓頂，既可以提高換熱效率又能有效降低噪音，還可以縮小設備的占地面積；

4）空氣側換熱器采用大片距冷庫專用冷風機，抗結霜能力更強；傳統(tǒng)空氣源熱泵的換熱器片距分別是1.8 mm和3.0 mm；而集中式空氣源熱泵的換熱器片距加大到4.0 mm，抗結霜能力更強；

5）水側換熱器采用大型殼管式換熱器，換熱效率高，可拆洗。

2.2 負荷匹配

如圖3所示，所需供暖熱負荷隨環(huán)境溫度降低而直線增加；由壓縮機性能曲線可知，制熱能力隨環(huán)境溫度降低而近似線性衰減，制熱COP隨環(huán)境溫度降低近似線性衰減；需熱量與供熱能力曲線交叉點的溫度值即為能夠滿足采暖溫度需求的環(huán)境溫度下限。

根據(jù)2000年以來煙臺地區(qū)采暖季日平均溫度的歷年平均值繪制采暖季逐日熱負荷變化圖，見圖4。據(jù)圖可知，煙臺的采暖季最低溫度在1月下旬及2月上旬；采暖季首尾所需熱負荷約等于最大供熱負荷的一半，即要求熱泵機組供熱能力可調，并且在50%負荷以下高效運行。以上變化規(guī)律對全國各地具有通用性。

圖3 制熱量和需熱量隨環(huán)境溫度的變化

圖4 煙臺采暖季逐日熱負荷變化圖

圖3說明，熱泵機組適合于采用多機并聯(lián)方式，隨著環(huán)境溫度降低增加機頭數(shù)量，采用單級壓縮機并聯(lián)還是雙級壓縮機并聯(lián)則需根據(jù)環(huán)境溫度及運行工況決定。圖4說明，采暖季逐日負荷變化情況與多機并聯(lián)熱泵系統(tǒng)的能量調節(jié)方式相匹配，可保證采暖季部分負荷下的高效運行。

2.3 結霜分析

蒸發(fā)器翅片表面溫度低于0 ℃并且低于空氣露點溫度時，換熱器空氣側表面結霜。根據(jù)傳熱公式：

式中：

Q——總換熱量，W；

αo——空氣側換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

F——空氣側換熱器總換熱面積，m2；

tao——出風溫度，℃；

tai——進風溫度，℃；

tf——翅片溫度，℃；

K——總換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

te——蒸發(fā)溫度，℃。

根據(jù)空氣側換熱器選型數(shù)據(jù)表可知總傳熱系數(shù)K及空氣側換熱系數(shù)為αo，由上述計算公式可以計算蒸發(fā)器翅片表面溫度tf；與環(huán)境條件下的露點溫度td比較，進而判斷翅片表面是否結霜。舉例如下：總傳熱系數(shù)K為38 W/(m2·K)，空氣側換熱系數(shù)αo為67 W/(m2·K)，在環(huán)境溫度ta為0 ℃，相對濕度RH為70%的設計工況下，此點的露點溫度td為-4.8 ℃，此條件下的翅片表面溫度tf為-4.4 ℃，翅片溫度高于露點溫度，空氣側換熱器翅片表面不會結霜。在ta為-10.0 ℃，相對濕度RH為70%的設計工況下，此點的露點溫度td為-14.4 ℃，此條件下的翅片表面溫度tf為-14.1 ℃，同樣，空氣側換熱器翅片表面不會結霜。

根據(jù)煙臺地區(qū)氣象參數(shù)，相對濕度基本在70%以下，通過控制空氣側換熱器進風溫度與蒸發(fā)溫度之間7 ℃換熱溫差，理論上可以保證蒸發(fā)器在相對濕度70%以下不結霜運行，設計換熱溫差為7 ℃，正好發(fā)揮了泵供液系統(tǒng)的優(yōu)勢，如此則最大可能地減少了空氣側蒸發(fā)器融霜對系統(tǒng)性能的影響，同時，為應對極端惡劣天氣的結霜情況，仍然設置了熱氣融霜功能，完善控制邏輯，按需融霜，最大限度減少因空氣側換熱器融霜帶來的能耗增加。

3 集中式空氣源熱泵用于采暖工程的實例分析

4 結論