空氣源熱泵在鑫順煤業的選型分析與應用

趙聰慧，馮希宏

（山西煤炭進出口集團煤業管理有限公司晉南分公司，山西 蒲縣 041200）

山西煤炭進出口集團左權鑫順煤業有限公司地處太行山腹地，位于左權縣城東北6 km處的遼陽鎮殷家莊村，礦區屬溫帶大陸性季風氣候區，氣候特點為四季分明，晝夜溫差大，春季干旱多風，年平均氣溫7.5℃，1月份最冷，最低溫度達-25℃，月平均氣溫-8.5℃，7月份最熱，月平均氣溫21.2℃。

鑫順煤業瓦斯泵站場地與礦井工業場地相距1 km，依據《礦井初步設計》，在瓦斯泵站場地建鍋爐房及其配套設施，為保證礦井瓦斯抽采設備和管路在冬季正常運行，需對瓦斯泵站場地采暖設施進行選型并實施。

1 瓦斯泵站場地熱源方案確定

礦井瓦斯泵站場地可選用三種方案實現場地建筑物采暖供熱：1臺SHL4-1.25-P(Q)型燃煤燃氣兩用蒸汽鍋爐、6組PHNIX北極星系列空氣源熱泵機組、1臺DWDR0.72-95/70-D1（720 kW）型常壓電熱采暖鍋爐?，F將三種方案投資及運行費用對比見表1。

表1 三種方案投資及運行費用對比

對比以上方案，選用目前國家推行的利用可再生能源環保節能型供熱產品——空氣源熱泵機組。

2 空氣熱泵供暖系統

2.1 工作原理

空氣源熱泵是從大自然中取得較低溫度的熱源，較低溫度的熱源通過消耗電能、高溫能源或者機械能等對其進行驅動，將低溫熱源提升到高溫熱源并可利用的裝置。通過系統有效的將低溫熱源集中之后形成高溫熱源，此熱能可以應用到熱水或者是供暖的系統中。熱泵系統起能量搬運的作用，可將大量的能量搬運然后進行應用，具有效率高，環保等優點。熱泵系統在不同的自然環境中可以分為水源熱泵、地源熱泵以及空氣源熱泵，空氣源熱泵是再生能源裝置，也是所有熱泵中最常見的?，F階段空氣熱泵主要應用在熱水、供暖和工農業領域。本文主要介紹的是空氣熱泵進行采暖供熱方面。

2.2 工作流程

空氣源熱泵系統中主要包括壓縮機、蒸發器、膨脹閥、軸流風扇、冷凝器、過濾器及儲液管等。空氣源熱泵系統運行過程為：軸流風扇開始運行，將大自然中的空氣抽入蒸發器，能量交換后，一邊低溫熱源從軸流風扇中排出到大氣中，另一邊壓縮機吸收蒸發器內被汽化后的工質，被汽化的工質通過壓縮機壓縮成高溫、高壓氣體，然后進入到冷凝器，循環水也進入冷凝器，其中工質會將循環水加熱，加熱后的循環水輸送出供暖，工質則被冷卻成液體后流入膨脹閥，經過節流降壓后進入蒸發器，這樣一直循環，不斷地從空氣中吸取熱量，然后加熱冷水，進行供暖使用。

2.3 供暖終端分析

空氣熱泵供暖終端有三種方式：地板輻射、散熱器以及風機盤管。

地板輻射方式，供暖時水溫通常處于35°左右，由于溫度是從下向上傳播，因此人感受到的溫度要比室內實際溫度高2°～4°，增強了舒適度；此方式的蓄熱性能較高，能夠避免因為天氣影響正常的供暖；此方式也不占用室內有效空間。不足之處在于降低了室內高度，維修困難。

散熱器方式，供暖時水溫通常處于55°左右，安裝維修都比較容易，樣式多樣；散熱器上的溫度控制閥門可以靈活的調節房間內溫度。不足之處在于房間內溫度升起的速度較慢、舒適性能較差以及需要占用到室內空間。

風機盤管方式，供暖時水溫通常處于45°左右，此方式室內升溫速度快；各個房間的風機盤管可以分別自由控制，可降低能耗；比散熱器要求低，能效高，成本低；夏天可制冷，冬天可供暖。不足之處在于工作時會出現噪音。

綜上所述，考慮到是對煤礦瓦斯泵站場地供暖，選用風機盤管方式。

3 選型與計算

3.1 參數設計

表2 參數值計算

3.2 機組選型與計算

鑫順煤業瓦斯抽放泵站，建筑面積1300m2，共一層，層高約6 m。該建筑熱負荷指標按80 W/m2計算，總熱負荷為1300×2×80=208 kW。

機組臺數應為：208÷17.5÷1.8=6.6臺，空氣源熱水機組供熱效能與電鍋爐相比高2倍以上，考慮該地天氣因素選擇1.8系數；考慮到極端氣候出的幾率及經濟性等綜合因素，設計選擇采用7臺PHNIX空氣源熱泵熱水機組。

熱水機組名稱：分體式空氣源熱泵機組

機組型號：PASHW250S-PS-N/PASRW060-W×4（N=17.5 kW）

機組數量：7臺

機組制熱量：70 kW，功率：17.5 kW

機組制熱效率=400%

3.3 保溫水箱選型

由于每天共用熱水約10 t，為滿足高峰用水量及考慮同時使用量，故選用1個10 t的保溫水箱。

4 設備性能參數表及主要優點

表3 PNNIX空氣源熱泵機組性能參數

表3為PHNIX空氣源熱泵機組性能參數，以下為分體式PHNIX北極星空氣源機組制取熱水優點：

（1）PHNIX北極星空氣源熱泵機組實現了空氣源熱源的高效利用，在室外環境溫度-25℃安全仍能運行，并持續提供熱水，-25℃低環溫工作下工況能效高達4.0。

（2）分體式北極星將室內機與室外機分開擺放，消除了冬季室外管道凍裂、機組內部管道凍裂的隱患。

（3）換熱效率高，使得系統安全出水溫度達到60℃左右，制冷劑回路間隙小，減小了換熱器積油的缺點換熱器內部無接頭，降低了制冷劑泄漏的隱患本身具有自清潔能力，使得機組長期無垢高效運行。

（4）空氣源熱泵熱水機組具有智能化霜功能，確保機組在低氣溫環境下穩定運行，它可根據室外環境溫度、蒸發器翅片溫度和機組運行時間等多個參數綜合、智能判斷自動進入和退出化霜。

（5）自主控溫：根據進出水溫度和脈沖流量計的信號，自動計算出正確的流量，然后聯動控制電動球閥的開度，從而達到自主控制出水水溫的要求。

（6）直熱供水：產水速度快，開機30秒出水溫可達60℃。

（7）無級的水位控制確保產水量符合用水量的需求。

5 對比與分析

5.1 經濟性分析

表4為各種熱源運行費用對比、第一年總投資費用對比、第五年總投資費用對比。

表4 各種熱源運行費用對比（單位/元）

各種熱源第一年投資費用對比（單位/元）

各種熱源第五年投資費用對比（單位/元）

對比與分析：

（1）通過比較，空氣源熱泵機組年運行成本最低，約為燃煤燃氣鍋爐運行費用的9%，約為常壓電熱采暖鍋爐15%。

（2）空氣源熱泵機組的首期投資比燃煤氣低，比常壓電熱采暖鍋爐略高，但是熱泵機組的壽命大約為15年，而鍋爐等其他方式壽命大約為5年，綜合計算可發現，空氣源熱泵的總體費用較低。

5.2 安全、環保及節能方面分析

（1）空氣源熱泵

安全性：水和電是分開的，且不需要助燃原料，因此不易出現火災、漏電及爆炸等事故的發生；

節能性：省電，不需要燃料；

環保性：沒有燃燒排放物，對環境不會造成污染，不會對人體造成危害，而且其舒適度較高，不會蒸發室內空氣中的水分。

（2）煤燃氣鍋爐

安全性：采用煤作為燃料，會出現爐膛或是爐體爆炸的危險；

節能性：燃料所需量大、費用較高；

環保性：燃燒后的污染氣體會排放到大氣中，對環境會造成一定污染。

（3）電熱采暖鍋爐

安全性：會出現漏電現象發生，對人造成危險；

節能性：用電量高，運行成本高；

環保性：環保效果良好。

通過上述從經濟、安全、環保及節能方面的對比分析，可以得出空氣源熱泵采暖方式最優。

6 應用與改進

空氣源熱泵機組的應用既符合環保政策，又符合節能政策，是國家鼓勵的利用新能源的技術，不僅可以解決瓦斯泵站場地取暖問題，更重要的是推廣了新產品、新技術，推動了可再生能源循環利用，為多種方式采暖方面提供寶貴經驗。

1）熱泵機組供熱主要體現在：高效、節能、環保、安全，無可燃可爆氣體，排放物無廢氣、無廢水、無廢渣，不僅可以節省煤炭類資源，而且可以緩解霧霾天氣，在北方地區值得推廣，更加符合節能減排政策要求。

2）空氣源熱泵為人工智能化，操作簡單，而且全天不間斷供暖。

3）如果幾臺空氣熱泵聯合使用，其中一臺出現故障不影響整個系統。

4）多臺機組可并聯安裝，當需要加大供暖時，即可在并聯機組。

5）運行安全，無需值守，可節省人員成本。

6）空氣源熱泵機組室外風機和翅片在冬季產生的冷凝水結冰后，雖不影響其安全運行，但影響環境美觀，對風機支架有所影響，應及時除冰或想辦法將冷凝水收集利用。

7 結語

空氣源熱泵機組是利用了空氣內熱能作為冷熱源，進行能量交換的熱水供應系統?？諝鉄o處不在，它是一種清潔的可再生能源。因此，空氣源熱泵機組是一種可持續發展的“綠色裝置”。在不久的將來，將成為供暖設備主流產品，市場前景非常廣闊，也將會以其特有的優勢成為21世紀供暖市場上一顆耀眼的明星。