空氣源熱泵雙循環系統煤改電中的設計

撖 文 輝

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

國務院辦公廳關于促進建材工業穩增長調結構增效益的指導意見，其中要求加大對無組織排放治理力度，支持企業向特色園區集聚，鼓勵園區加快燃料升級，有條件的企業實施“煤改氣”“煤改電”，集中使用清潔能源。

呂梁某煤礦采用空氣源熱泵取代燃煤鍋爐，由于礦區的單體建筑較為分散，因此不設置集中的熱源，每個單體附近安裝空氣源熱泵為其提供熱水。以職工宿舍為工程實例分析，宿舍層數6層，采用上供下回雙管散熱器供暖系統。原有散熱器要求溫度較高，規范要求供回水溫度為75 ℃/50 ℃，空氣源熱泵在標況下出水溫度為50 ℃。煤礦位于山區，海拔較高，冬季風速較大，室外采暖溫度較低，因此熱泵的衰減較大，出水溫度低于標況出水溫度，隨室外溫度波動較大，散熱器散熱量受此影響較大，為保證室內溫度，熱源端采用怎樣的形式，才能保證出水溫度受室外溫度影響較小，保持較小的波動，同時在符合節能政策的要求下，保證室內溫度的要求。

1 工程實例

1.1 工程概述

職工宿舍為6層磚混結構，有外保溫，雙層玻璃外窗；長度100 m，寬9 m，建筑面積5 400 m2，供暖面積約5 000 m2，室內采用上供下回式雙管供暖系統，鑄鐵散熱器供暖。

1.2 供暖改造方案

本工程室外氣候資料見表1。

表1 室外氣候資料

取消原有供熱鍋爐，室內供熱管道、末端散熱器保持不變，管網不變，熱源采用空氣源熱泵。為不影響宿舍員工休息，熱泵機組設在建筑單體通風效果較好，且冬季太陽輻射時間較長的位置，這樣熱泵機組的能效比在同等工況下達到最大值。

熱泵機組與蓄熱水箱為一次循環，設一次循環泵，變頻系統；二次循環泵承擔系統的阻力及建筑定壓，系統減少了定壓系統。熱泵機組；蓄熱水箱與用戶端為二次循環。蓄熱水箱采用開式水箱，為保證在極端天氣情況下，出水溫度過低，影響散熱器供暖效果，同時為防止室外溫度低于熱泵啟動溫度造成主機停止運行，水箱內設電加熱棒，當水箱內溫度低于40 ℃情況下，開啟電加熱系統。水箱內設浮球閥，當液位低于限值時，軟水系統自動補水。蓄熱水箱回水主管設泄壓閥，防止非滿管回水，造成空氣進入系統(如圖1所示)。

1.3 設備選型

1)考慮主機冬季室外溫度低于標況溫度及間斷容霜，導致主機制熱衰減，按照熱泵低溫供熱能力選擇主機，選擇4臺100 kW熱泵機組。

2)一次循環泵需滿足滿負荷運轉時的最大流量，阻力按照室外網管長度及走向計算。

G=Q1/cΔt1。

Δt1——機組進出水溫差。

3)二次循環泵的流量根據室內熱負荷計算，阻力不但要求考慮室內管網阻力，同時要考慮建筑高差。

G=Q2/cΔt2。

式中：Q2——建筑物熱負荷;

Δt2——散熱器進出水溫差，按15 ℃～20 ℃考慮。

其中，H為建筑物高度，采用此種開式系統，主要是用水量較大，水箱較大，同時采用換熱式水箱會造成熱效率降低。

4)蓄熱水箱的計算。

蓄熱水箱起著緩沖，電加熱能源補充，蓄熱，自動排氣，清潔作用，還有在熱泵除霜時，可不從室內制取熱量，從水箱中提取熱量即可，減少除霜對室內環境溫度的影響。最重要的作用是當供暖周期的始末，中午室外溫度較高時，同時室內熱負荷由于太陽輻射，負荷降低，這時蓄熱水箱可以儲存一部分熱量，當夜晚溫度較低時，此部分熱量可以作為補充。只有當蓄熱水箱的溫度高于設定值時，可以停止部分熱泵機組工作，大部分時間，熱泵都是處于運行狀態，熱泵不會頻繁的啟停，而造成能源的浪費。

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關于蓄熱水箱的容量計算，規范上沒有明確的計算公式，根據多方面查得資料，可參考以下計算公式：

式中：L——水流量；

Q——機組制熱量;

α——水流速。

2 機組運行及室內熱環境

根據運行軟件監控，整個根據運行期內熱泵機組的進出水溫度、運行時間、電加熱等參數，可計算出整體熱泵機組的能效比。

2.1 不同時段蓄熱水箱溫度

從監控記錄可查，冬季供暖期內水箱的溫度記錄如下，白天的水箱可以蓄一部分熱量，在下午14：00左右達到高峰值，晚上室外溫度較低的情況下，從22:00可以看出溫度有較大下降，這時白天的蓄熱量也耗到極限，晚上水箱供水溫度雖低，這時戶內住戶基本處于睡眠狀態，室內溫度要求也較低，滿足室內溫度要求(見圖2)。

2.2 系統的出水溫度

系統采用蓄熱機組，通過整個采暖期的記錄結果，能顯著提高空氣源熱泵的出水溫度，單空氣源熱泵機組，冬季出水平穩溫度50 ℃，采用蓄熱水箱后，系統的出水溫度可以提高3 ℃～5 ℃，明顯提高整體系統的供熱效果。

2.3 室內熱環境

采用水泵直供，無定壓系統，從運行過程來看，運行平穩，系統沒有出現很多的空氣進入。采用蓄熱水箱后，晚上供暖溫度沒有很大幅度的波動，整體室內參數如圖3所示。

3 結語

1)采用蓄熱水箱后，對于機組的出水溫度有很大提升作用，同時還能減少室外溫度波動對室內的影響。

2)對于多層建筑，機組采用直供形式，循環泵滿足循環及定壓要求，系統運行平穩，并未產生喘振，氣體進入系統等影響。

3)電輔熱系統在夜間補充熱量占到熱負荷的30%～40%，考慮當地低谷電價為白天電價的1/2，此部分熱量的能耗比與空氣源熱泵相差不大，極大的提高了室內空氣溫度的穩定性。

4)系統無定壓系統，簡潔方便，減少初投資。