空氣源熱泵成為可靠供暖熱源技術的探討★

韓衛珍 劉 勇 任文晉

(1.山西路晟交通建筑設計有限公司，山西 太原 030006； 2.山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030006)

1 山西省北部供暖現狀及存在問題

現在高速公路沿線各站區燃煤鍋爐作為供暖熱源已無法滿足環境保護的要求，供暖熱源改造正是這一時代背景下的必然要求。清潔能源作為供暖熱源形式有多種多樣，據調查，目前高速公路各服務區、收費站及養護區清潔能源改造的形式主要有燃煤鍋爐改為燃氣鍋爐或者改為用電兩種方式。

我省北部地區的高速公路各服務區遠離城市配套輸氣管線，盡管存在個別項目距離輸氣管線較近，但是，城市配套建設中未考慮此部分建筑供暖的用氣。所以煤改氣這種方案只能在一些氣源充足或離市區較近的地區采用，不能大范圍應用。

然而，煤改電這種方案不受地理位置所限，具有大范圍推廣應用的價值，現階段煤改電的形式主要有空氣源熱泵和電鍋爐兩種。空氣源熱泵作為供暖熱源比電鍋爐更節能，所以空氣源熱泵將是站區燃煤鍋爐改造的首選方案。

2 空氣源熱泵應用現狀

2.1 空氣源熱泵技術在嚴寒及寒冷地區使用時存在的技術缺點

1)空氣源熱泵制熱性能與建筑物供暖負荷不一致，當室外溫度較高時，熱泵機組制熱性能高，而此時建筑供暖負荷所需小，相反，室外溫度低時，熱泵機組制熱性能差，而此時房間熱負荷所需較大。所以，常常出現白天設備存在間歇運行，而夜間不能滿足供暖需求。

2)在冬季由于氣溫降低，空氣源熱泵機組的運行都存在結霜和除霜問題，一方面，當所處環境溫度偏低時，機組的蒸發器溫度則需進一步降低，所以會結霜。而且霜層厚度也會進一步惡化機組制熱性能，直至機組停止制熱。另一方面，為了能使機組正常制熱工作，可以通過四通閥切換進行除霜，但是，這也帶來了除霜時不能實現連續供熱的弊端。

為了實現“綠水青山就是金山銀山”，使燃煤鍋爐改造既能滿足使用功能要求，又可以減少污染，空氣源熱泵技術應用于供暖熱源時必須進行必要的技術革新。

2.2 空氣源熱泵在我省應用現狀

空氣源熱泵機組作為冬季供暖熱源在全省各地都有所應用，總體而言，在太原以南地區應用效果較好，不僅室內溫度有保障，而且空氣源熱泵的制熱效率也能達到2.0以上甚至更高，除霜工況下對室內舒適度的影響也不大。但在太原以北地區，由于冬季氣溫偏低，尤其是高速公路沿線各站區一般遠離市縣，周邊地勢空曠，建筑相對獨立，實際氣溫比周邊縣市低3 ℃～5 ℃，空氣源熱泵機組在這些地區不僅制熱效率低下，而且結霜現象嚴重，在供暖期里無法實現可靠供暖。而近幾年來，我省極端氣候情況頻頻出現，空氣源熱泵機組作為冬季單一熱源不能滿足供暖需求。此外，目前服務區熱源改造工程中，大多數項目建筑中原供暖系統采用散熱器供暖末端形式，散熱器供暖系統所需熱媒溫度又比地板低溫熱水供暖系統要求高，在這種供暖末端的形式下，熱泵機組作為熱源會進一步減小制熱系數，從而降低其節能效果。鑒于此，山西省高速公路的服務區熱源整改項目中，假設選用空氣源熱泵機組，需要改進熱源設施配置，首先保證冬季供暖可靠性，其次初投資也不能太高，最后還要實現系統運行經濟性。填補我省寒冷及嚴寒地區冬季供暖熱源在只能使用電能作為動力的情況下，采用空氣源熱泵機組的技術空白。

雖然空氣源熱泵技術日新月異，一些生產廠家也研制出了超低溫空氣源熱泵，但據調查，在我省北部地區實際上還是無法正常提供滿足要求的供暖熱水。

3 空氣源熱泵供暖系統的改進措施

3.1 空氣源熱泵直接供暖的系統形式

如果不僅僅在產品上做研究，在熱泵系統上做一些改進，也有可能改善現狀。傳統系統設備簡單，控制方便，初投資低，在我省太原以南地區可以滿足需求，如圖1所示，但如果用在太原以北的地區尤其是大同地區在進入深冬季節由于室外氣溫極低，往往無法實現可靠供熱。

3.2 空氣源熱泵+蓄熱水箱的系統形式

在嚴寒地區，如采用空氣源熱泵加蓄熱水箱的系統方式，熱泵機組在選型時適當地增量配置，在白天氣溫高的時候，空氣源熱泵機組既能提供建筑物所需的熱量同時又能向蓄熱水箱儲存一些熱量，這樣在夜間室外溫度低時，尤其是低于-12 ℃時，可關閉空氣源熱泵利用蓄熱水箱的水提供建筑物夜間所需熱量，系統流程如圖2所示。

3.3 空氣源熱泵+電鍋爐+蓄熱水箱的供暖形式

現在，很多地區提倡利用谷價電，移峰易谷，在一些執行峰谷電價的地區，空氣源熱泵可配合電鍋爐及蓄熱水箱的系統形式。白天，室外氣溫高時，可利用空氣源熱泵提供建筑物白天所需的熱量，夜間，啟動電鍋爐，利用谷價電給建筑物提供夜間所需熱量的同時向蓄熱水箱蓄熱，彌補空氣源熱泵供熱不足的部分，系統流程圖如圖3所示。

3.4 空氣源熱泵+水源熱泵機組的系統形式

在沒有峰谷電價政策的地方，空氣源熱泵也可配合相變儲能罐及二級水源熱泵機組共同提供供暖熱水，低溫空氣源熱泵提供20 ℃～25 ℃的低溫熱源，恒溫存儲和調節于相變儲能罐中，且將其作為二級水源熱泵機組冷凝水再次提溫至40 ℃～60 ℃，作為建筑供暖熱源，顯然此做法下，低溫空氣源熱泵和高溫水源熱泵均處于高性能區，大大降低運行費用。

系統流程圖如圖4所示。

3.5 其他

此外空氣源熱泵機組的放置位置也很有講究，如條件允許最好放置于陽光充足的屋面上，當不能放于屋頂時，應放在日照時間比較長的地點，這樣才能最大限度的提高制熱效率。

目前，山西省高速公路通車里程已達到5 000余千米，按照規劃，“十三五”末將達到7 200 km，屆時配套服務站區的建筑面積將達到96萬m2。以現有站區的燃煤消耗情況計算，2020年以后山西省高速公路站區燃煤消耗將達到10.5萬t/年，向大氣排放鍋爐煙塵1 820 t/年，排放二氧化硫720 t/年，排放爐渣10 700 t/年，嚴重污染周邊環境。

以上幾種形式雖然都可運用，但空氣源熱泵+水源熱泵機組的系統形式因增設了相變儲能罐及水源熱泵機組而使其初投資遠遠高于空氣源熱泵直供形式，所以不易被建設方接受。在北方嚴寒地區增設蓄熱水箱的形式是一種比較可靠的系統形式。在執行峰谷電價的地區加設電鍋爐則更可靠。

4 結語

全省各站區采用燃煤鍋爐供暖的時代即將結束，以空氣源熱泵+蓄熱水箱或空氣源熱泵+蓄熱水箱+電鍋爐的方式對服務站區冬季供暖既可以彌補空氣源熱泵單獨運行的缺陷，又可以實現各站區“無污染、零排放”的建設目標，還可以克服燃氣鍋爐的氣源無法保證、電鍋爐能源消耗量太大、燃油鍋爐運行費用太高等問題，有效提升供暖設備效率，降低運行費用，實現經濟效益與環保效益雙贏。為我省乃至全國北部供暖地區各站區供暖需求的解決提供了一種很好的方案，具有很好的經濟和社會效益，不僅可以解決燃煤鍋爐供暖存在的大氣污染問題，還可以推廣應用，前景廣闊。