別墅的冷暖系統和空氣源熱泵系統安裝研究

王 強 中鐵十七局集團第二工程有限公司工程師

我國能源儲備量較大，但由于我國龐大的人口數量，人均占有量較低，所以開發新型環保能源及可再生能源具有重大意義。冷暖輻射地板系統具備節能降耗、舒適性強等特點，而空氣源熱泵系統能夠解決寒冷天氣、陰天等環境條件下的熱量供給不足問題，構建冷暖系統和空氣源熱泵系統，能夠實現二者的優勢互補。

1 系統介紹

1.1 冷暖系統

冷暖輻射地板系統利用高溫冷水作為冷媒、低溫熱水作為熱媒，借助地面樓板上的碎石混凝土進行地板溫度控制，從而形成可制熱或制冷的高效節能系統。主要分為室外地能收集系統(也就是俗稱的埋地換熱器)、熱泵結構系統和熱能使用終端系統。冷暖系統的優點在于其兼顧了輻射供冷暖的特點，進行獨特的氣候控制，不會出現污濁空氣對流，增加居住的舒適感。地表淺層地熱資源的溫度常年較為穩定,且冬季比地上的溫度高,夏季比地上的溫度低,能夠有效調節環境溫度，且采暖室內溫度場分布情況較為均勻，是一種天然的熱泵熱源和空調冷源。由于冷暖系統是將輻射作為供冷暖的主要方式，實際溫度會出現冬高夏低的情況，在建筑采暖設計環節可進行3 ～4 ℃的適當優化調整，這也能夠帶來25%左右的節能效益。在冷暖系統實際作業時，要考慮到土壤與水資源使用的成本差異，事先調查好當地地質結構，防止超出地下水抽取負荷,不僅無法完成尾水回灌，更會對生態環境造成破壞[1]。

1.2 空氣源熱泵系統

空氣源熱泵系統是一種將空氣作為熱泵低位熱源，進而構建建筑熱循環的熱泵系統，如圖1所示，其優勢在于空氣資源“取之不盡”，且不會產生經濟支出。空氣源熱泵系統雖然會消耗一定的高位能，但所供應的冷熱量是消耗高位能與吸取低位能熱量的總和。相較于傳統太陽能直接供熱系統，空氣源熱泵系統的優勢在于其集熱器結構較為簡單，建造成本較低，具備良好的經濟效益。不過空氣源熱泵系統受環境的影響較為明顯，尤其在氣溫及熱流密度較低的地區,空氣供能明顯不足，無法滿足人們日常供暖或生產生活的熱水需求[2]。

圖1 空氣源熱泵系統工作原理示意圖

將空氣源熱泵系統中的冷熱源合一，不需要設置單獨的冷凍機房，也不需要燃燒供應系統，不會對周圍生態環境造成影響。將收集到的空氣，以熱能的形式儲存在蓄熱器中進行蓄能，并傳遞到保溫水箱中，以達到蓄熱的目的。在能源使用環節，若此階段的能源溫度不能使水溫維持在穩定狀態，可以適當配合輔助供熱系統，發揮其向蓄能水池供熱的功能。需要注意的是，空氣的溫度受季節、地域環境的影響較為明顯，單位熱容量較小，尤其在北方冬季，容易導致系統故障。當空氣源熱泵供能到達恒定值時，保溫水箱中的水溫與系統出水水溫之間的溫差較低，熱泵系統的溫度調節效果較差，此時要停止機組運行并進行除霜處理。

2 別墅的冷暖系統和空氣源熱泵系統安裝可行性分析

2.1 冷暖系統可行性分析

不同季節環境條件下，冷暖系統的進水溫度要求也不同，冬季低溫環境下進水溫度要控制在50 ～70 ℃；而夏季高溫環境下進水溫度則應控制在15 ～25 ℃。系統自身存在著極高的熱惰性，實際作業環節可以采用間歇運行的方式，即在冬季高溫或夏季低溫時段運行，保障用戶使用需求的同時，降低系統耗能。就熱泵自身角度而言，其制熱性能系數大于1，提供的熱量會永遠大于消耗的功，其熱泵循環公式為逆卡諾循環：

式（1）中，εh為熱泵制熱性能系數，Th為高溫熱源溫度，Ta為低溫熱源溫度。

根據公式可知，熱泵熱源溫度與系統供熱溫度之間的溫差直接影響著系統制熱性能，其制冷系數也會受到供水溫度的影響。通過提高熱泵運行效率，能夠有效降低冷暖系統的運行成本，實現節能的供熱目標。

2.2 空氣源熱泵系統可行性分析

環境溫度是影響空氣源熱泵系統工作效率的主要因素，所以其多適用于我國長江及黃河流域，在部分低溫條件下，其供熱性能會受到較大影響。因此，進行空氣源熱泵系統的可行性分析，就需要強調在低溫條件下的工作性能升級措施。

其一，節流裝置設計。空氣源熱泵冷水機組多采用熱力膨脹閥作為節流裝置，其受環境溫度影響較為明顯，在零下5 ℃的環境下，膨脹閥同熱泵系統之間的匹配性降低，整個系統的供熱效果會減少60%以上；在零下15 ℃的環境下，整個空氣源熱泵系統已基本失去供熱效果。對此，可以選擇反應靈敏度好、控制精準度高的電子膨脹閥，它能夠有效保障系統運行的穩定。同時契合壓縮機與室外換風機，應用變頻技術，提高電子膨脹閥在空氣源熱泵系統中的應用效果。

其二，壓縮機裝置設計。合理使用壓縮機能夠有效提高低溫狀態下空氣源熱泵系統的運行效果，在室外條件符合工況標準時，可選擇1 級的壓縮運行模式：當內部環境溫度過高，由2 臺壓縮機進行并聯運行制冷；當內部環境溫度過低，由2 臺壓縮機進行串聯雙級壓縮運行供熱。實際施工環節中，應選擇保溫性能較好的材料，能夠有效降低壓縮機的熱輻射，增強低溫環境下空氣源熱泵系統的供熱能力，緩解潤滑油粘稠、蒸發壓力小等不利因素的影響效果。

其三，室外機結霜問題設計。空氣源熱泵系統運行過程中，室外機吸熱量不足是造成供熱性能下降的主要原因，因此完善室外機結霜問題設計，對于提高系統工作強度有著重要意義。可以為室外機設置不同的轉速檔，在正常環境狀態下使用低速運行檔，在低溫環境條件下使用高速運行檔，結合親水處理技術，降低凝結水及風阻力的影響，進而提高室外機的空氣流量，增強系統供熱效果。針對室外機結霜問題，可以在將融霜電磁閥串聯到系統高、低壓之間，在融霜環境下打開系統電磁閥，輸送25%左右的流量到低壓側進行壓制，并建立起能夠推動高溫氣體流動的系統高壓，快速去霜后持續完成熱循環，保證空氣源熱泵系統的供熱水平[3]。

2.3 冷暖系統和空氣源熱泵聯合運行系統

以某別墅施工建設項目的供冷暖系統為例，該項建筑項目位于陜西省寶雞市太白縣太白大道與湯峪二路交叉口東南角，建筑總面積約為33153.62 m2，一共有26棟商業綜合樓，據調查顯示，當地夏季最高溫度為27 ℃，冬季最低溫度為零下10℃。項目結合冷暖系統和空氣源熱泵聯合運行系統，在夏天進行制冷時，空調回水經過換熱器把溫度傳給加熱水箱，加熱生活用水的同時，也降低空調回水溫度。而在冬天，空氣源熱泵系統提供熱量供給，當空調回到正常水溫時，系統恢復冷暖系統。冬季空氣源熱泵提供的熱水溫度剛好滿足地板輻射冷暖系統的進水溫度要求，而夏季則適當提高進水溫度，為聯合系統運行提供條件。其工作原理為：室外溫度較高時，不同的冷暖系統進水溫度與機組COP 值成正相關，并隨著冷凝器溫度降低，機組COP 值增大，達到制冷效果。室外溫度較低時，若不用空氣源熱泵作為輔助熱源的條件下，冷暖系統由于長時間的運行，使得機組蒸發器側的溫度維持在1 ℃左右，此時機組COP 值較低，借助空氣源熱泵系統構建聯合循環系統，能夠保證系統供熱溫度在21 ℃以上，機組COP 值在4.1 以上，實現持續發熱效果。

需要注意的是，由于當地空氣濕度較大，在夏季采用冷暖系統和空氣源熱泵聯合系統進行別墅地板供冷作業時，可能因為供水溫度過低出現結露現象。在實際安裝環節，要結合施工環境的氣候條件，調整系統工作效率，必要時可增設除濕裝置或增強新風系統工作效率來增強供冷量，改善室內空氣質量。

3 結論

在建筑項目施工設計環節，冷暖系統及空氣源熱泵系統的優缺點較為明顯，構建冷暖系統和空氣源熱泵聯合系統，能夠發揮二者的優勢。將其應用于別墅工程中，能夠有效增強室內供冷暖性能，滿足別墅用戶對其功能性、節能性、舒適性等方面的要求。