淺析超低溫空氣源熱泵在公路房建中的應用

王 霞

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅蘭州 730000）

為滿足人們日益出行新需求，提升甘肅省高速公路服務區的保障能力和服務水平，高速公路沿線的房建工程室內舒適度要求也越來越高，但高速公路沿線的房建工程通常都地處偏遠，周圍既無市政熱源，又無天然氣，燃煤鍋爐房也因環境污染嚴重被大量取締，采暖熱源的選擇是高速公路房建工程的重大難題。隨著國家“煤改電”政策的大力推廣，電鍋爐由于熱效率高，供暖效果好，穩定性強等特點在高速公路沿線的房建工程的冬季供暖中應用相對較多，但電加熱鍋爐耗電量高、運行成本高?？諝庠礋岜檬翘娲鷤鹘y供暖模式最有競爭力的一種電力驅動采暖技術，具有節能、環保意義，不受地理位置、天然氣源等問題的限制，但一般的空氣源熱泵通常在室外空氣溫度低于-5 ℃時就無法正常運行，需要增加輔助電加熱作為熱源，才能保證冬季供暖的連續性和穩定性。近幾年超低溫空氣源熱泵的產生解決了這一問題，能夠在室外空氣干球溫度為-25 ℃下依然穩定運行，并不斷產生35 ℃以上的熱水，有效地解決了公路沿線房建設施的供暖問題。

1 超低溫空氣源熱泵性能

空氣能（源）熱泵由電動機驅動，利用蒸汽壓縮制冷循環工作原理，以環境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風或者冷（熱）水的設備，主要零部件包括蒸發器、冷凝器、膨脹閥、壓縮機等?？諝饽埽ㄔ矗岜美每諝庵械臒崃孔鳛榈蜏責嵩矗涍^傳統空調器中的冷凝器或蒸發器進行熱交換，然后通過循環系統，提取或釋放熱能，利用機組循環系統將能量轉移到建筑物內，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調等的需求。

具體工作原理如圖1所示。

圖1 普通熱泵系統原理圖

普通的空氣源熱泵系統在制熱過程中，室外空氣溫度低于-5 ℃時，機組的蒸發器會出現結霜問題，隨著溫度持續下降，導致結霜愈發嚴重，系統的制熱量大幅衰減，能效比迅速下降，無法制熱。超低溫空氣源熱泵是針對這一問題進行技術改進后的又一代新產品，如圖2所示。

圖2 帶噴氣增焓的超低溫熱泵系統原理圖

相比普通空氣源熱泵，超低溫空氣源熱泵機組增加了中間冷卻器，并采用了雙級壓縮的制冷循環。該循環將來自蒸發器的制冷劑蒸汽，以串聯的兩臺壓縮機或同一組壓縮機的兩組氣缸做“接力”式的壓縮，每一級的壓縮比、排氣溫度等都能符合壓縮機的使用條件，又可獲得較低的蒸發溫度，有效緩解蒸發器結霜問題，制冷系數也比相同制冷能力的單機制冷循環大，更節能、更經濟。

本工程案例中所選用機組為單機雙級螺桿壓縮機，最低可在-35 ℃的環境溫度下穩定運行，環境溫度-12 ℃時，出水溫度55 ℃超過國標能效限定值27%，低環境溫度制熱時無須增加電輔助加熱，出水溫度范圍在35～70 ℃。機組的制熱性能系數依然能保持在2以上。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

本工程為甘肅某繞城高速公路位于嘉峪關某鎮的匝道收費站管理所、隧道管理站的宿舍樓和辦公樓，建筑面積總計3 621 m2，共2層，冬季供熱負荷為308 kW，工程選址位于嘉峪關市某村，供暖室外計算溫度-14.5 ℃，冬季通風室外計算溫度-9 ℃，冬季空氣調節室外計算溫度為-18.5 ℃。

2.2 熱源及采暖方案的確定

工程建設地位于偏遠鄉村地區，按氣候分區屬于嚴寒區，就近區域內無集中供熱，無天然氣，只有冬季熱負荷，無夏季冷負荷，不能采用地源熱泵，該區域內也無可采用的廢熱和工業余熱，太陽能等可再生能源易受到氣候條件的影響，無法保證冬季采暖穩定可靠運行，考慮建筑規模較小，且燃煤鍋爐會造成嚴重的大氣污染，且相關政策不鼓勵再建小型燃煤鍋爐，選用了螺桿式超低溫空氣源熱泵機組。單臺額定制熱量130 kW，選用三臺超低溫空氣源熱泵機組，機組的制熱系數為2.38（該機組的名義制熱基準為環境干球溫度-12 ℃，環境濕球溫度為-14 ℃，熱水出水溫度為41 ℃）。根據《輻射供暖供冷技術規程》（JGJ 142—2012），熱水地面輻射供暖系統的供回水溫度不應大于60 ℃，民用建筑供水溫度宜采用35～45 ℃。

本項目的冬季采暖方案確定為以超低溫空氣源熱泵為熱源，末端采用低溫熱水地板輻射供暖系統的采暖形式。

2.3 能耗分析

對該項目進行熱負荷模擬計算，計算得出單位面積熱負荷指標為85 W/m2，由于該廠區設計了集中供熱的設備用房，各建筑單體由敷設在地溝內的室外熱網集中供暖，因此對熱源產熱量計算時考慮了管網熱損失，如表1所示。

表1 黃草營匝道收費站管理所、隧道管理站供熱負荷統計

經查閱規范數據及相鄰地區供暖季對比分析，該地區冬季供暖天數按156 d計，每天均24 h供暖，超低溫空氣源熱泵的制熱性能系數按2.38計，供暖季的總耗能量：

冬季供暖耗功率：354/2.38=148.8 kW；

年耗電量：148.8×24×156×3 600=2×109kJ；

年標準煤消耗量：2×109/7 000/4.181 6=68 326.5 kg。

與采用電鍋爐采暖相比，供暖季的總耗能量為：

冬季采暖耗電量：354×24×156×3 600=4.8×109kJ；

年標準煤消耗量：4.8×109/7 000/4.181 6=163 005.1 kg。

相較于電采暖，超低溫空氣源熱泵的節電量為58.3%，年標準煤消耗節約量94 678.6 kg。

建筑物周邊熱源無法解決、電力充足的情況下，采用超低溫空氣源熱泵不但能在低溫環境下持續穩定運行，保證24 h供給熱水，且相比電加熱鍋爐，節電量可觀，運行成本低，對于環境排放也有益。另外，機組可以布置在室外空地，節省機房面積，有效利用了室外空地，降低建設成本，在適合的地區及工程中可以大力推廣。

3 結語

通過本工程案例計算說明，超低溫空氣源熱泵應用于高速公路沿線房建設施，技術和經濟層面上對于嚴寒和寒冷地區高速公路沿線房建工程的冬季供暖工程都適用。環保節能高效率的超低溫空氣源熱泵系統應在此類工程中大力推廣。由于超低溫空氣源熱泵可靠運行較大程度上依賴于當地的氣候條件，包括室外空氣溫濕度、海拔高度等，都會對熱泵機組的制熱量產生較大影響。因此，在設備的購買和實際安裝過程中，專業、負責的設備廠家也應在一定程度上為設備的穩定可靠運行提供保障。超低溫空氣源熱泵技術還應不斷改進和革新，為技術持續穩定推進、應用于更多實際工程奠定基礎。