大溫差空氣源熱泵在供暖系統中的應用

王沾瑛

（太原市熱力集團有限責任公司第三供熱分公司，山西太原 030000）

0 引言

在供暖工程建設中，空氣源熱泵的應用不僅需要重點關注熱泵機組設備的質量性能情況，確保其能夠實現持續、穩定、安全運行，同時也必須充分考慮到整個空氣源熱泵系統的運行效率、建設成本、能耗、末端匹配性等實際情況，使熱泵系統的實際應用具有充分可行性，而在傳統空氣源熱泵存在諸多不足的情況下，對于大溫差空氣源熱泵的實際應用展開探究，顯然是十分必要的。

1 空氣源熱泵的運行原理

空氣源熱泵通常都是由壓縮機、膨脹閥、蒸發器、冷凝器四部分構成，實際運行時會依靠持續供應的高品位能源（一般為電能）來驅動壓縮機，將處于低溫、低壓狀態的氣態制冷劑壓縮成高溫高壓的氣態制冷劑，并輸送到冷凝器中，以冷凝放熱的處理方式逐漸轉換為液態制冷劑。高溫、高壓的液態制冷劑會繼續輸送到膨脹閥中，經過節流膨脹處理轉換為低溫低壓的液態制冷劑，最后再經過蒸發器的蒸發處理與以及風扇的持續促進空氣流動，使低溫低壓制冷劑經過蒸發吸熱后，再度轉變為低溫低壓氣態制冷劑，進入下一循環中[1]。

2 大溫差空氣源熱泵的應用優勢

2.1 能耗較低

從原理上來看，空氣源熱泵機組雖然能夠通過促使制冷劑持續循環的方式，將熱量從室外低溫熱源持續轉移至室內高溫熱源，避免因另外設置熱源而消耗過多能源，但卻需要保持較小的供回水溫差（通常為5℃），并依靠較大的水流量來保證換熱效率與系統運行安全性，水泵及整個系統的實際能耗仍然會顯得比較高。據中國節能協會公布的供暖季熱泵系統持續監測數據顯示，空氣源熱泵系統中水泵的實際耗電量，通常會占整個供暖系統總耗電量的40%～50%，這顯然不符合當前供暖行業的節能減排發展理念[2]。

而采用大溫差供回水設計的空氣源熱泵，則可以改變傳統空氣源熱泵系統的設計思路，將整個供回水溫差提升至10℃或15℃左右。這樣一來，熱泵機組設備無須再為了保持小溫差、大流量，采用高性能的水泵，而在水泵選型配置明顯減小的情況下，其運行時的能耗自然也會隨之大大降低。例如，在供回水額定設計溫差為15℃的情況下，相較于傳統空氣源熱泵，大溫差空氣源熱泵系統中水泵的能耗通常可降低70%～80%，而HSPF（供暖系統在供暖季的性能系數）數值則會降低60%左右。

2.2 投資成本低

在供暖鍋爐系統改造工程中，由于傳統空氣源熱泵機組具有小溫差、大流量的特點，因此在進行熱力管網、末端的改造施工時，往往都需要使用大規格的管道，末端建設規模也較大，這些都會使工程的前期投資成本大大增加，并給供暖工程中的空氣源熱泵推廣應用帶來巨大困難。而采用大供回水溫差設計的空氣源熱泵，則可以在保留傳統空氣源熱泵系統優勢的前提下，提高系統供回水設計溫差，大大降低管道規格、末端建設規模規格等方面的要求，最終達到協調熱遠端與供暖末端設計要求、降低鍋爐改造工程前期投資成本的目的[3]。

2.3 末端供暖效果穩定

傳統空氣源熱泵對供回水溫差的要求非常嚴格，如果系統設計、施工階段出現了問題，使供回水溫差超出設計要標準，那么末端供暖效果就很容易出現波動，使采暖用戶的室內供暖舒適性受到影響。但在專門對空氣源熱泵進行大供回水溫差設計的情況下，卻無須擔心這一問題，由于熱泵的供回水溫差與干球溫度直接相關，因此在系統運行階段，通常只需小幅度提高熱泵的供水溫度，就可以將熱泵系統的供回水溫度平均值控制在與傳統空氣源熱泵大致相同的狀態，進而達到保證末端輻射散熱量、控制采暖用戶室內溫度波動的目的，使室內供暖舒適性得到保證[4]。

3 大溫差空氣源熱泵在供暖系統中的具體應用

3.1 設計階段

由于大溫差空氣源熱泵與傳統空氣源熱泵的運行原理基本相同，因此二者在應用于供暖系統時，其設計思路也比較相似，都需要把握好機組性能、進風口進風速度、排氣口排氣速度等方面的細節。通常情況下，大溫差空氣源熱泵系統的冬季工況時機組性能系數，應以冷熱風機組不小于1.8、冷熱水機組不小于2.0 為標準，機組的進風口氣流速度與排氣口排風速度的控制要求則分別為1.5～2.0m/s、7m/s 以上。若供暖系統位于冬季室外計算干球溫度低于-10℃的地區，則必須使用專門的低溫空氣源熱泵機組，在室外溫度低于熱泵平衡點溫度的情況下，還要為熱泵系統增設輔助熱源[5]。

另外，在大溫差空氣源熱泵系統的設計階段，還要注意做好溫度測算工作，將冬季空調室外計算干球溫度、夏季空調室外計算濕球溫度、室外計算溫度等確定下來，并根據這些溫度數據來合理選擇熱泵機組，明確空調冷熱負荷指標。例如，某地區的夏季計算干球溫度為33.4℃，計算濕球溫度為26.9℃，冬季計算干球溫度為-11℃，設計大溫差空氣源熱泵系統時，選擇了螺桿式水源熱泵機組，并在冬季水源側接地熱尾水換熱器，具備100t/h 的40℃地熱供暖尾水。同時，在空調計算總熱負荷為3480kW 的情況下，冷熱符合指標分別為98W/m2以及31W/m2。

3.2 安裝階段

大溫差空氣源熱泵與傳統空氣源熱泵在內部結構上大同小異，基本都是由壓縮機、冷凝機、蒸發器、膨脹閥、四通閥、水側換熱器、風機等部件，安裝施工較為簡單，只需在實際安裝時把握好一些細節要點即可。例如，在機組設備運輸、搬運階段，應充分考慮到機組內部比較精密的特點，盡量選擇路況較好的公路，或是直接采用鐵路運輸等其他運輸方式，并保證搬運時機組傾角在75°～105°（搬運方式應為叉車搬運或滾動搬運），以免因運輸、搬運時出現磕碰而使機組設備損壞[6-8]。

在正式安裝階段，需要先將機組設備搬至安裝點附近的安全位置，進行全面的開箱檢查[9]。其中拆箱操作應按照頂板、側板、紙箱、底托盤的順序依次進行，拆開后要注意查看機組設備外部是否存在損壞現象，并清點箱內配件與裝箱清單是否匹配，查看設備所有部件是否出現損壞，以免使后續的設備運行受到影響。另外，為了盡可能延長空氣源熱泵機組的使用壽命，保證設備性能的可靠性，整個安裝過程必須嚴格按照說明書操作，并以整體落地的方式完成安裝，安裝位置應設置在室外或樓頂。

而在連接機組管道時，則要先按照安裝說明將機組固定好，確定機組設備安裝牢固之后，再將符合機組技術參數的水泵、管材搬運至安裝現場，并對其質量性能進行復查，以免出現水泵性能符合要求、管材質量不合格問題，使空氣源熱泵機組無法正常運行。確定水泵、管材無任何問題之后，應開始對管道系統進行全面清潔，將管道內部的各種雜物清除干凈，并按照設計原理圖將內部清潔的管路有序安裝起來，使所有水管都能夠布置合理，且處于橫平豎直的狀態，以免因管路彎曲過多而出現系統阻力損失增加的問題。在自來水給水管、主機和水箱登出的管路連接完畢后，應立即組織專業技術人員進行嚴密性水壓試驗與排污清理，確保整個管路連接到位、無漏水處，且系統內部清潔。

3.3 運維階段

在大溫差空氣源熱泵機組安裝到位、投入運行后，還要注意做好開機前維護與日常運維工作。開機維護是指在每年冬季供暖開機之前，由專業人員向水循環回路中適量添加防凍液，以免機組設備出現循環液上凍的故障現象，如主機周邊存放有雜物，則要將主機1m 范圍內的雜物清理干凈，風扇正面則要留出2m 左右的空地，以免因阻擋物距離過近而將冷風送回主機。

日常運維工作主要是指冬季供暖時對空氣源熱泵系統進行持續維護，由于日常維護的工作內容比較煩瑣，因此必須要在工作制度中將機組維護要點明確下來，對有關維護人員提出嚴格要求。例如，在冬季氣溫低于0℃的情況下，應盡量保證空氣源熱泵電源的持續供電，以免使機組設備、管路被凍壞。在熱泵機組設備供暖時會排放大量化霜水的情況下，需要考慮好化霜水的管道安裝位置及線路，確保化霜水排除后能夠快速清理干凈。如使用了熱水型空氣源熱泵機組，應注意將機組設備地出水溫度控制在45℃以內，并安裝地面輻射、風機盤管散熱末端，以免因出水溫度過高而出現室內溫度不穩定、風機盤管過熱等問題。

另外，在大溫差空氣能熱泵機組投入運行時間較長的情況下，往往都會出現一些運行故障，而為了盡可能降低故障的負面影響，避免機組設備出現二次故障，則需要用戶注意觀察壓縮機運行噪聲、啟停次數、吸氣管結霜情況以及冷凝壓力、吸氣壓力等細節，以便于及時發現故障隱患，并對故障信息做出簡單判斷。在發現故障后，用戶需要及時向專業維修人員匯報，或聯系廠家售后進行報修，而不可由非專業人員擅自進行拆卸、維修。

4 大溫差空氣源熱泵在供暖系統中應用需要注意的問題

4.1 融霜控制

在將大溫差空氣源熱泵實際于供暖系統建設時，由于熱泵運行時會從室外熱源（以空氣為主）中吸收熱量，而需供暖區域的冬季室外空氣溫度又比較低，因此在空氣換熱階段（室外熱源向室內熱源轉移熱量），空氣溫度與換熱器表面溫度都會不斷下降，一旦換熱器表面溫度下降至露點溫度，就很容易出現表面析濕現象，如換熱器表面溫度降低至0℃以下，其表面則會結霜，進而直接影響整個機組設備的正常運行。面對這一問題，用戶不僅需要通過安裝四通換向閥等方式進行除霜處理，同時還需要充分考慮到換熱器表面長時間結霜對熱泵機組設備能耗以及運行穩定性、安全性的影響，根據供熱系統實際情況來采取合適的融霜方法，做好融霜控制工作，確保熱泵機組的融霜總用時在運行周期的20%以下。例如，在冬季溫度較高的中部地區，換熱器結霜程度不高，可采用除霜速度快的電熱除霜方法，基本無須考慮除霜的能耗、成本問題；而在冬季溫度較低的東北、西北等地區，則可以在綜合考慮除霜速度、能耗等多方面因素的情況下，采用成本較低、除霜速度比較理想的換向除霜方法。

4.2 設備基礎高度設計

在供暖系統大溫差空氣源熱泵的實際應用中，由于熱泵機組設備運行時容易受到外界環境影響，出現周邊積水大量結冰、冷風受地面雜物阻擋等情況，因此設備安裝階段必須要合理設置設備基礎高度，確保基礎高度能夠在30cm 以上，以便于有效避開地面上可能會堆積的各種雜物。若機組設備安裝區域存在積雪風險，則需要根據安裝位置的實際情況來對積雪高度進行合理預測，并據此設計出相應的基礎高度，以免因設備安裝區域大量積雪而影響通風條件與制熱效果。若冬季降雪量過大，還要在降雪時注意檢查設備安裝區域積雪情況，并將可能影響到熱泵機組運行的積雪及時清除干凈。

5 結語

總而言之，隨著暖通空調行業的不斷發展，未來大溫差空氣源熱泵必然會在供暖系統中得到更多的應用，而要想保證其應用效果，在有關供暖工程建設中將大溫差空氣源熱泵系統的優勢充分發揮出來，則需要熟悉了解傳統空氣源熱泵與大溫差空氣源熱泵間的區別，從設計、安裝施工、運維等方面入手，準確把握這一熱泵設備的實踐應用要點，同時對融霜控制、設備基礎高度設計等應用問題加以注意。