空氣源熱泵系統在寒冷地區供暖的應用

摘要：寒冷地區某自來水廠項目，供暖分為4個區域，每個區域獨立供暖。1～3區供暖設備采用 CO2復疊空氣源熱泵，4區采用傳統空氣源熱泵。文章從方案選擇、運行數據的分析得出結論：經過2個供暖期的實際運行表明， CO2復疊空氣源熱泵供暖系統，供水溫度65℃ ， 適合在寒冷地區，末端采用散熱器的供暖系統；傳統空氣源熱泵供暖系統，供水溫度45℃ ， 適合在寒冷地區，末端采用地板輻射的供暖系統。以上兩種空氣源熱泵供暖系統，運行效果可靠穩定，既減少了冬季供暖的運行費用，又能夠減少碳排放。

關鍵詞：“雙碳”；清潔能源；工業建筑；CO2復疊式空氣源熱泵供暖

中圖分類號：TU832文獻標志碼：A

0引言

中國北方城鎮供暖熱源主要來自熱電聯產和各類燃煤、燃氣鍋爐生產的熱力，供暖消耗的一次能源依然以不可再生能源為主。雖然目前實現了燃煤的清潔高效利用，但不可避免會產生大量二氧化碳，“雙碳”形勢依然嚴峻，尋求城鎮供熱系統節能減排十分迫切，供暖亟須低碳轉型。空氣源熱泵是利用空氣作為低位熱源，環境溫度對機組的制熱性能起著至關重要的作用。當環境溫度降低時，壓比增大，空氣源熱泵的制熱量和能效比隨之降低[1]；當空氣源熱泵壓比增大后其壓縮機回油不暢導致壓縮機缺油運行，使得壓縮機壽命銳減。同時室外換熱器結霜時，進一步降低換熱系數，增大阻力降低空氣流速。空氣源熱泵在低環境溫度下的運行性能一直是其在寒冷地區應用的制約因素。而CO2復疊熱泵系統憑借其優異的冷媒特性和穩定可靠的運行以及節能高效的特點，為這些建筑的綠色節能供暖找到了一種合適的方案。

1項目概況

寒冷地區某自來水廠最高日供水規模為70萬m3/d，將滿足市區180萬居民的飲水需求，冬季水廠供暖與安全生產息息相關。水廠建筑面積55175.63 m2，全廠供暖共分為4個區。

其中1區（水處理設施間、配水井及預臭氧接觸池）供暖熱負荷為1809 kW，熱源由廠區新建熱泵機房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設計壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網，最不利管長423 m，管徑DN50～ DN200；

2區（送水泵房及變配電室、機修間及倉庫）供暖熱負荷為140 kW，熱源由廠區新建熱泵機房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設計壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網，最不利管長163 m，管徑DN32～ DN70；

3區（泥水處理間及變配電室、污泥濃縮池及投配泵房、加氯加藥間、臭氧發生間、調流閥間）供暖熱負荷為649 kW，熱源由廠區新建熱泵機房提供的65/45℃熱水，末端采用散熱器供暖，設計壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網，最不利管長645 m，管徑DN32～ DN150；

4區（綜合辦公樓、宿舍樓及食堂、門衛、水質監測樓）供暖熱負荷為426 kW，熱源由廠區新建熱泵機房提供的45/35℃熱水，末端采用地熱盤管的輻射供暖，設計壓力為0.6 MPa，采用枝狀管網，最不利管645 m，管徑DN25～ DN150。

2設計方案

針對自來水廠地理位置偏僻、點多面廣、遠離城市熱力管網及燃氣管網的特點，目前可利用的清潔供暖形式主要有：電鍋爐、水地源熱泵、空氣源熱泵等。

2.1電鍋爐系統

電鍋爐是一種利用電能作為能源的設備，通過加熱熱水或有機熱載體來實現向外輸出熱能。這種設備一般由加熱器、水循環系統、控制系統等組成。相比于傳統的鍋爐，電鍋爐的優點在于操作方便、智能控制、節能環保、安全可靠，但受發電效率的影響，電鍋爐的一次能源利用率過低，耗電量大。另外，電鍋爐直接用電能轉換為熱能屬于高能低用，不符合我國合理利用能源、提高能源利用率、節約能源的基本國策。考慮到國內各地區的具體情況，只有在某些特殊情況時方可采用。

2.2水地源熱泵系統

水地源熱泵系統屬于國家大力提倡的可再生能源的應用范圍，有條件時應積極推廣。但是，對于缺水、干旱地區，采用地表水或地下水存在一定的困難，因此中、小型建筑宜采用空氣源或土壤源熱泵系統為主[2]；受制于地下水資源、地熱資源的限制，水地源熱泵系統適用范圍受限。

2.3傳統空氣源熱泵系統

空氣源熱泵系統由于其結構簡單，安裝方便，得到廣泛應用；但同時受環境溫度影響較大，出水溫度不高，在中國“三北”地區的使用受到限制。如何提高空氣源熱泵在低環境溫度下的可靠性以及能效，是空氣源熱泵能否在中國“三北”地區成功應用的先決條件。

隨著室外氣溫的下降，建筑物的熱負荷增加，而對于空氣源熱泵，室外環境溫度為逆卡諾循環的蒸發器側，當冷凝溫度不變時（如供50℃熱水不變）隨蒸發溫度的下降，引起吸氣比容變大，容積效率變小，單位質量制熱量減小，空氣源熱泵總制熱量減少[3]。基于上述原因，空氣源熱泵在寒冷地區室外溫度較低時，機組的供熱量會急劇下降，難以滿足供暖的需求。傳統空氣源熱泵出水溫度上限一般為60℃ ， 冬季低溫工況上限一般為50℃ ， 出水溫度較低，由散熱器傳熱特性值可知，在0%～100%流量時，流量數值相同時，溫差越大，換熱量與溫差越趨于線性，當采用小溫差時，流量減少，對散熱量影響越大。對于末端為散熱器的項目不適用，且不能夠滿足系統“大溫差，小流量”的設計要求。

傳統空氣源熱泵寒冷地區還存在以下幾個問題：

（1）空氣源熱泵在保證一定溫度熱水時，由于寒冷地區室外溫度低，即蒸發溫度降低，冷凝溫度不變，會引起壓縮機壓縮比變大。壓縮機壓縮比過大，導致壓縮機效率下降，使目前傳統的空氣源熱泵機組壓縮機損壞的幾率大增。

（2）傳統空氣源熱機組在寒冷地區運行時，由于室外氣溫低，蒸發溫度下降，壓縮機排氣溫度過高。當空氣源熱泵機組供水溫度為50℃ ， 室外氣溫降至-5℃時，其排氣溫度已接近120℃ ， 且供水溫度愈高，壓縮機的排氣溫度愈高。測試中，供水溫度每提高5℃ ， 壓縮機的排氣溫度相應地提高約10℃。

排氣溫度過高，壓縮機長時間過熱會導致半封閉或全封閉壓縮機中電機絕緣部分加速老化和可靠性降低，縮短壓縮機壽命；排氣溫度過高，會使潤滑油變稀，降低潤滑油潤滑能力，使軸承、氣缸和活塞環產生異常的磨損，甚至會引起燒壞軸瓦或氣缸拉毛；排氣溫度過高，使制冷劑和潤滑油在與金屬物質接觸下分解，生成積碳和酸類物質；排氣溫度過高，使壓縮機容積效率降低和耗功增加。因此熱泵用壓縮機必須在內置電機繞組內設置內置式溫度傳感器或繼電器，或將一定量的液體制冷劑噴入壓縮機，以冷卻內置電動機。

（3）傳統空氣源熱機組室外側換熱器由于空氣中含有水分，當其表面溫度低于0℃且低于空氣露點溫度時翅片管表面上會結霜，結霜后傳熱能力會下降，使制熱量減小。因此，必須定期除霜。

傳統的空氣源熱泵機組在寒冷地區應用，由于室外氣溫過低，潤滑油黏度增加，也會出現回油困難問題。尤其是機組長期在低溫環境下停機，可能出現制冷劑與潤滑油分層現象，再啟動時，活塞銷、軸承等部件出現短時間缺油，這可能會產生燒壞與卡死，也可能會引起油壓安全保護開關的動作。

空氣源熱泵機組在供水溫度不變時，隨著蒸發溫度的降低，將引起單位制熱量減少，而單位耗功量增加，在同一質量流量條件下，勢必會使機組的制熱能效比COP下降。當供水溫度為50℃ ， 室外氣溫降至0℃以下時，傳統的空氣源熱泵機組的制熱能效比COP 已經降到很低。如供水溫度50℃ ， 室外氣溫為-5℃時，COP 已降低至1.5[4]，不能滿足相關規范對節能的要求。

針對上述背景與問題，本項目4區熱源采用傳統的空氣源熱泵，末端采用地板輻射供暖方式，熱源溫度為45/35℃熱水，實際運行，年平均 COP 為2.3，能夠滿足《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2005要求。

2.4 CO2復疊空氣源熱泵方案

2.4.1 CO2復疊空氣源熱泵原理

隨著 CFC（氯氟烴）及 HCFC（氫氯氟烴）的淘汰，采用 CO2作為冷媒的熱泵系統成為比較理想的替代制冷劑使用方案，可以顯著減少碳排放，被認為是制冷空調行業發展中具有意義的眾多領域之一。

目前被認為環保的冷媒 R410 a 等含氟冷媒及 R600 a等冷媒，同樣存在不環保及易燃易爆問題，只是短期替代冷媒。天然工質 CO2作為制冷劑，國際代號 R744，其全球變暖潛值 GWP 為1，消耗臭氧層潛值 ODP 為0。利用原本要排入大氣中的 CO2，可以認為對全球變暖無影響。CO2化學穩定性好，不傳播火焰，安全無毒，汽化潛熱大，流動阻力小，傳熱性能好，易獲取并且價格低廉，堪稱為理想的天然制冷劑[5]。

CO2作為制冷劑其主要問題是臨界溫度低致使能效低。又因為臨界壓力高，制冷系統壓力高，因此在制冷空調中應用，系統必須具備高承壓能力、高可靠性等特點，相應也導致系統的造價較高。

因其臨界點低，用在制冷空調上常為跨臨界過程的單級壓縮機制冷及熱泵系統。換熱器可采用小孔扁管式平流換熱器的高效換熱器，壓縮機采用往復式或斜盤式，對壓縮機進行減小缸徑，增大行程，增加密封環數量等措施，能滿足CO2制冷及熱泵系統要求。

CO2在高壓側具有較大的溫度變化，CO2的放熱過程適宜于熱泵的制熱運行和熱泵熱水機的運行。有關研究表明，用作熱泵熱水機的試驗結果比采用電能或天然氣燃燒加熱水，可節能75%，水溫可從8℃升高到60℃ ， 甚至可達70℃以上。

CO2制冷劑0℃時的容積制冷量為22600 kJ/m3，是常規R22、R410 a制冷劑的5～6倍，冬季吸熱能力強。CO2標準大氣壓下的沸點為-78.4℃ ， 低于大部分 HCFC制冷劑；且在超低環境溫度下仍然有較高的蒸發壓力，與大氣之間的差值較大，能夠在-40℃環境工況下有效蒸發吸熱，換熱效果好，能效高；同時臨界溫度不高，可以采用跨臨界循環，用作熱泵時，出水溫度會高于其他冷媒的系統，見表1。

CO2復疊空氣源熱泵外機側主要利用 CO2制冷劑在低溫下蒸發壓力高的物理性質，其標準大氣壓下沸點可達-78.4℃ ， 蒸發溫度-40℃時，蒸發壓力可高達1.005 MPa，該種制冷劑能夠在極低的環境溫度下有效蒸發，有效吸熱，能夠保證制熱量的充足。另外，CO2復疊空氣源熱泵內機側采用環保制冷劑R134 a，可在低溫工況產出70℃以上的高溫熱水。本系統從工質出發，真正提高低環境溫度下的運行效率；用雙級壓縮階梯供暖的形式解決低環境溫度下的可行性與可靠性問題，確保空氣源在供熱中能夠揚長避短，發揮其應有的節能特性。

系統主要由熱泵機組室外機、熱泵機組室內機、蓄熱水箱、系統循環泵、供熱循環泵、補水定壓裝置、軟水器等組成，其系統原理如圖1所示。

2.4.2 CO2復疊空氣源熱泵的優勢

CO2復疊空氣源熱泵二級壓縮的蒸發器側水溫為30℃ ， 為壓縮機最穩定工況，與冷凝器側100～120℃熱水換熱，從而達到60～80℃供水溫度，排氣溫度、排氣壓力、壓縮比都處在最優工作狀態；CO2復疊空氣源熱泵壓差遠小于常規熱泵，壓縮機功耗低，COP值高，能夠可靠運行。

系統在低溫工況下能夠更加穩定地提取空氣中低品位的能量，進行一級升溫，獲取的熱量通過蓄熱水箱進行儲能；再通過內機對外機產出的低品位熱水進行二級升溫，從而達到供熱所需的熱媒溫度。采用準二級復疊梯級泵熱的新型制熱模式，使得冬季低溫工況下壓縮比低，能效高，運行成本低，設備使用壽命長[6]。

系統采用分段式室內外機設計，化霜時亦不影響系統制熱。該系統內、外機可互為備用，當內機出現故障后，系統可直接切換至外機進行供熱，不影響供暖的連續性，可靠性得到進一步提升。同時，系統更加適合室外溫差變化較大的工況，可產出高溫熱水，非常適合在寒冷地區作為區域供熱的熱源形式。既能夠在冬季供熱時提供穩定、可靠的效果，不受地質條件、地下水資源的限制；沒有冷凝聚的顧慮，每年都能夠源源不斷地從空氣中取熱；又能夠避免直接用電取暖導致的能耗過高問題和采用燃油、燃煤鍋爐帶來的高能耗、高污染的問題，是一種理想熱源形式。

3項目運行情況

3.1項目運行數據

該工程供暖系統于2019年11月開始安裝，2020年1月投入使用，24 h運行，每個供暖季運行5個月。文章選取熱負荷最大的1區，CO2復疊空氣源熱泵供回水以及室外溫度檢測數據如圖2、圖3所示，室外平均溫度為2.8℃、-19.2℃ ， 系統均能夠穩定運行，滿足設計供回水溫度及室內溫度的要求，至今運行效果良好。

3.2項目運行數據統計及運行指標比較

本項目供暖共分為4個區域，每個區域獨立供暖。1～3區供暖設備采用 CO2復疊空氣源熱泵，該設備具有出水溫度高、低環溫運行穩定、運行費用低的特點。項目于2019年冬季供暖期投入運行以來，經過2個供暖期的實際運行，經受住了冬季極端環境溫度-20℃的考驗。各區供暖運行指標見表2。

4結論

經過2個供暖期的實際運行表明，CO2復疊空氣源熱泵供暖技術，既減少了冬季供暖的運行費用，又能夠減少碳排放，運行效果可靠穩定，供水溫度65℃ ， 車間室溫在12℃以上，滿足設計要求，適合在寒冷地區，末端采用散熱器的供暖系統；傳統的空氣源熱泵，供水溫度45℃ ， 適合在寒冷地區，末端采用地板輻射供暖系統。

參考文獻：

[1] 陳曉寧，李萬勇，張成全，等.低溫環境下戶式變頻空氣源熱泵地板輻射采暖系統性能測試及分析[J].太陽能學報，2018，39（1）：57-63.

[2] 中國建筑科學研究院. 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范：GB 50736—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] 王偉，倪龍， 馬最良.空氣源熱泵技術與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[4] 李飛，楊建明.綠色建筑技術概論[M].北京：國防工業出版社，2014.

[5] 張軍，地熱能.余熱能與熱泵技術[M].北京：化學工業出版社，2014.

[6] 何銘，茍順國.復疊式二氧化碳空氣源熱泵：CN204963296U[P].2016-01-13[2023-12-08].

Application of Air Source Heat Pump System for Heating in Cold Regions

WEI Suopeng，WANG Guobin，LU Purong

（CSCECAECOMConsulantsCo.，Ltd.，LanzhouGansu 730000，China）

Abstract： A waterworks project in cold area，heating is divided into four areas， and each area is heated indepen? dently. The cascade air source heat pump withCO2 is used for heating equipment in zones 1 to 3，and traditional air source heat pump is used in zone 4.Based on the analysis of scheme selection and operation data，this paper draws a conclusion： The actual operation of two heating periods shows that the cascade air source heat pump with CO2 heat? ing system， with a water supply temperature of 65℃， is suitable for the heating system with radiators at the end in cold areas.The traditional air source heat pump heating system has a water supply temperature of 45℃，which is suit? able for the heating system with flooradiation at the end in cold areas.The above two kinds of air source heat pump heating systems have reliable and stable operation effects，while not only reduce the operating costs of heating in win ? ter ， but also reduce carbon emissions.

Keywords：\"Double carbon\"; clean energy; industrial buildings; CO2cascade air source heat pump