空氣源熱泵供暖系統能效分析及系統配置探討

郭 璇，支娜娜

（山東省環能設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

空氣源熱泵作為可再生能源的一種，以其綠色環保、性能穩定、經濟實惠、運維便利等優點，迅速成為北方地區清潔供暖的主要技術路徑之一，且有著巨大的發展潛力。隨著自上而下的建筑節能強力有序地推進，大量低能耗、超低能耗建筑不斷涌現，低溫輻射供暖系統以其良好的舒適性、安全性逐漸代替了傳統的對流輻射供暖系統。

1 空氣源熱泵運行原理

根據逆卡諾循環原理，制冷劑通過蒸發器時吸收空氣中的熱量，經壓縮機后形成高溫高壓介質，進入冷凝器進行放熱，將熱量傳給冷水，再經節流裝置變成低溫低壓的介質進行下一次循環。冷水經過冷凝器與高溫高壓的介質交換后變成熱水貯存在熱水罐或熱水箱中，通過熱水管道送至用水點。因此，空氣源熱泵熱水系統是一種安全、節能、低污染且符合綠色發展的技術。核心原理是利用制冷循環從室外空氣中吸收熱量，然后傳遞至室內。系統組成主要包括蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥等關鍵組件，其中室外空氣通過蒸發器使工質蒸發吸收熱量，壓縮機將蒸發后的工質壓縮并提高其溫度，溫度通過冷凝器散發到室內，供暖或熱水使用。在嚴寒地區，蒸發器和冷凝器的工作受到極端低溫的影響，可能導致系統性能下降。

2 系統配置要點

在合適的環境溫度下，空氣源熱泵供暖相對于其他常見的供暖方式經濟性無疑是比較好的，所以在市政供熱能力不足、周邊沒有集中熱網配套的新建小區，以及一些偏遠的學校、辦公樓、工廠、酒店、醫院等建筑中越來越多地采用空氣源熱泵配套供暖。不少新興清潔能源公司限于資源或技術問題，往往采用單一的空氣源熱泵進行供暖，如果對于僅白天有供暖需求的辦公樓、學校等建筑倒也勉強可行，但是對于住宅、醫院等需24 h 連續供暖的項目，會有諸多的不利：（1）設計選型容量偏大，導致初投資增大；（2）部分負荷運行時間較長，大量設備長時間閑置，設備故障率高；（3）極端天氣下供暖效果不好；（4）設備低效工作區運行時間長，供暖季綜合節能效率低。所以，采用空氣源熱泵集中供暖的系統，宜配置部分燃氣鍋爐供熱、電加熱，甚至市政集中熱源等相對穩定的能源形式，實現多能互補，以提高整體的運行效率，保障供熱品質，降低初投資。那么，如果采用其他的能源形式做補充，應該補充多少是個值得研究的問題。以青島地區的氣溫變化作為研究依據，分析供暖負荷及空氣源熱泵機組在不同環境溫度下的變化特點。（1）如果分別以-7 ℃、-2 ℃、0 ℃、2 ℃環境溫度下的供暖負荷進行系統配置，則7 ℃額定工況下的機組制熱能力相對于供暖負荷分別為158%、114%、85%、72%；（2）以-7 ℃下的供暖負荷配置空氣源熱泵機組，機組容量配置過大，初投資較高，而同等負荷下的燃氣鍋爐或電加熱等常規熱源方式投資則低得多（經驗表明，空氣源熱泵初投資可按額定供熱量1.2 元/W 考慮，燃氣鍋爐的投資額可按0.2 元/W 考慮），以-2 ℃、0 ℃、2 ℃環境溫度下的供暖負荷配置空氣源熱泵機組，分別需要補充28%、47%、55%滿負荷的其他能源形式；（3）建議對供暖品質要求高、24 h 連續供暖的場合（如高檔住宅、醫院等)，補充47%滿負荷的其他能源形式，對供暖品質要求不太高的場合，補充28%滿負荷的其他能源形式。結合各地氣候特點及資源稟賦的多能互補配置方案，以及結合各能源形式自身運行特點的控制策略，一方面可以最大程度上節約運行費用及初投資；另一方面也能保障供暖效果。結合各地氣候特點及資源稟賦的多能互補配置方案，以及結合各能源形式自身運行特點的控制策略，一方面可以最大程度上節約運行費用及初投資；另一方面也能保障供暖效果[1]。

3 設備機組架設

嚴寒地區的寒冷氣候，設備支撐結構必須能夠承受雪荷載和低溫，防止設備受損。保證支架的材料質量和結構設計符合要求，能夠承受設備的重量和外部壓力。同時，預留足夠維護空間可方便后續設備檢修和維護，提高設備的可維護性和使用壽命。根據GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中的規定，空氣源熱泵的安裝位置應符合以下規定：在室外機安裝過程中，必須充分考慮設備的通風需求。確保排風和進風通暢，以避免發生氣流短路現象。熱泵機組應盡量放置在無遮擋、無障礙物的地方，安裝位置必須通風良好。出風口通常避免迎風方向，因此應考慮安裝在空曠位置處，并為換熱器的清掃預留足夠空間。為避免受到污濁空氣的影響，不可將設備放置在廚房油煙排氣的地方。此外，在安裝過程中，所使用的所有金屬部件均應進行防銹處理，并符合中國現行國家標準GB/T7725-2022 的相關規定[2]。同時，需考慮噪聲和排熱對周圍環境的影響，安裝位置應盡量選擇在人員較少且不易受噪聲影響的地方。在安裝過程中，需要注意現場的實際情況，確保所選擇的安裝位置能夠承受室外機自重的2～3 倍的重量。系統供回水管路應與機組進出口采用柔性連接的方式，以增強設備的穩定性和耐用性。設備機組與基礎值間加裝隔振措施，防止機組振動傳播至建筑本體，影響建筑室內環境。

另外，室外機組本體應安裝安全接地線，確保用電安全。同時，機組使用側進水端應加裝Y 型過濾器，以防止雜質污染損壞設備[3]。

4 定期維護

（1）對于空氣源熱泵及配套管路日常維護，應定期巡視空氣源熱泵機組、配套冷熱水循環泵及管道保溫情況；定期檢查設備及其管路上閥門等附屬設備是否正常工作，并及時清洗空調循環水過濾器、換熱設備及風管系統，保持良好的運行性能[4]；（2）在冬季防凍方面，補水管中的冷水需實時加熱，避免上凍無法流動；配套循環泵在冬季運行時，一旦出現停電、缺相或熱繼電器動作保護導致循環泵停運，時間長了可能凍壞設備和管線，因此需采取事前預防措施或事后應急措施，降低循環泵的受凍損失；（3）做好預防風霜雨雪的工作同樣重要。設備和電線電纜接觸水后，設備絕緣性能降低，容易出現發熱情況，應采取預防雨水的措施，避免設備、電線電纜等接觸雨水；定期巡視設備機組、配電柜、控制系統的防水措施的完好性，若有損壞，應及時修復[5]。

5 運行24 h 耗電量

變頻化控制下，通過能需計算的控制，在出水溫度逐漸逼近設定溫度時，壓縮機頻率逐步降低，收斂。定頻化控制下，在出水溫度逐漸逼近設定溫度時，壓縮機頻率不變，直到達溫停機，其功率曲線類似于定頻機。根據測試結果，在-12 ℃的環境溫度下，設定水溫45 ℃（回水溫度），在優化后的控制邏輯，機組24 h 的耗電量降低。結合機組單點能效的測試情況，可以分析得知，由于根據能需的計算，在水溫逼近設定溫度時，頻率會降低，則機組運行頻率降低到低效區，甚至降到50 Hz 以下，機組自動關閉噴焓，能效急劇下降。采用定頻化的控制，機組一直運行在高效區，進而耗電量反而降低。

6 地熱能梯級利用系統運行性能分析

目前中深層地熱供暖由起初的只利用地熱能加換熱器的供暖方式，發展為地熱能梯級利用的供暖方式，使地熱水的利用溫差提高30%～50%，提升了供熱系統的綜合能效。天津某項目采用地熱水梯級利用供暖，分為四級換熱，一、二級換熱采用板式換熱器，三四級換熱采用地源熱泵。在熱源測，由取水井抽取85 ℃左右地熱水，經過板式換熱器一級換熱，降低至60 ℃左右；再經過二級換熱降低至45 ℃左右，最后經過三級、四級的地源熱泵降低至30 ℃，由回灌井回灌地下以保證地下水位。末端用戶為八個小區的住宅，用戶側末端采用散熱器，設計供回水溫度為60 ℃～45 ℃。用戶側循環水分別進入四級換熱系統，其中45 ℃回水經過一、二級板式換熱器換熱后升至60 ℃左右，45 ℃回水經過三、四級地源熱泵后升至55 ℃左右，然后混合后進入主管分別供至各個小區。通過測試及對歷史數據分析，其制熱季節性能系數HSPF 為9.09，與電直接加熱設備相比，節能率約為90%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少90%。與空氣源熱泵相比，節能率約為65%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少65%。與地源熱泵系統相比，節能率約為37%，即在不考慮電力排放因子變化的情況下，碳排放減少37%[6]。

7 綜合評價分析

空氣源熱泵系統、地源熱泵系統及地熱能梯級利用系統是目前在長江以北地區較為普及的以電能驅動的清潔采暖系統，從以上介紹及分析來看，其存在以下特點：（1）運行能效方面，地熱能梯級利用系統最高，地源熱泵系統次之，空氣源熱泵系統最低；（2）投資建設方面，地熱能梯級利用系統和地源熱泵系統遠高于空氣源熱泵系統；（3）規模適用性方面，空氣源熱泵系統的適用范圍更廣，地熱能梯級利用系統和地源熱泵系統不適用于建筑體量較小且建筑規模較小的區域；（4）地域適用性方面，地源熱泵系統源熱泵系統由于不受環境溫度的影響，其適用范圍更廣，而地熱能梯級利用系統只適用于中深層地熱能豐富的地區，空氣源熱泵系統不適用于室外氣溫比較低的地區[7]。

8 性能系數預測

根據現場測試期間室外逐時平均溫度與逐時能效比數據，機組性能系數預測時，只分析了室外溫度與機組性能系數的關系，未考慮室外空氣相對濕度等其它因素的影響。相關關系式可用于估算或簡便分析使用，準確性及適用性等還有待于進一步提升[8]。

9 合理調整運行參數

在冬季，由于環境溫度較低，空氣源熱泵熱水系統的運行需要進行適當的調整。為了提高空氣源熱泵熱水系統的能效和穩定性，可以采取一些有效措施。比如，適當降低熱水的溫度可以減少熱泵的負荷，提高其能效。在冬季，由于環境溫度較低，熱泵的負荷本身就比其他季節大，因此降低熱水溫度可以減輕熱泵的負擔，使其更加高效地運行；空氣源熱泵熱水系統的各個部件可能會受到一定的影響，減小出水的流量可以減少對系統部件的沖擊，提高系統的穩定性。冬季是空氣源熱泵熱水系統運行的關鍵時期，適當的調整和保養是保證其正常運行和高效率的關鍵。應適當采取一些措施來優化空氣源熱泵熱水系統的運行參數，并注意天氣狀況和熱水需求等因素，以確保空氣源熱泵熱水系統能夠正常運行并達到最佳的運行效果。

10 使用感受及運維對比

分戶空氣源熱泵供暖系統能夠用手機智能控制，可滿足過渡季的熱需求，空調熱風與地暖制熱同時開啟可滿足迅速調溫的需求，戶間影響小；不需專門的物業運維，可由廠家提供售后服務，但集中供暖系統調溫慢，無法滿足過渡季熱需求，需專業的物業運維人員進行每年的檢修。

11 結束語

空氣源熱泵供暖系統在“雙碳”“減霾”的大環境下，因為其便利性、可控性、經濟性、安全性等特點，是目前主流的清潔供暖技術之一，隨著建筑節能技術的提高及供暖熱源溫度的逐步降低，有著更加廣闊的發展空間。空氣源熱泵供暖系統的能效評價以整個供暖季為時間跨度，結合環境溫度的變化及供暖負荷的分布特點進行綜合評價，會更客觀、更貼近運行實際特點，更具參考價值。采用多能互補的空氣源熱泵供暖系統，補充能源的配比根據項目具體特點及環境條件宜為30%～50%，供暖效果的保障與初投資及運行費用的節約會達到比較理想的結合點。隨著以供暖為主要任務的空氣源熱泵系統應用的項目體量越來越大，輻射半徑越來越長，常規的5 ℃溫差機型輸配能耗較大，開發10 ℃溫差的空氣源熱泵機組甚為必要。