空氣源熱泵供暖在畜禽業上的應用

［摘 要］在政策的引導下，空氣源熱泵在民用供暖領域得到了廣泛的應用，為家庭、學校、醫院、酒店、工廠、商場等場所提供了溫暖舒適的供暖服務。以往的畜禽取暖，利用的是燃煤式鍋爐，供暖季還需要多名工人晝夜倒班添煤、掏灰，存在污染環境、成本高等問題，而空氣源熱泵目前已廣泛成為畜禽養殖燃煤鍋爐替代的設備。文章以“畜禽業”中使用空氣源熱泵供暖的實例，闡述了空氣源熱泵在畜禽養殖業中的應用，對現場安裝調試中遇到的一些問題進行了分析，并提出了相應的對策。

［關鍵詞］集中供暖；空氣源熱泵供暖；散熱器；解決方案

［中圖分類號］TM615 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0046–04

我國畜禽舍總數量約超過百萬棟，當前使用空氣源熱泵采暖的畜禽舍可能不足1%，以平均每棟畜禽舍配置3 臺制熱量100 kW 的空氣能計算，全國大約需要300 萬臺，總產值超過千億元。其不僅在新建畜禽舍中得到應用，在舊的畜禽舍供暖方式的改造中也發揮了重要作用，例如，原來以煤為燃煤取暖的畜舍，在節能減排的大環境下，將其改造成了空氣源熱泵供暖。空氣源熱泵系統原理如圖1 所示。

空氣源熱泵供暖節能環保，符合國家政策的要求，實現了系統智能化控制，溫度可隨畜禽所需要的不同溫度進行調節，采暖溫度相對比較均勻，在提高了畜禽存活率的同時，也保證了畜禽的健康和快速成長，在整個畜禽業包括養豬場、養雞場、養鴨場、養牛場、養鵝場等養殖場冬季采暖方案中得到了廣泛應用和認可。文章基于空氣源熱泵在河北畜禽業上的供暖應用案例，闡述了河北畜禽業采用空氣源熱泵供暖的新技術，分析了現場安裝調試過程中遇到的一些問題和處理辦法。

1 工程概況

1.1 工程情況

該項目地址為河北省張家口市康保縣，主要為畜禽場冬季采暖，采暖面積合計14 295.66 m2。采暖區域分布和溫度需求見表1。河北省張家口市康保縣冬季平均溫度-13.8℃，冬季采暖室外計算溫度-30.0℃，采暖天數150 d，冬季最低溫度-36℃。末端采用散熱器和地暖，冬季室內要求18～20±2℃，保溫良好。

1.2 工程要求

（1）設計室內溫度（20±2）℃。

（2）供水溫度50℃，回水溫度45℃。

2 設計依據

（1）GB50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》。

（2）GB50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調動設計規范》。

（3）GB/T-25127.1—2020《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組- 第1 部分：工業或商業用及類似用途的熱泵（冷水）機組》。

（4）GB/T21362—2008《商業或工業用及類似用途的熱泵熱水機》。

（5）GB29541—2013《空氣源熱泵能效等級標準》。

（6）JGJ142—2012《輻射供暖供冷技術規程》。

3 氣象參數

3.1 室外空氣設計參數

依據 GB50736—2012《 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定，查得河北省（東經114°23'，北緯41°28'）室外空氣計算參數值見表2。

3.2 室內計算參數

依據2009JSCS—4《全國民用建筑工程設計技術措施- 暖通空調· 動力》全國民用建筑工程設計技術措施表1.2.1 得到冬季采暖室內設計參數。畜禽建筑長期逗留區域空氣調節室內計算參數見表3。

畜舍是畜禽長期居住的地方，冬季必須對其進行供熱，供暖建筑物的室內溫度應選二級。

4 熱負荷計算

圍護結構的基本耗熱量采用的是基于日平均溫差的穩態計算法。

建筑冬季的熱負荷主要有兩個方面：①建筑物圍護結構耗熱量；②從窗戶和窗戶的縫隙中漏入冷氣的耗熱量。其中圍護結構的耗熱量由基本耗熱量和附加耗熱量兩部分組成。

對于民用建筑，采暖區冬季熱負荷主要為由圍護結構傳熱所形成的耗熱量。按照GB50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》的規定，圍護結構的耗熱量分為基本耗熱量、附加耗熱量及高度附加耗熱量3 個方面。

4.1 圍護物基本耗熱量

圍護物基本耗熱量計算公式如下。

Q1=αFK（tNd－tWd）

式中，Q1為圍護結構的基本耗熱量形成的熱負荷，W；α為圍護結構的溫差修正系數；K為圍護結構的傳熱系數，W/（m2·℃）；F為圍護結構的傳熱面積，m2；tNd為供暖室內計算溫度，℃；tWd為供暖室外計算溫度，℃。

整個建筑物或房間圍護結構的基本耗熱量等于其的圍護結構各部分基本耗熱量的總和。

4.2 圍護結構的附加耗熱量

圍護結構的附加耗熱量應按其所消耗基本熱量的百分比計算。各附加百分數應根據以下要求進行選擇。

4.2.1 朝向修正率

不同朝向的圍護結構，受到的太陽輻射量不同，同時，不同的朝向，風的速度和頻率也不同。為此，我國GB50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》對各種豎向外圍護結構作了相應的修正。校正系數為：北、東北和西北方向為0～10% ；東、西朝方向：-5%，西南方向：-10%～-15% ；南向：-15～-30%。

選用修正率時應考慮當地冬季日照率及輻射率強度的大小。冬季日照率小于35% 的地區，東南、西南和南向的修正率宜采用0～10%，其他朝向可不修正，本項目不考慮日照修正。

4.2.2 風力附加率

GB50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》中對建筑物豎向圍護結構的熱負荷增加了5%～10%，這是我國現行國家標準GB50019—2003標準的要求。

風力附加率指根據室外風速的變化，對墻體的基礎耗熱量進行修正，計算墻體的基礎耗熱量時，以4 m/s 的風速計算出的外表面傳熱系數。在我國大多數地區，冬季的平均風速在2～3 m/s 左右。所以，在工程設計中，通常不需要考慮附加風的影響。

4.2.3 外門附加率

對于在短時間內開啟沒有熱風簾的外門時，室外進入的冷空氣得到加熱，可用室外的基礎耗熱量乘以GB50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》中所列的相應附加系數，而不需要考慮陽臺門的附加率。

4.2.4 圍護結構的高度附加率

在民用和工業建筑中，由于建筑內部溫度梯度的作用，使得建筑內部上面部分的傳熱系數增大。為此，GB50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》對建筑高4 m 以上的建筑，按每增加1 m 增加2% 的增高率進行了規定，但其增高率不得大于15%。需要說明的是，增加的高度比應該加上基礎消耗和其他額外消耗的熱量之和。

4.3 濕負荷計算

供暖建筑物或地區在冬天時，其散濕量應按以下規定進行計算。

（1）人體水分散失的數量。

（2）滲透氣體所帶來的水分。

（3）在該化學反應中所產生的水分散失的數量。

（4）在不同濕潤表面上，波浪狀或液體流動的水分散失的數量。

（5）食物或氣態物質的水分散發的數量。

（6）裝置水分散失的數量。

（7）滲透到廠房結構體內的水分散出量。

在計算散濕總量時，要依據不同的散濕源類型，選擇合適的系數。在普通的民用建筑中，一般沒有考慮滲透到維護結構內和化學反應過程中的散濕量。

通常，供暖區的濕負荷是由人體散發的水分引起的和敞開水槽表面的水分散發引起的，本設計考慮人體（人性化的對待家禽）散濕量。

計算時刻的人體散濕量按下式計算：

Dt=0.001φntg

式中，Dt為散濕量，kg/h；φ為群集系數；nt為計算時刻采暖區域內的總人數；g為1名成年男子的小時散濕量，g/h。

4.4 冷風滲透耗熱量

冬季，建筑內的冷空氣與建筑內垂直穿通通道氣流密度差異而產生的熱壓，在風吹過建筑時，通過門窗等縫隙進入室內，加熱此冷空氣所需的熱量。冷風滲透耗熱量Q2 計算公式如下：

Q2=0.28CpρVΔt

式中，Cp為空氣定壓比熱，取1.01；ρ為空氣密度；V為冷空氣體積，m3；Δt為室內外計算溫差，℃。

4.5 總熱負荷量

考慮到該項目實際情況，通過負荷計算及設計經驗，結合所給的圖紙，熱負荷匯總見表4。

5 設備選型

5.1 主機選型

結合工程實踐經驗，擬采用直流變頻空氣源熱泵二聯供機組為冷/ 熱源，設備-35℃強勁制熱（極寒地區專用），節能環保符合國家碳中和政策、噪聲低且運行安全無需人工管理，配置物聯網卡可智能遠程監控，大量節省人工成本及運行費用。

邦頓超低溫直流變頻空氣源熱泵機組，其在冬季供暖室外計算溫度-30.0 ℃ 時，BHVE800-32F 機組制熱量為112 kW，BHVE400-32FH 機組制熱量為56 kW，在熱泵選型計算時，要在滿足最大熱負荷的同時增加10% 的富裕量。則由機組性能參數曲線可得出機組數量，具體熱泵主機選型見表5。

5.2 末端選型

要求室溫Tin=22℃，按熱泵供水溫度T1=50℃，回水溫度T2=45℃，可計算出過余溫度（Δt）。

根據計算公式：（T1+T2）/2-Tin=Δt，即Δt=（50+45）/2-22=25.5℃。

再根據河北昌豪采暖設備公司提供的《低溫翅片管散熱器散熱量實測表》，進水50℃，出水45℃，要求室溫22℃（Δt=25.5℃）時，KF-800 型散熱器散熱量為786.8W/ 組。

由此可知：14 295.66 m2 的畜禽舍，按單位面積80 W/m2 熱負荷計算，則搭配暖氣片數量為1 453 組。

6 費用估算以及與其他熱源設備的使用費用比較

供熱站預測能耗，計算耗電總量，按照每天供熱運行13 h，供熱季150 d，電價0.31 元/kW·h，折合每平方（整個采暖季）運行成本，室內溫度達到（20±2）℃，冬季供暖幾種能源運行費用對比見表6。

7 現場調試中遇到的問題及解決的方法

當熱泵供暖系統安裝完畢后，在正式投入使用前的調試運行工作不可或缺。在現場調試過程中會出現一些不可預見的新問題，只有將出現的問題得以解決，在正式移交業主使用時才能保證供暖系統工作的順利進行。該項目在調試過程中出現了一些問題，需反復調整相應參數，使設備達到最佳運行狀態，調試中出現的主要問題及解決方案具體如下。

7.1 空氣源熱泵機組出現的故障報警

在現場調試過程中空氣源熱泵主機設備經常會出現某些故障報警，導致機組保護，運行停止。在調試期間線控手操器上出現過以下故障報警。

水流開關故障：系統啟動運行5 min 后，出現水流開關故障報警代碼，水流開關由于水流量小，水流開關無法打開，主板和手控器無水流開關流量信號，檢查、確認機組正常的情況下，檢查系統的循環管路及水泵，檢查管路閥門有沒有損壞或是否打開，檢查循環泵是否符合機組流量要求，檢查過濾器是否堵塞。發現循環管道中，由于新安裝了鍍鋅供暖管道，里面有生料帶、麻絲、舊鍍鋅管鐵屑（原有系統管道）等雜質堵死在過濾器濾網中，造成管道水流量不足，引起水流開關故障。在清洗過濾網后，故障消失，機組運行正常。

7.2 末端散熱器溫度不高的問題

在安裝完成啟動調試時，發現一些末端散熱器水溫升高低，經過對安裝管路進行仔細的檢測，確定各路管都是同程布管的情況下，通過對水流量進行細致的計算，再與機組參數進行對比，得出原主管道的管徑太小，不能與熱泵機組相匹配。通過增加并聯主管后，這一問題得到了解決。

8 空氣源熱泵供暖在河北畜禽舍上應用的經驗與分享

通過空氣源熱泵供暖在河北畜禽舍上的采暖案例的分析，可看出在前期的主機設備選型時，主機設備的選型并不難，一般生產廠家都有對應的制熱量標準比較。但是末端供暖系統的選型卻是多樣化的，例如在原來使用燃煤取暖時使用的散熱器大小、長短；供水主管道的大小走向均不一樣，一案例一個方案。以下為該項目中的經驗分享。

（1）方案選型設計時，須進入現場勘察原有舊系統的末端采暖設備，并進行相關數據記錄，以便后期進行有關數據計算、校對，以更確定合理的末端采暖設備參數，這對整個供暖系統的穩定運行至關重要。

（2）提高能源的使用效率是最終目的，也是將燃煤替換成空氣源熱泵的主要原因，這是國家碳中和、碳達峰的國家要求，在系統運行方式和輔助運行設備選型時，怎樣選擇能效高的產品，并使之結合，運行在較低能耗水平之間，是方案設計時考慮的問題之一。

（3）正式移交業主前的調試工作不可缺少，須認真解決調試運行過程中出現的一些問題，以保證設備選型滿足相關的設計及使用要求。

（4）在公司總部建立基于互聯網端的監控平臺，機組運行的電控系統部署通訊端能與公司總部監控平臺進行通訊，出現故障，第一時間發現問題、解決問題，為售后贏得寶貴時間。

9 結束語

在北方地區的畜牧業養殖中，空氣源熱泵供暖的應用是一項非常復雜的系統工程，其不僅涉及前期方案和圖紙的深化設計，還涉及對現場的施工情況進行調查以及后期的現場調試。一般來說，一個工程動輒數千m2，甚至數萬m2，這就給施工單位和售后服務帶來了更高的要求。對現場的安裝調試進行可視化實時監測，并對在調試中持續出現的實際問題進行有效地解決，才能保證各工藝環節間的有效連接，從而確保整個工程的成功實施。目前，我國北方畜禽行業的“空氣源熱泵”供暖工程已經在河北地區進行了3～4 a的穩定運行，并逐步被津京冀，山東和山西等北方地區所采用。

參考文獻

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