北京建筑大學      胡繁昌   胡文舉   張帥   楊茜

摘   要：隨著環保意識的日益增強，農村冬季供暖問題逐漸成為了人們關注的對象。老式的燃煤鍋爐不僅取暖效果差，而且污染大。本文提出用空氣源熱泵加散熱器的供暖模式來代替原有的鍋爐供暖。通過理論分析和實際測試兩個方面來研究這一模式的實際操作性，測試對象為北京海淀某農宅，使用空氣源熱泵作為熱源。得出室外溫度變化曲線、機組進出口水溫變化曲線、機組COP變化曲線。經過分析，該模式實際上是可行的，運行效果良好。

關鍵詞：供暖；空氣源熱泵；散熱器；測試

       0   引言

       隨著我國人民居住條件的改善，對生活熱水的需求量迅速上升。環境保護意識的增強，促進了空氣源熱泵熱水器的發展。這種以生產55℃生活熱水為目的的產品，在我國廣東、浙江一帶發展很快，并且有逐漸向北方發展的趨勢。隨著南方冬季采暖問題的提出，有的廠家開始研究和生產在冬季用于房間采暖的空氣源熱泵熱水系統。而這一趨勢，也在影響著華北寒冷地區的冬季采暖。^[1]

       近幾年來，我國多地遭遇嚴重霧霾天氣，PM_2.5持續“爆表”，北京地區尤為嚴重。霧霾中的可吸入顆粒物進入人體呼吸道后，可能引發人體呼吸道和心血管疾病，嚴重者甚至會導致死亡。而空氣源熱泵是一種高效的清潔能源，以電能驅動，可將低品位能源轉換為高品位能源，具有高效節能、綠色環保、安全可靠等優點。^[2]北京農村“煤改電”的工作中，空氣源熱泵作為一種清潔能源被大力推廣。

       如今“節能減排”已經成為全社會高度關注的話題，農村地區的節能潛力很大。以農村每戶為單位來看農村住宅能耗的變化，沒有明顯的變化。目前，北方農村地區普通農村住宅采暖系統大都仍采用燃煤鍋爐+室內暖氣片或者電鍋爐+室內暖氣片的系統形式，由一家一戶的小型燃煤爐或電鍋爐生產高溫熱水，然后輸送給室內暖氣片，以滿足室內溫度條件需求。目前在原有基礎上進行供熱系統的改造是非常困難的。如果采用由電驅動的空氣源熱泵直接取代燃煤鍋爐，而且室內采暖系統不改造或只進行盡可能少的改造，將是一個非常經濟、極易推廣的北方地區燃煤鍋爐供暖熱源替代方案，將很好的改善北京地區的空氣問題。^[3]

       1   研究情況

       1.1   研究對象參數

       該測試農宅位于北京海淀郊區，其室外設計溫度為-9℃，室內設計溫度為18℃，農宅的建筑平面圖如圖1所示，此次的模擬對象以該農宅的客廳為主，客廳的整體尺寸是6m×4.5m×3m，北墻與室外相連，西墻東墻與采暖房間相連。圍護結構為普通混凝土，墻面內粉刷，東西兩側為臥室，墻體厚度約370mm，外墻貼有約50mm 的保溫板，門窗皆采用鋁合金材料，建筑整體保溫性能良好，并且在建筑頂部裝有玻璃頂棚，用空氣源熱泵作為熱源。

圖1  農宅建筑平面圖

       1.2   空氣源熱泵的理論分析

       空氣源熱泵熱水器（機組）是運用逆卡諾循環原理，通過熱泵做功使熱媒（冷媒）產生物理相變（液態– 氣態–液態）利用往復循環相變過程中不間斷吸熱與放熱的特性，由吸熱裝置（蒸發器）吸取低溫熱源空氣中的熱量，通過專用熱水交換器（冷凝器）向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。制熱過程中的電熱能量轉換效率最高可達450% 以上。熱泵只需要消耗一小部分的電能滿足空氣壓縮機和風機等設備做功，就可將處于低溫環境空氣中的熱量轉移到高溫環境下的熱水。空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置、過濾器、儲液罐、單向閥、電磁閥、冷凝壓力調節水閥、儲水箱等幾部分組成。^[4]

       冬季供暖時，工質經過蒸發器，從室外空氣中吸收熱量，工質蒸發后經過壓縮機壓縮，變成高溫高壓氣體，在冷凝器中向熱水放出熱量，經節流閥節流后再次進行循環。制取的熱水進入室內散熱器系統進行循環，不斷向室內釋放熱量，從而對建筑物取暖。其工作原理圖見圖2。

圖2  空氣源熱泵供暖原理圖

       1.3   熱源選擇

       該測試農宅中采用熱源是的是清華同方人工環境有限公司研發制造的分體式強熱型空氣源熱泵機組，型號為HSYR-DG-15C(D)E，機組的名義制熱量為14.2kW，機組內置１臺循環水泵，額定流量為2m³/h，額定揚程為12m，水泵額定功率為400W。室內采暖的熱媒仍然為熱水，由于低溫空氣源熱泵能提供的熱水不超過50 ℃，屬于低溫熱水。

       1.4   散熱器分析

       由于低溫空氣源熱泵提供的熱水溫度不超過50℃，根據空氣源熱泵低溫水的特性和用戶熱負荷的需要，不改變散熱器類型情況下應適當增加散熱器片數。散熱器的散熱量應當滿足室內的熱負荷需求。^[5]

       該式中，Q為散熱器散熱量（W）；K為散熱器傳熱系數（W/(m²·K)）；F為散熱面積（m²）；t_pj為散熱器進口水的平均溫度（℃）；t_n為室內溫度（℃）。

       本次測試中，在六個房間、室外以及進出口水處分別布置測點，并且安裝了溫度自記儀，每10min記錄一次數據，自記儀精度為±0.3℃。為了研究測試期內空氣源熱泵－散熱器供暖系統供熱性能及其對室內環境的影響，分別采用熱量表、電量測量儀和溫度傳感器對系統的供熱量、機組耗電量及室內外溫度進行測量。所選擇熱量表型號為JYRL-25，精度2級，每隔1h記錄一次數據，可自動測量水流量、供回水溫度、瞬時熱量及總熱量。耗電量采用W400型智能電量測量儀測量，精度±0.4%，每隔1h記錄一次數據。^[6]

       2   測試結果及分析

       2.1   室外溫度變化

       測試期間，該地的室外溫度波動見圖3，從圖3 中可以看出，測試時期為北京地區冬季最冷時段。實測最高溫度為19.3℃，最低溫度-10.4℃，查詢北京市氣象臺提供的數據，測試期間最低溫度為-8℃，最高溫度為12℃。并且通過比對可知二者的變化趨勢大致相同，但實測的溫度普遍高于氣象臺提供的數據，這可能與現場室外溫度測試儀器的擺放位置距離建筑物的遠近、遮陽方式等因素有關。氣象臺發布的室外溫度由建于空曠場地的氣象觀測站測得，使得二者之間數值不一致，故實驗測試過程的數據更高些。

圖3   測試時間的北京地區室外溫度統計圖

       2.2   機組進出口水溫變化

       室外溫度與機組進出口水溫測試結果見圖4。從圖4 的供回水溫度變化曲線圖可以看出，隨室外溫度的變化，供回水溫度的變化很小。通過對比清華同方人工環境有限公司在北京密云司馬臺新村冬季采暖項目，供回水溫度變化很小的原因是系統采用了控制回水溫度范圍的控制策略，回水的溫度范圍可根據住戶的舒適度要求自行設定上下限，因此，該系統通過間歇運行可以保持回水溫度隨室外溫度變化的波動性較小。

圖4  測試時間的室外溫度與機組進出口水溫的對比統計圖

       2.3   機組COP變化

       室外溫度與機組COP 值測試結果見圖5。根據圖5 可以看出，整個測試期間供回水溫差基本都維持在1~2℃之間，存在著“小溫差”運行的問題，這樣的運行不節能，會造成實際水流量比需要的水量大，使水系統的電耗大大增加。出現這樣的原因一般是水泵選型不當造成的。圖5 中出現兩次明顯的供水溫度變化，是由于對機組回水水溫進行調控所產生的。

圖5   測試時間的室外溫度與機組運行COP 統計圖

       3   結論

       本文結合北京市農宅采暖現狀，提出空氣源熱泵代替燃煤鍋爐并增加末端散熱器片數的供暖方式，建立某農宅的建筑模型，通過理論分析和實際測試兩個方面來研究這一方案的可行性，經過分析，該方案理論上是可行的，并且實際運行效果良好，滿足農村住宅的室內溫度環境的需要。改造后的空氣源熱泵－散熱器供暖系統基本上能滿足室內熱舒適環境的要求，房間溫度大部分時間保持在16~18℃；與傳統散熱器供暖系統相比，空氣源熱泵－散熱器系統供回水溫度低，散熱器和水換熱溫差小，供回水溫差小，需要較大的室內換熱面積，循環水泵耗功較多；在測試期內，雖然采用水泵不間斷運行控制策略降低了供暖系統的COP，但是經調試優化后，系統的COP維持在2.5以上且隨著室外溫度的升高而升高，比原電供暖系統具有很大的節能優勢。

參考文獻

       [1] 李素花,代寶民,馬一太. 空氣源熱泵的發展及現狀分析[J]. 制冷技術,2014,(01):42–48.

       [2] 王建民. 基于北京地區的空氣源熱泵能耗分析及節能改造[D]. 天津：天津大學,2012.

       [3] 楊茜,李德英,張帥,王夢圓. 北京農村空氣源熱泵散熱器供暖系統的應用[J]. 建筑節能,2015(11):100–104.

       [4] 耿浩,慈鵬. 空氣源熱泵熱水機組工作原理及特點[J]. 科技傳播,2011(09):72+157.

       [5] 賀平,孫剛,王飛. 供熱工程[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

       [6] 張帥,胡文舉,李德英,楊茜,王夢圓. 空氣源熱泵-散熱器供暖系統用于北京地區某農村住宅的實測分析[J]. 暖通空調,2015(08):80–83+79.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
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