辛 宏

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

空氣源熱泵地板采暖技術(shù)在民用住宅上的應(yīng)用

辛 宏

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

文中介紹了空氣源熱泵地板采暖技術(shù)在民用住宅上的應(yīng)用，并說明了其工作原理。該系統(tǒng)不僅具有節(jié)能環(huán)保效益，而且在改善能源結(jié)構(gòu)等方面上提供了有效的措施。

空氣源熱泵；節(jié)能環(huán)保

0 引 言

在建筑業(yè)迅猛發(fā)展之際，采暖空調(diào)熱水供應(yīng)逐漸成為建筑用能的大戶，由于環(huán)保要求的提高，我國北方越來越多的城市限制燃煤采暖，何種清潔節(jié)能的采暖系統(tǒng)可替代燃煤采暖成為關(guān)系到國計民生的課題。

空氣源熱泵是一種適用廣泛、便于分戶管理的節(jié)能產(chǎn)品，特別是在沒有實現(xiàn)集中供熱的地區(qū)，屬可再生能源利用范疇。

1 案例源單位簡介

裝甲兵工程學院的前身是1953年成立的軍事工程學院“裝甲兵工程系”。1961年以該系為基礎(chǔ)，在西安組建成立裝甲兵工程學院。1969年遷址北京。學院隸屬于總裝備部，是全國重點工科院校、全軍學歷教育院校。

長安新城是北京市一個大型生活社區(qū)，位于長安街南畔，東部的“健身、休閑廣場”緊鄰西四環(huán)綠化帶，用地47.3 ha，總建筑面積約100×104m2，是目前北京市西部的經(jīng)濟適用房。為了貫徹國家節(jié)約能源的政策，裝甲兵工程學院職工在該小區(qū)購房多套，統(tǒng)一安裝了空氣源熱泵+地板輻射采暖設(shè)備。

2 對比房采暖系統(tǒng)的運行狀況、技術(shù)水平、能耗情況

以回龍觀云趣園二區(qū)10號樓4單元302室作為對比房，對比房和實驗房結(jié)構(gòu)相同，建筑面積122 m2，房體均設(shè)置內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。

對比房采用電熱膜作為采暖系統(tǒng)，每平方米電熱膜費用150元，采暖設(shè)備總投資150×122=18 300萬元。室溫設(shè)定為20 ℃。采暖對比數(shù)據(jù)典型日(8 d×24 h)，耗電量為301 kWh，換算成一個采暖期120 d為4 515 kWh，北京地區(qū)電費按0.48元/kWh計算，冬季采暖期費用為0.48×4 515=2167.2元。

3 節(jié)能改造系統(tǒng)及方案的選擇

3.1 系統(tǒng)方案的選擇

熱泵用少量高品位能將大部分低品位能提升為可用于采暖空調(diào)熱水供應(yīng)的能源，其效率大于1.0，是一種替代高位能源直接利用的裝置。

空氣源熱泵與水源熱泵、地源熱泵相比的優(yōu)點是：以空氣為熱源，清潔、可再生、可小型化的裝置。

實現(xiàn)空氣源熱泵在寒冷地區(qū)采暖的方案：

(1)通過降低熱泵機組的出水溫度，使壓縮機運行在可行的壓縮比內(nèi)。并保證較高的供熱效率及運行的穩(wěn)定性，采用空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)機組特點是分體式(防凍)，具有雙末端機即地板輻射采暖和風盤送風降溫。

(2)空氣源熱泵采暖系統(tǒng)技術(shù)。

①水溫的范圍：當?shù)孛婷鎸訛樘沾纱u時，維持室溫18 ℃，使用管材PEX-D20/16，管間距為200 mm，水溫35 ℃，可以提供的供熱量為90.4 W/m2，大于建筑的采暖負荷，所以水溫可以適當?shù)陀?5 ℃(按建設(shè)部節(jié)能標準，節(jié)能50%的建筑采暖負荷為54 W/m2)。

②當壓縮機出水溫度為35 ℃，其冷凝溫度為40 ℃左右，當環(huán)境溫度為-15 ℃，對應(yīng)的蒸發(fā)溫度為-20 ℃左右，其壓縮機的壓差小于1.4 MPa，是安全運行的范圍，并以樣本數(shù)據(jù)7P機為例，該壓縮機輸入功率為5 600 W(含水泵和風機)，機組輸出熱量為8 580 W，COP為1.53，即壓縮機工作在-15 ℃環(huán)境下，產(chǎn)生35 ℃的水，能效比為1.53。

③空氣源熱泵機組，經(jīng)中國家電所測試結(jié)果見表1。

表1 中國家電所檢驗結(jié)果

3.2 空氣源熱泵采暖技術(shù)介紹

空氣源熱泵采暖技術(shù)，以空氣源熱泵作為冷熱源，冬季與輻射地板結(jié)合用于采暖，借助電能從空氣中取熱、取冷，清潔、安全、節(jié)能。

空氣源熱泵與地板輻射技術(shù)結(jié)合時該系統(tǒng)由兩部分組成：

(1)空氣源熱泵機組

由室外機和室內(nèi)機兩部分組成，它在冬季作為熱源，提供熱水給地板輻射采暖。室外機與空氣進行熱交換，通過氟22介質(zhì)將冷熱傳送到室內(nèi)機，室內(nèi)機通過板式換熱器將氟22的冷熱轉(zhuǎn)化為冷熱水，由冷熱水在居室內(nèi)循環(huán)。這種設(shè)計優(yōu)點有：

①氟系統(tǒng)與水系統(tǒng)分別放在室外、室內(nèi)，避免冬季采暖時凍結(jié)隱患。

②室內(nèi)系統(tǒng)以水作為輸送冷熱的媒介，安全可靠，大大減少氟泄漏。

③壓縮機在室外，噪音小。

(2)地板輻射采暖

低溫熱水地板輻射采暖的工作原理是使加熱的低溫熱水流經(jīng)鋪設(shè)在地板層中的管道，并通過管壁的熱傳導對其周圍的混凝土地板加熱，低溫地板以輻射方式向室內(nèi)傳熱，從而達到舒適的采暖效果。

輻射地板一般由供暖埋管和覆蓋混凝土層構(gòu)成，基層為鋼筋混凝土樓板，上鋪高效保溫材料隔熱層，隔熱層上敷設(shè)塑鋁復合管，塑鋁復合管上鋪鋼筋加強網(wǎng)，其上為混凝土地面和裝修層。

該技術(shù)的主要特點是采用分體結(jié)構(gòu)和模塊設(shè)計，具有防凍、布置方便、噪聲小等優(yōu)點；整個系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制，可按需要分時段分室調(diào)控。

3.3 空氣源熱泵采暖技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

(1)關(guān)鍵技術(shù)

熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱，經(jīng)過電力做功，輸出高品位熱能的設(shè)備。如水源熱泵從16 ℃的井水中提取熱，經(jīng)電力壓縮機對循環(huán)工質(zhì)做功，可以達到輸出熱水溫度52 ℃，其輸出熱量與輸入電功率之比為3.51。這種熱水可以利用風機盤管向房間供暖。夏季又可利用同一裝置制冷，做到一機多用，即節(jié)省初投資，又節(jié)省運行費。在有條件提供地下水源的情況下，是一種理想的節(jié)能系統(tǒng)裝置。但在大部分城市地區(qū)，由于受到水源開采的限制，實際推廣過程中難度大。

另一類熱泵是以空氣為熱源，理論上可以不受資源限制，在任何地區(qū)運用。供熱是通過直接產(chǎn)生熱風或產(chǎn)生45 ℃熱水后再產(chǎn)生熱風實現(xiàn)的。在寒冷氣候下，選用低溫性能好的高效壓機的基礎(chǔ)上，降低冷凝溫度，選擇一種可行的末端采暖裝置配合使用。空氣源熱泵機組在氣溫-15 ℃下穩(wěn)定運行，通過向輻射地板采暖供出35～38 ℃左右的熱水，使得在寒冷地區(qū)的室內(nèi)溫度達到舒適要求，即18～20 ℃。在上述的氣溫、水溫條件下，熱泵的蒸發(fā)溫度至少是-20 ℃，蒸發(fā)壓力是1.455 kg/cm2，冷凝溫度是40～43 ℃，冷凝壓力是14.2～15.4 kg/cm2，即壓縮機的壓縮比為9.8～10.58。

空氣源熱泵研究所通過太陽能集熱器產(chǎn)生低溫熱水供輻射地板采暖，水溫30～40 ℃，可滿足北京地區(qū)冬季需求，輻射地板是一種配合氣源熱泵的散熱末端。

(2)創(chuàng)新點

①低溫性能好：壓縮機能夠保證系統(tǒng)-16 ℃正常運行。

②供熱效率較高：與地板輻射采暖匹配，利用35 ℃低品位熱，在0～-15 ℃的環(huán)境溫度下，COP平均達2.0以上，地板的蓄能作用使得系統(tǒng)可以利用白天的較高溫空氣，進一步提高系統(tǒng)供熱效果。

③分體結(jié)構(gòu)設(shè)計：氟系統(tǒng)和水系統(tǒng)分離，冬季防止凍結(jié)，室內(nèi)機體積小、噪音低。

④模塊設(shè)計：雙室外機可有效節(jié)能。用戶可以根據(jù)負荷的情況，運行單/雙機，解決能耗大的問題。

⑤使用220V民用電：8～16 kW大功率機組可以使用220 V民用電。

3.5 實驗房的實際運行狀況及現(xiàn)場監(jiān)測

實驗房為長安新城4號樓6單元0704室，公寓面積122 m2，做內(nèi)保溫。安裝使用了空氣源熱泵采暖系統(tǒng)設(shè)備FRS-12D機組一套：12D主機，地板輔設(shè)管線。機組額定輸入功率4.8 kW，制熱量為13.4 kW。地板埋管為PEX管，地板表面為木質(zhì)地板。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄表

通過累計數(shù)據(jù)統(tǒng)計，8 d×24 h用電量為137 kWh，換算成一個采暖期120 d為2 055 kWh，電費按0.48元/kWh計算，費用為0.48×2 055=986.4元。

5 節(jié)能量的測量

節(jié)能量的測量見表3。

表3 典型月實驗房與對比房的耗能量測試對比表

由上表可推，北京地區(qū)一個采暖期120 d，建筑面積為122 m2的住房，采用空氣源熱泵+地板輻射采暖，較電熱膜采暖要節(jié)電量為2 460 kWh，折合節(jié)熱量8 856 MJ。

6 項目節(jié)能效益及其它非能源效益

6.1 節(jié)能效益

空氣源熱泵采暖技術(shù)投入運行后，北京地區(qū)每年采暖期120 d，一套建筑面積為122 m2的住房，采用空氣源+地板輻射采暖，電費按0.48元/kWh計算，費用986.4元。采用電熱膜技術(shù)采暖，冬季采暖期費用為2 167.2元。前者年可節(jié)省采暖運行費用1 180.8元。

6.2 非能源效益

該系統(tǒng)投入運行后，年可節(jié)電量2 460 kWh，一年可減排碳含量561.13 kg(計算根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會節(jié)能信息傳播中心提供的減排標準，1噸標煤減排710.6千克碳)。

表3 住宅類建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)綜合比較表(以北京地區(qū)為例)

7 總投資及經(jīng)濟評價

7.1 投資回收期

不同采暖系統(tǒng)投資費用比較見表4。

表4 不同采暖系統(tǒng)投資費用比較表

在初投資上，空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)投資費用要高出對比房電熱膜采暖3 660元。運行費用上，年可節(jié)約1 180.8元，計算回收期為：

投資回收期=增加投資/年節(jié)約額=3 660/1 180.8=3.10年

項目可在3.10年即3.1個采暖期收回全部投資。

電的價格是影響投資回收期的主要因素，其關(guān)系如圖1所示。

表5 回收期—電價

圖1 電價影響回收期圖

根據(jù)我國現(xiàn)有的通漲情況，選擇貼現(xiàn)率8%，項目壽命期10年。

表5 凈現(xiàn)值計算表 元(RMB)

10年累計收益11 808元，折現(xiàn)值4 263.26元。

內(nèi)部收益率計算見表6。

表6 貼現(xiàn)率—凈現(xiàn)值關(guān)系圖 萬元(RMB)

圖2 貼現(xiàn)率—凈現(xiàn)值關(guān)系圖

計算內(nèi)部收益率IRR=29.90%，大于設(shè)定的期望利率，節(jié)能效益顯著。

8 適用對象

空氣源熱泵采暖技術(shù)采用輻射地板作為散熱末端后，擴大了風冷熱泵采暖的應(yīng)用領(lǐng)域，由夏熱冬冷地區(qū)推進到寒冷地區(qū)，使得在北方寒冷地區(qū)除了目前常規(guī)的燃煤、燃氣、燃油及電熱直接采暖方式外，又出現(xiàn)了一種新的采暖方式。

我國寒冷地區(qū)人口約3億，新系統(tǒng)的市場潛力大。系統(tǒng)初投資約180元/m2，在價位上適合中高檔住宅樓盤和別墅采用，因此在經(jīng)濟發(fā)達同時環(huán)保要求高的大中城市及沿海發(fā)達地區(qū)有著一定的市場。

此系統(tǒng)與寒冷地區(qū)其他常規(guī)采暖方式比較，也表現(xiàn)出自己的特點。在環(huán)保方面，采用R22型綠色制冷劑，借助電能從空氣中取熱，在居住小區(qū)內(nèi)不造成任何空氣污染，是一種清潔、安全的采暖系統(tǒng)；在節(jié)能方面，它綜合了空調(diào)的高效率和地板輻射采暖的舒適性特點，在環(huán)境溫度0～-15 ℃下，系統(tǒng)供熱效率COP平均達2.0以上。對于非節(jié)能建筑，在京津地區(qū)冬季運行費與燃煤采暖收費基本一致；對于節(jié)能建筑，在北京冬季運行費比北京市燃油、燃氣及電鍋爐采暖收費節(jié)省60%左右的費用，比燃煤采暖收費省37%左右的費用。

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Application of Air Source Heat Pump Floor Heating Technology in the Civil Residence

XIN Hong

(Energy Conservation Service Center of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China)

This article introduces the application of air source heat pump floor heating technology in the civil residence, and describes its working principle. This system is not only benefits to the energy conservation and environmental protection, but also provides the effective measures on aspects of improvement in energy structure and the others.

Air source heat pump; Energy conservation and environmental protection

2015-06-11

2015-07-10

辛宏(1983-)，女，畢業(yè)哈爾濱商業(yè)大學，國際經(jīng)濟貿(mào)易專業(yè)，現(xiàn)從事節(jié)能方面研究與測試工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.009

TU823.1

B

1009-3230(2015)08-0032-05