劉婷 宓林 朱愷

摘要：本文首先介紹了北京市密云縣司馬臺新村采暖項目的概況和當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，考慮到低溫空氣源熱泵的優(yōu)點，以及保護(hù)水源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的因素，決定采用低溫空氣源熱泵供暖，并對低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計和熱負(fù)荷計算，然后進(jìn)行設(shè)備選型。系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，選取兩個采暖季和一個典型日，對典型房間的室內(nèi)外溫度進(jìn)行測量，結(jié)果令人滿意，村民們普遍反應(yīng)良好，最后對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，運(yùn)行費用在20元/㎡以下，低于城市集中供暖費用，老百姓完全能夠接受。在全國新農(nóng)村建設(shè)和城鎮(zhèn)化過程中低溫空氣源熱泵作為采暖和空調(diào)能源是值得推薦的。

關(guān)鍵詞：熱泵采暖；戶式低溫空氣源熱泵；地板輻射采暖；新農(nóng)村建設(shè)

中圖分類號：T254 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）20-0346-04

長期以來，我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭消耗為主，無論是發(fā)電行業(yè)，還是生產(chǎn)性企業(yè)，包括北方地區(qū)的供暖，都是以煤炭為主。巨大的煤炭消耗產(chǎn)生了大量的溫室氣體和粉塵，嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境。為應(yīng)對全球氣候的變化，國家把能源消耗強(qiáng)度降低和主要污染物排放總量減少確定為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的約束性指標(biāo)，北方地區(qū)以燃煤為主傳統(tǒng)供暖方式已經(jīng)不能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)可以從大氣環(huán)境中提取熱量，作為冬季供暖的熱源，在我國長江中下游以南地區(qū)一直有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，但常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)低溫制熱性能并不理想，存在室外蒸發(fā)器結(jié)霜、熱泵性能較低等問題。隨著低溫空氣源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化，使得空氣源熱泵系統(tǒng)可在低環(huán)境溫度下安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，低溫空氣源熱泵系統(tǒng)已成功應(yīng)用于北方地區(qū)冬季采暖。

1 司馬臺新村采暖熱源系統(tǒng)

1.1 項目概況

司馬臺新村位于北京市密云縣古北口鎮(zhèn)，是偏遠(yuǎn)山區(qū)，也是北京市水源保護(hù)區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和傳統(tǒng)文化展示區(qū)。北京市和密云縣政府把司馬臺新村列入新農(nóng)村建設(shè)重點項目，經(jīng)統(tǒng)一規(guī)劃改造，農(nóng)民搬新居，需要解決冬季采暖問題。

司馬臺新村工程總面積為77525㎡，共有121棟單位工程，計596戶。其中二層別墅107棟，有三種戶型，共316戶。A戶型（110㎡）73戶；B戶型（160㎡）197戶；C戶型（203㎡）46戶。多層建筑14棟，有4種戶型，共280戶。D戶型（74.06㎡）90戶；E戶型（88.3㎡）90戶；F戶型（105㎡）50戶；G戶型（122㎡）50戶。

1.2 當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)

年平均氣溫10～12℃，1月-7～-4℃，7月25～26℃。根據(jù)氣象參數(shù)顯示近5年內(nèi)，出現(xiàn)-20℃以下時間，累計48小時；-16℃以下時間，累計720小時。根據(jù)密云縣氣象局在離古北口鎮(zhèn)最近的上甸子觀察點測得的氣象數(shù)據(jù)如表1所示。

1.3 熱源選擇

為了選擇適用的采暖熱源，特列出常見熱源性能比較，見表2。司馬臺新村地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，無市政集中供暖管網(wǎng)，燃油或燃?xì)赓Y源不具備，無法在該項目上使用；電鍋爐因其能效極低，也不宜采用。從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和節(jié)能方面考慮，水、地源熱泵作為熱源是能效比最高的，但是密云縣特殊的地形地貌，陡峭起伏，溝壑陡深，給地源熱泵的施工造成很大障礙，更重要的是密云縣是北京市集中水源地，是禁止發(fā)展水源熱泵地區(qū)；所以水、地源熱泵也不能考慮。作為北京市的水源保護(hù)區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和傳統(tǒng)文化展示區(qū)，經(jīng)反復(fù)論證，最終決定采用低溫空氣源熱泵作為采暖熱源，低溫空氣源熱泵通過消耗少部分電能可獲得2.5～3.4倍的供熱量，一次能源利用率可達(dá)0.825～1.122，通過一次能源效率分析，低溫空氣源熱泵與直接電采暖相比，節(jié)能69%；與燃煤鍋爐相比，節(jié)能43%；與燃?xì)忮仩t相比，節(jié)能28.6%。

1.4 低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)

本方案結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境條件，低溫空氣源并結(jié)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效益，考慮到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民對于供暖操作系統(tǒng)的復(fù)雜性接受程度，綜合分析得出，本方案選用低溫空氣源熱泵+低溫水地板輻射采暖系統(tǒng)。

（1）低溫空氣源熱泵特點

太陽光的熱能被大氣吸收，空氣中貯存了無限量的不能直接利用的低溫?zé)崮?。人們利用逆卡諾原理，以極少的電能，用蒸發(fā)器吸取空氣中的低溫?zé)崮芤哉舭l(fā)傳熱工質(zhì)，工質(zhì)蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，壓力和溫度上升，高溫工質(zhì)蒸氣通過貯水箱外側(cè)環(huán)形管冷凝器時把熱量傳遞給貯水箱的水，工質(zhì)蒸氣冷凝成液體，通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器，然后再被蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)，把空氣中的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化后產(chǎn)生成熱水，用于室內(nèi)供熱采暖（制冷時將室內(nèi)熱量排放到室外空氣中）。

低溫空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢：1）適用范圍廣，性能穩(wěn)定：適用溫度范圍在-7℃至40℃，并且一年四季全天候使用，不受雨、雪等惡劣天氣和冬季夜晚低溫的影響，均可正常使用。2）運(yùn)行成本低，節(jié)能效果突出：投資回報期短，可節(jié)省70%的能源。3）環(huán)保型產(chǎn)品，無任何污染，無任何燃燒外排物，不會對人體造成損害，具有良好的社會效益。4）安全穩(wěn)定，使用方便：安全性能好，無任何隱患，占地空間很小，外形與空調(diào)室外機(jī)相似，可直接與供暖管網(wǎng)連接，適合于大中城市的高層建筑。5）使用壽命長、維護(hù)費用低：使用壽命長達(dá)15年以上，設(shè)備性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全，自動化程度高。

傳統(tǒng)的空氣源熱泵機(jī)組工作范圍較窄，當(dāng)冬季室外溫度低于-5℃時，機(jī)組的能效比和平穩(wěn)運(yùn)行性均受到較大影響，為了解決這一問題，本方案選用清華同方研制的低溫空氣源熱泵，只要環(huán)境溫度大于-22℃機(jī)組均能正常運(yùn)行。

（2）低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)特點

低溫地板輻射采暖是利用建筑物內(nèi)部地面作為輻射面進(jìn)行采暖的系統(tǒng)，將加熱盤管埋設(shè)于地板下，以30～60℃的熱水作為熱媒，在加熱盤管內(nèi)循環(huán)流動加熱地板，通過地面以輻射和對流的方式向室內(nèi)加熱，加熱室內(nèi)空氣，在室內(nèi)形成一個交互的輻射場，輻射換熱量通常占總換熱量的50%以上[1]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

低溫地板輻射采暖系統(tǒng)優(yōu)勢：1）高效節(jié)能：熱媒低溫傳送，在傳送過程中熱量損失小，熱效率高。2）環(huán)保、衛(wèi)生，健康保健：室內(nèi)地表溫度均勻，室溫由下而上隨著高度的增加溫度逐步下降，符合人的舒適感受；空氣中灰塵流動要小的多，減少了空氣中有害病菌的蔓延，室內(nèi)環(huán)境更加衛(wèi)生清潔。3）不占使用面積。4）使用壽命長，免維護(hù)，安全性能好，節(jié)約維修費用。

2 采暖方案設(shè)計

2.1 熱負(fù)荷計算

司馬臺新村建設(shè)中推廣新型建筑節(jié)能民居建設(shè)，外墻使用擠塑裝飾保溫板，窗體采用中空保溫玻璃鋼窗，建筑整體保溫性能良好。按照北京市節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃。由于司馬臺新村地處北京北部山區(qū)，冬季氣溫偏低，考慮到空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行會有衰減，熱泵機(jī)組選型時需將額定出力比設(shè)計負(fù)荷選大一些，在出力不足時需加輔助電加熱系統(tǒng)。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計算公式

（2）附加耗熱量計算公式

（3）通過門、窗縫隙的冷風(fēng)滲透耗熱量計算公式

（4）外門冷風(fēng)侵入耗熱量計算公式

通過計算得到各戶型的采暖熱負(fù)荷，見表3。

2.2 設(shè)備選型

根據(jù)不同的戶型，計算負(fù)荷大小，從而為每一戶居民家中選擇一套戶式低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)。系統(tǒng)加配輔助電加熱器。-18℃以上的天氣只靠熱泵機(jī)組運(yùn)行。-18℃以下時輔助電加熱器投入運(yùn)行。設(shè)備型號選擇情況見表4。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

空氣源熱泵系統(tǒng)由三部分組成：1）主機(jī)部分：戶式空氣源熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵；2）末端系統(tǒng)：地板采暖管線、閥門、分集水器、膨脹罐及補(bǔ)水定壓裝置；3）溫控系統(tǒng)：溫度傳感器及控制器等組成。系統(tǒng)原理見圖2。

3 系統(tǒng)運(yùn)行測試與分析

3.1采暖季運(yùn)行測試數(shù)據(jù)

本項目于2011年完成安裝調(diào)試，并投入使用。課題組對2011～2012年及2012～2013年兩個冬季低溫空氣源熱泵供暖情況進(jìn)行了測試。在這兩個供暖季中，低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)均安全、穩(wěn)定運(yùn)行，2012～2013采暖季遭遇了北京地區(qū)較寒冷的一個冬季，在室外溫度達(dá)到-20℃以下時，室內(nèi)溫度仍保持在18℃的設(shè)計溫度。

選取一棟二層別墅做為測試對象，并對其運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）典型房間采暖運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了弄清系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分別對典型房間的室內(nèi)溫度和室外環(huán)境溫度進(jìn)行了兩個采暖季的測試。典型房間選取最不利房間，分別對一層北側(cè)餐廳及二層北側(cè)臥室進(jìn)行測試，從而避免太陽輻射等因素對房間負(fù)荷的影響，同時盡量減少測試人員對房間溫度場、速度場的影響。測試時間分別選取0～2點、6～8點、12～14點、18～20點，將測得的四個典型時間段的平均溫度繪圖，就得出整個采暖季室內(nèi)溫度曲線和室外溫度曲線。見圖3。

從圖3可以看出，在兩個運(yùn)行采暖季內(nèi)，雖然室外環(huán)境溫度變化較大，但是室內(nèi)溫度基本保持穩(wěn)定，在-15℃環(huán)境溫度下仍然保持了很好的穩(wěn)定性。當(dāng)夜間氣溫降至-15℃以下時，室內(nèi)溫度也沒有出現(xiàn)較大波動，仍維持在18℃以上。

（2）典型房間典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步驗證供暖系統(tǒng)的供熱效果及其穩(wěn)定性，我們選取室外空氣溫度較低的2013年1月24日為典型日，當(dāng)天室外最低溫度為-16℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北京市市區(qū)冬季平均最低溫度，典型日典型房間溫度測量結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，在典型日一天之內(nèi)，室外環(huán)境溫度變化較大，但是室內(nèi)溫度基本保持穩(wěn)定，當(dāng)夜間氣溫降至-16℃以下時，室內(nèi)溫度也沒有出現(xiàn)較大波動，仍維持在20℃左右。

由此可以得出，即使環(huán)境溫度不斷變化，但是低溫空氣源熱泵系統(tǒng)仍然能保持安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，能保障村民家中的供暖需求。

3.2 采暖季運(yùn)行效果分析

（1）熱舒適性效果分析

對人體熱舒適性的研究表明：理想的溫度梯度應(yīng)該是頭部、胸部比足部略低一些，既所謂正向溫度梯度場，這符合我國中醫(yī)提倡的“溫足而涼頂”的理論。傳統(tǒng)的取暖方式，房間的頂部大約有30℃，而人體所處的位置尤其是腳部僅有15℃甚至更低。地板輻射散熱是最舒適的采暖方式，室內(nèi)地表溫度均勻，室溫由下而上隨著高度的增加溫度逐步下降，這種溫度曲線正好符合人的生理需求，給人以腳暖頭涼的舒適感受。

選取典型房間在典型日期間，測試房間不同高度處溫數(shù)據(jù)。分別選取房間內(nèi)0.1m、1.2m、1.8m高度處的溫度測點。測試結(jié)果如表5所示。

地板輻射采暖的加熱盤管敷設(shè)于房間地面，熱量由下向上傳遞，室內(nèi)溫度分布均勻，溫度梯度合理，通過房間內(nèi)分層溫度測試數(shù)據(jù)與室內(nèi)房間理想供熱曲線（圖5）的對比分析可知，冬季室內(nèi)溫度一般應(yīng)在16～22℃，達(dá)到Ⅱ級熱舒適，地板輻射供暖，室內(nèi)溫度應(yīng)為17～19℃[2]，這種溫度曲線符合人體生理需求，給人以腳暖頭涼的舒適感受。

（3）節(jié)能效果分析

1）低溫空氣源熱泵采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)有效提高低溫環(huán)境運(yùn)行能效

常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組在低溫環(huán)境下運(yùn)行，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，壓縮機(jī)的吸氣比容增大，導(dǎo)致進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑體積流量減少，系統(tǒng)制熱性能下降；壓縮機(jī)排氣溫度過高導(dǎo)致頻繁啟停，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；排氣溫度升高導(dǎo)致潤滑油粘度急劇下降，系統(tǒng)會出現(xiàn)回液、回油不正常的現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。低溫空氣源熱泵采用了補(bǔ)氣增焓技術(shù)，可有效解決常規(guī)空氣源熱泵在低環(huán)溫下運(yùn)行的問題，補(bǔ)氣增焓技術(shù)采用經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)，實現(xiàn)制冷制熱雙向補(bǔ)氣，在節(jié)流部分加設(shè)補(bǔ)氣回路，形成“準(zhǔn)二級壓縮”，提高熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的能效，解決熱泵機(jī)組在低環(huán)境溫度下高效制熱問題，保證機(jī)組在-20℃以上環(huán)境溫度正常工作，綜合部分符合性能系數(shù)（IPLV）≥2.4。采用補(bǔ)氣增焓技術(shù)能效比的改善效果十分明顯，均在0.2以上，相當(dāng)于空調(diào)器能效級提升一級。

2）地板輻射采暖系統(tǒng)蓄熱性能良好

地板輻射采暖地面層蓄熱量大，熱穩(wěn)定性好，在間歇供暖的條件下，室內(nèi)溫度變化緩慢。地板采暖將地面溫度均勻加熱，室溫自下而上逐漸遞減，室內(nèi)溫度變化緩慢，能較好保持室溫均衡。保溫性能良好的建筑，在20℃時停電停水，室內(nèi)溫度在12小時內(nèi)仍可保持18℃，使人不會有忽冷忽熱的感覺。低溫空氣源熱泵主機(jī)工作時間與環(huán)境溫度密切相關(guān)。3）地板輻射采暖、空氣源熱泵系統(tǒng)雙節(jié)能地板輻射采暖，可使人們同時感受到輻射溫度和空氣溫度的雙重效應(yīng)，其室內(nèi)溫度梯度比對流采暖時小，因而可以大大減少屋內(nèi)上部的熱損失，熱壓減少，冷風(fēng)滲透量也減小。地板輻射采暖的實感溫度比室內(nèi)溫度高出2～4℃ ，18℃的設(shè)計溫度可達(dá)到一般采暖22℃的采暖效果，在本項目中采用35℃的低溫?zé)崴?。室?nèi)外溫差減小，傳熱損失較少。住宅室內(nèi)溫度每降低4℃，可降低供熱能耗10%以上?？諝庠礋岜脵C(jī)組因為供水溫度降低，能效比提高，供水溫度每降低4℃，能效比提高10%以上，不同供水溫度下機(jī)組COP如圖6所示。采用低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖技術(shù)相比較其它空氣源熱泵供暖方式綜合節(jié)能率超過20%。

4）采用優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行策略

低溫空氣源熱泵機(jī)組搭配合適的末端采暖系統(tǒng)，在特定的環(huán)境溫度、特定的供回水溫度的設(shè)計工況下，可以保證良好的系統(tǒng)能效比，為了最大限度的降低系統(tǒng)運(yùn)行費用，需要一套好的的運(yùn)行策略。

在運(yùn)行時間內(nèi)，不僅自動檢測回水溫度，還自動檢測回水溫度變化率，實時跟蹤室內(nèi)負(fù)荷，自動調(diào)節(jié)機(jī)組的冷/熱量輸出，節(jié)能效果顯著，同時減少室內(nèi)溫度波動，提高舒適度。

為了保證機(jī)組在低溫環(huán)境下安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)采用熱泵和電加熱雙熱源方案，借助電加熱的輔助方式將熱水溫度加熱到需求溫度。先根據(jù)室外溫度信號和該溫度下的經(jīng)驗COP 判斷低溫空氣源熱泵能否高效運(yùn)行，如果熱泵在設(shè)定的出水溫度和室外溫度條件下不能高效運(yùn)行，則利用輔助電加熱系統(tǒng)加熱系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水，使得出水溫度達(dá)到設(shè)計要求。通過大量測試數(shù)據(jù)分析，為了最大限度的提高系統(tǒng)能效，降低運(yùn)行費用本項目設(shè)定為-18℃以上的天氣熱泵機(jī)組單獨運(yùn)行，-18℃以下的天氣電加熱器單獨運(yùn)行，控制策略如圖7所示。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 系統(tǒng)初投資

主機(jī)部分，約120元/㎡。地板采暖部分，約40～60元/㎡ 。整個系統(tǒng)造價合計，160～180元/㎡。這樣的初始投資，村民們可以接受。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行費用及能耗分析

由于本項目中采用的是戶式空氣源熱泵系統(tǒng)，每戶居民可根據(jù)自己的需求隨時開啟或關(guān)閉熱泵機(jī)組，各戶機(jī)組的運(yùn)行時間有差異，從而導(dǎo)致運(yùn)行費用略有不同，課題組挑選三個戶型的建筑，對運(yùn)行費用進(jìn)行分析。見表6。運(yùn)行費用低于20元/㎡，低于城市集中供暖費用，村民們樂意接受。

4.3與其他系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

5 節(jié)能效益分析

按照北京市供暖標(biāo)準(zhǔn)，“低溫空氣源熱泵+地板供暖系統(tǒng)”與“電鍋爐+地板輻射供暖”相比，可實現(xiàn)減排CO2 11.4噸，SO2105.0kg，粉塵3.0噸，節(jié)能減排效益顯著。

6 結(jié)論

隨著司馬臺新村冬季供暖工程的成功實施，驗證了低溫空氣源熱泵系統(tǒng)能在-20℃以上環(huán)境溫度正常工作，可取代傳統(tǒng)的供暖方式，一方面滿足用戶對舒適、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、調(diào)節(jié)使用方便的供暖服務(wù)的需求；另一方面可以解決集中供熱設(shè)施無法覆蓋，但有供熱需求場所的供暖問題。從資源依賴程度、環(huán)境友好程度、經(jīng)濟(jì)效益、舒適性等方面綜合考慮，“低溫空氣源熱泵+地板輻射采暖系統(tǒng)”適用于我國北方地區(qū)冬季采暖的推廣，實現(xiàn)為國節(jié)能、為民節(jié)資、環(huán)保舒適的目的。

參考文獻(xiàn)

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