王玨

【摘要】高原地區(qū)由于氣候原因在供暖時應考慮使用低溫空氣源熱泵，并設置輔助熱源進行補充。本文以西藏自治區(qū)某醫(yī)院建筑為研究對象，通過對單一低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源供暖以及低溫空氣源熱泵+電加熱輔助供暖三種不同的熱源方案進行分析，對比其經濟效益、節(jié)能效益和環(huán)保效益，得出如下結論：低溫空氣源熱泵+太陽能系統(tǒng)與其他兩種方案相比費用年值最低，節(jié)能減排量最高，具有較好的經濟性和環(huán)保性。

【關鍵詞】低溫空氣源熱泵; 太陽能; 高原地區(qū); 節(jié)能減排

空氣源熱泵從室外空氣取熱，以電力作為驅動實現工質的熱力循環(huán)，具有較好的經濟性。由于其具有安裝使用方便、初投資較低、對環(huán)境污染較小等特點，適應可持續(xù)發(fā)展的要求，被廣泛應用于各類住宅及辦公建筑。

而對于高原高寒地區(qū)，如青藏高原腹心西藏自治區(qū)而言，其具有濕度低、氣壓低、氣溫低等顯著的高原寒冷地區(qū)氣候特點，使用傳統(tǒng)空氣源熱泵機組可能使得制熱量和能效比劇烈衰減，并出現結霜等問題，使得機組在高原高寒地區(qū)無法高效運行，難以滿足建筑內人員的冬季采暖需求。

低溫型空氣源熱泵機組便可有效解決上述問題，在-10℃～-30℃的環(huán)境溫度下也能實現穩(wěn)定高效地制熱，以取代其傳統(tǒng)的燃油、燃煤等取暖方式。解決了空氣源熱泵在低溫環(huán)境下工作的不足，這種技術的推廣對藏區(qū)能源結構調整、治理城市環(huán)境污染、解決電力結構性過剩、促進暖通空調的可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

1. 工作原理及技術特點

1.1工作原理

在冬季，溫度低于-5℃時，空氣源熱泵的室外換熱器中制冷劑的蒸發(fā)效果變差，造成吸入壓縮機的氣體減少，制冷劑的循環(huán)流量降低，使得熱泵的制熱效果不理想。噴氣增焓系統(tǒng)是現階段低溫空氣源熱泵運用較廣的一種技術方案，通過在傳統(tǒng)熱泵空調系統(tǒng)里增加一個經濟器回路，以此來提高制冷量和制熱量，同時提升整個熱泵系統(tǒng)的COP。實際工程中，帶有噴氣增焓系統(tǒng)的渦旋壓縮機，除常規(guī)的排氣口及吸氣口外，還增加了額外的蒸氣噴射口。熱泵機組工作過程中，制冷劑經冷凝器冷凝后，除主循環(huán)路線外還設置有噴射回路，其中的制冷劑經節(jié)流閥節(jié)流后變?yōu)橹袎簹?、液混合物，在經濟器內與主回路中的制冷劑發(fā)生熱交換。隨后，這部分氣液混合物吸熱后形成制冷劑蒸氣，通過蒸氣噴射口噴射到渦旋盤的中間腔，以增加制冷劑流量，從而解決了由于低溫下制冷劑循環(huán)流量不足而導致的制冷制熱量下降的問題，同時還可防止由于壓縮機排氣溫度過高引起的失效模式的發(fā)生[1]。

1.2技術特點

低溫空氣源熱泵系統(tǒng)作為新型環(huán)?？照{，存在著以下技術特點及優(yōu)勢：

1.2.1減少輔助電加熱器的使用

藏區(qū)長久以來多采用傳統(tǒng)的采暖方式，如燃煤，燃油采暖，不能很好地適應可持續(xù)發(fā)展的要求。但由于空氣源熱泵的工作特性，工程設計中常常需要增設輔助電加熱器來解決低溫環(huán)境下制熱量不足的問題，其往往加在室內水路或室內進風口前，這種方式不僅會增加初投資，還會使房間空調器吹出的熱風較為干燥、舒適感差。同時，由于冬季供暖不保證時間持續(xù)時間很短，備用熱源諸如輔助電加熱或者鍋爐房的存在對于建筑面積的使用而言十分不合理。而低溫空氣源熱泵能夠在-10℃～-30℃的大氣環(huán)境中長期高效、安全的運行，可以省去后備熱源，這樣從初投資費用來看具有極大優(yōu)勢。

1.2.2 COP值提升

使用噴氣增焓技術后，系統(tǒng)制冷劑的循環(huán)流量增加。經劉強[2]等研究人員測試，在蒸發(fā)溫度為-13℃，冷凝溫度為49℃，吸氣過熱11℃的運行狀態(tài)下，應用噴氣增焓技術，對于R22制冷劑，制熱量提高19%，COP提高9%，排氣溫度降低12%;對于R134a制冷劑，制熱量提高約24%，COP提高約16%，排氣溫度降低8%。整個機組可穩(wěn)定、高效地運行在低溫環(huán)境中。

2.復合系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中的應用

2.1工程概況

某醫(yī)院建筑位于西藏自治區(qū)，有著典型的高原寒冷地區(qū)氣候，根據建筑熱工氣候分區(qū)，該建筑處于寒冷地區(qū)。該醫(yī)院總建筑面積為33282.7m2，其中地上30516.02m2，地下2766.68m2，建筑共分為七層，高度達30.9m。

該工程由一棟七層門急診住院綜合樓、一棟三層辦公及倒班樓、一棟二層傳染病樓、一棟單層洗衣房及食堂、一棟單層制氧站及高壓氧艙和一棟單層污水處理站及垃圾暫存間組成。根據建筑使用功能、時間和空調負荷特點以及各空調區(qū)域的位置分布，該建筑門診、急診、住院樓及傳染病樓分別設置了集中空調系統(tǒng)。門診部分及其他大空間公共區(qū)域空調面積約為8567m2，空調熱負荷為556.8kW，熱指標為65W/m2;急診區(qū)及各住院病房空調面積約為10209m2，空調熱負荷達860.8kW，熱指標為85W/m2;傳染病樓空調面積1245m2，空調熱負荷208.4kW，熱指標略高，為167W/m2。

2.2 熱源方案

按照該地區(qū)的氣候特點，本建筑只設計冬季供熱中央空調系統(tǒng)，由于該地區(qū)既無天然氣，也不能采用燃油、燃煤供熱，只能采用電能作為空調熱源，最終選定采用大型空氣源熱泵機組作為中央空調的主要熱源。

考慮到西藏地區(qū)豐富的太陽能資源，擁有優(yōu)秀的環(huán)保效益和節(jié)能效益，可使用太陽能作為低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的輔助熱源。由于低溫時空氣源熱泵的制熱量會降低，且此時太陽輻射也較低，因此需要安裝蓄熱水箱來儲存熱量。空氣源熱泵+太陽能集熱器輔助熱源系統(tǒng)如圖2所示。

由于平板型太陽能集熱器運用最為普遍，且運行穩(wěn)定，結構簡單，受熱面積大，是作為輔助熱源的最佳類型之一，因此本系統(tǒng)中選用該類型。

由于項目坐落地區(qū)無天然氣，也無法采用燃煤、燃油鍋爐，考慮使用電加熱設備作為另一種形式的輔助熱源。電加熱設備具有易操作和控制，便于調節(jié)等優(yōu)點，且高原地區(qū)的電力供應主要是靠水力以及地熱發(fā)電，因此也可納入可再生能源范疇，屬于環(huán)保、優(yōu)質的輔助熱源類型。

為對比不同的冷熱源配置方案的優(yōu)劣及合理性，本文采用單低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源以及低溫空氣源熱泵+電加熱設備3種熱源方案進行對比分析。為盡可能降低其他因素影響，其中主要熱源均是同廠家同型號的低溫空氣源熱泵機組。具體方案設置如表1所示。

其中各方案熱源數量設置方法如下：

以該醫(yī)院建筑為例，該地區(qū)日平均溫度基本在-5℃～10℃之間。在進行低溫空氣源熱泵選取時，其額定制熱量是在環(huán)境溫度為7℃測得，因此在該建筑的設計工況下需對其制熱量按樣本給出方法進行修正。

如傳染病樓冬季空調依據計算熱負荷208.4kw，進行融霜修正后熱源選用3臺額定制熱量為68kW的低溫空氣源熱泵。但當室外溫度達到-8℃時，根據該型號熱泵的變工況性能，其制熱量降低為53.5kW，此時的熱泵實際制熱量低于建筑熱負荷，表明熱泵機組不足以完全提供建筑所需熱量，需輔助熱源進行共同制熱。

因此，以最低溫度、以最不利情況確定低溫空氣源熱泵制熱量，其余建筑所需熱量則全部由輔助熱源提供。以此種計算方法可得出各方案中主熱源與輔助熱源分別要提供的制熱量。具體數值將在2.3節(jié)中給出。

2.3 方案各項效益對比分析

2.3.1節(jié)能效益分析

該醫(yī)院建筑所在地區(qū)供暖時間為11月1日～3月20日，且醫(yī)院建筑工作時間為全天24小時。通過上述方法對該醫(yī)院建筑整個供暖季進行計算分析，得到各個方案的供暖數據如表2所示。

從圖2可以看出，方案2，即低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源供暖系統(tǒng)的PER和HSPF都是最高的，其中PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

綜合來看，方案2的節(jié)能效益最好，能源利用率最高;方案1由于單一空氣源熱泵在低溫下制熱量會降低，導致其PER最低，而方案3由于采用電加熱系統(tǒng)作為輔助熱源，HSPF最低，節(jié)能效益低。

2.3.2 經濟效益分析

費用年值是衡量投資經濟性的主要指標，將各方案整個運轉周期內的資金情況都納入考慮，以某一收益率為基礎，將初投資的資金值分攤到整個運轉周期的年運行費用里。它考慮了方案的初投資、年運行費用、年維護費用等，總費用最小的方案則為最優(yōu)[3]。

由圖3可以看出，以15年為使用年限的情況下，采用電加熱設備作為輔助熱源的方案3費用年值明顯高于其他方案，經濟性最差;方案2，即采用低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源，雖然初投資較高，但是運行費用明顯低于其他方案，因此其費用年值也最低，較方案1和方案3分別節(jié)約17.0%和27.5%，具有較好的經濟性。另外，不采用任何輔助熱源，僅使用低溫空氣源熱泵的方案1初投資費用最低，在建筑使用年限較短的前提下也可以考慮采用該方案。

2.3.3環(huán)保效益分析

按照產生1MWh電能消耗310kg標準煤，1kg標準煤燃燒產生2.47kg二氧化碳、0.02kg二氧化硫、0.01kg粉塵及0.04kg氮氧化物進行計算，各個方案在供暖季的主要環(huán)保參數對比如表6所示：

由表6可以看出，方案2的折算標準煤消耗量最少，其排放的各種有害其他氣體和粉塵也較方案1和方案3同比減少21.6%和32.6%，可見其節(jié)能效益突出。

3.結論

對西藏自治區(qū)某醫(yī)院建筑的三種熱源方案，即單一低溫空氣源熱泵供暖、低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源供暖及低溫空氣源熱泵+電加熱輔助供暖進行分析，對比了三個方案的節(jié)能性、經濟型和環(huán)保性，得到如下結論：

3.1不采用任何輔助熱源，僅使用低溫空氣源熱泵的初投資費用最低，運行費用適中，在項目使用年限較短時，可以考慮采用該方案。

3.2從節(jié)能性來看，低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源的節(jié)能效益最好，能源利用率最高。其一次能源利用率PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;供熱季節(jié)性能系數HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

3.3從經濟性來看，以15年為使用年限的情況下，采用電加熱設備作為輔助熱源經濟性最差;低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源，雖然初投資較高，但是運行費用明顯低于其他方案，因此其費用年值也最低，較方案1和方案3分別節(jié)約17.0%和27.5%，具有較好的經濟效益。

3.4從環(huán)保性來看，低溫空氣源熱泵+太陽能輔助熱源與其他方案相比節(jié)約標準煤量高達32.6%，同比例減少有害氣體排放量，環(huán)境效益突出。

參考文獻

[1]劉海波. EVI技術在低溫熱泵空調中的應用分析. 內燃機與配件，2018，17（117）：233-234

[2]劉強，樊水沖，何珊.噴氣增焓渦旋壓縮機在空氣源熱泵熱水器中的應用.第十三屆全國熱泵與系統(tǒng)節(jié)能技術大會論文集.北京市：中國制冷學會，2008.205-209

[3]李倩茹. 高原寒冷地區(qū)太陽能-空氣源熱泵復合供暖系統(tǒng)的應用研究：[學位論文]. 重慶大學，2018

[4]劉加平，武六元. 建筑節(jié)能與建筑設計中的新能源利用. 新能源及工藝，2001，2（7）：12-15

[5]李恩，劉加平. 緩沖空間對拉薩市居住建筑冬季采暖能耗的影響. 土木建筑與環(huán)境工程，2017，4（7）：40-47

（作者單位：1.重慶大學土木工程學院，2.重慶大學建筑規(guī)劃設計研究總院有限公司）

【中圖分類號】TU833.1

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）01-0064-04