孟凡剛 曹瑞林

MENG Fangang1 CAO Ruilin2

1.青島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266103；

2.中國家用電器研究院 北京 100053

1.Qingdao Economic and Technological Development Zone Haier Water Heater Co., Ltd. Qingdao 266103;2.China Household Electric Appliance Research Institute Beijing 100053

1 引言

隨著人們生活水平的提高，尋求一種更為舒適且節(jié)能的采暖系統(tǒng)有著良好的社會效益和經(jīng)濟效益。熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，因此熱泵技術具有高效節(jié)能的特點，同時在解決環(huán)境污染問題上也有重要的作用?？諝庠礋岜檬菬岜玫囊环N，空氣源熱泵用于采暖已經(jīng)得到了實際應用。龐衛(wèi)科[1]等分析了適用于我國農(nóng)村地區(qū)的低溫空氣源熱泵采暖技術；吳衛(wèi)平[2]等研究了低溫空氣源熱泵采暖在北京農(nóng)村的適用性；陳曉寧[3]等分析了低溫環(huán)境下戶式變頻空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)性能；馬最良[4]等分析了空氣源熱泵機組在我國西北地區(qū)應用的可行性；沈煒[5]等對北方地區(qū)應用空氣源熱泵的經(jīng)濟性進行了評價；李文哲[6]介紹了京津地區(qū)地區(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)的可行性。通過以上研究，驗證了空氣源熱泵機組在低溫下運行的可行性，為空氣源熱泵采暖的應用提供了廣闊的市場。

空氣源熱泵采暖是一個系統(tǒng)工程，既包括熱量的提取，也包括熱量的輸送以及末端換熱?？諝庠礋岜糜糜诓膳猛?，不同形式的換熱末端對熱源的供水溫度有不同的要求，本文對不同形式熱源進行了經(jīng)濟性對比分析，結(jié)合空氣源采暖熱泵的熱水輸出范圍（41～50）℃，與地板輻射采暖換熱所需（40～45）℃熱源相匹配，并有一定溫度冗余，提供了熱泵采暖系統(tǒng)原理圖和熱泵采暖制冷雙模式工作的原理圖，對于家用采暖系統(tǒng)的選型和采暖制冷聯(lián)合解決方案有一定參考價值。

2 不同采暖熱源經(jīng)濟性對比分析

2.1 家用熱水需求簡介

熱水在家庭生活中主要用于日常洗浴、廚房清洗、衣服洗滌、衛(wèi)生清掃，以及室內(nèi)采暖需求，不同的需求對應不同的水溫，其中洗手、洗臉水溫為（20～40）℃；淋浴和浴缸熱水水溫40℃；果蔬和食物洗滌溫度一般為（20～40）℃；衣物洗滌熱水溫度一般為（30～35）℃；室內(nèi)衛(wèi)生用水溫度一般為（20～40）℃；室內(nèi)采暖溫度（35～55）℃；如果采暖熱源溫度控制在（40～45）℃，那么家用生活熱水就可以用統(tǒng)一熱源了。在家庭用水中，采暖用熱占比最大，下面就以采暖熱源作為重點，進行對比分析。

2.2 采暖熱源經(jīng)濟性比較

采暖需求所需能源熱值最大，對水溫要求高，滿足了采暖需求，其他的生活熱水需求基本可以滿足?？諝庠礋岜秒m然一次性投資較高，但北京、河北、山西、山東等地均推出了財政補貼政策，很好得解決了一次性投資高的問題。2016年12月底，國家發(fā)改委、科技部、工信部等十三部委聯(lián)合印發(fā)了《“十三五”全民節(jié)能行動計劃》，其中明確提出要鼓勵推廣空氣源熱泵。以北京為例，2016年北京大力推廣空氣源熱泵，針對安裝空氣源熱泵的農(nóng)戶，按照市財政1.2萬元每戶，區(qū)財政0.6萬元到1.2萬元每戶進行補貼，同時每個采暖季夜間10000度電每度補貼0.1元的運行費用。

山西省也出臺了《推進城鄉(xiāng)采暖“煤改電”試點工作實施方案》，成為繼北京、河北之后，第三個明確十三五期間的“減煤換煤、清潔空氣”計劃目標和進程的省市。方案中指出：對安裝高效節(jié)能電采暖設備的居民用戶，設備購置費用由省、市兩級財政各補貼三分之一，兩級補貼總額最高不超過20000元/戶；省、市兩級財政對采暖季低谷時段電價各補貼0.1元/度，每個采暖季每戶補貼最高不超過12000度用電量[7]。

本文以北京地區(qū)為例，僅分析采暖運行費用。建筑面積100m2，采用地板輻射采暖，供水水溫45℃，供熱天數(shù)120天，建筑物能耗按照42.5W/m2，能源價格按照北京市發(fā)展和改革委員會現(xiàn)行公布的價格計算，通過對燃氣鍋爐、電熱水器采暖、太陽能熱水器采暖、空氣源熱泵采暖進行經(jīng)濟性和安全性分析，比對結(jié)果如表1所示。

通過比較，不同熱源運行成本由高到低：電熱水器>燃氣鍋爐>太陽能熱水器>空氣源熱泵?？諝庠礋岜貌膳谶\行成本為2361元，在四種熱源中成本最低。北京城市熱網(wǎng)供熱的價格為每建筑平方米30元，每年供熱的費用為100m2×30元/m3=3000元，熱泵采暖的經(jīng)濟性優(yōu)于市政集中供熱，對于上班族等非全天采暖需求用戶，通過定時啟動、APP遠程控制等方案，還可以進一步降低運行成本。

空氣源熱泵具有對環(huán)境友好，安裝場地適應性強，安全性好，能源效率高等特點，對于無集中供熱資源的地區(qū)是首選熱源。

3 不同形式換熱末端采暖方式比較

確定采暖熱源后，換熱末端的選擇也非常關鍵，不同的換熱末端對熱源供水溫度要求不同，對比分析如表2所示。

從表2可以看出，地板輻射供熱對水溫要求低，從下部供熱與采暖期人體體溫需求相符，符合人體功效學原理，也符合熱量從地面向上對流原理，優(yōu)勢比較明顯，人體熱舒適性高。地板輻射供暖、風機盤管供暖、散熱器供暖三種末端，有著不同的導熱方式和節(jié)能熱舒適性，同時對室外側(cè)提供的熱水溫度的要求也是不同的，而空氣源熱泵提供的熱水溫度越高，COP值越低，其運行費用越高。從人體熱舒適性和運行成本考慮，應優(yōu)選地板輻射供熱形式。

4 采暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性

隨著熱泵技術的發(fā)展，變頻技術、雙機壓縮循環(huán)、補氣增焓技術等發(fā)展迅速，提升了空調(diào)源熱泵產(chǎn)品的能效，但在低溫環(huán)境下仍有化霜問題，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，空氣源熱泵采暖系統(tǒng)中需配置熱水箱，熱水箱內(nèi)置電加熱管，作為輔助熱源解決空氣源熱泵化霜帶來的制熱量下降問題，以及在極端天氣下熱泵能效下降和建筑物散熱增加帶來的用戶體驗問題。

表1 不同熱源運行典型數(shù)據(jù)比較

表2 不同換熱末端對比分析

圖2空氣源系統(tǒng)供暖和制冷雙模式原理圖

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)原理圖如圖1所示，用水作為熱量輸送介質(zhì)，配置熱水箱，采暖采用地板輻射供熱，熱水箱內(nèi)有電加熱管?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)可以滿足輻射地板供熱需求，同時可以提供生活熱水。

在冬冷夏熱地區(qū)，無論是冬季采暖還是夏季制冷，都存在采暖和制冷裝置只能單季節(jié)運行，裝置利用率低的問題。如果利用一套空氣源熱泵系統(tǒng)，冬季空氣源熱泵運行供暖模式，夏季運行制冷模式，可以大大提高空氣源熱泵的利用率。

在冬冷夏熱地區(qū)，冬季有采暖需求，夏季有制冷需求，空氣源熱泵系統(tǒng)增加必要配置后，有供暖和供冷兩種模式，同時可以提供生活熱水。室內(nèi)安裝風機盤管，在夏季供冷時采用風機盤管給房間制冷，冷氣從房間頂部向下對流，提高了人體舒適度，同時避免輻射地板制冷帶來的熱量交換不足及冷凝水排放問題，在房屋裝修初期一并安裝，可以較好的解決多種生活需求問題。

空氣源系統(tǒng)供暖和制冷雙模式原理圖如圖2所示，用水作為熱量輸送介質(zhì)，用冷凍液作為冷量輸送介質(zhì)，配置熱水箱和冷液箱，熱水箱內(nèi)有電加熱管，采暖采用地板輻射供熱，制冷采用風機盤管系統(tǒng)，利用水閥實現(xiàn)供熱和供冷模式切換。在冬季供熱時，閥1、閥2、閥3、閥4打開；閥5、閥6、閥7、閥8關閉；在夏季供冷時，閥1、閥2、閥3、閥4關閉，閥5、閥6、閥7、閥8打開。

熱水箱內(nèi)換熱介質(zhì)為純水，可以有效解決系統(tǒng)結(jié)垢問題；冷液箱內(nèi)換熱介質(zhì)為冷凍液（如水-乙二醇溶液）。熱水箱除了滿足采暖需求外，同時可以滿足生活熱水需求，生活熱水在供熱和供冷兩種模式下，都可以提供生活熱水。

一套空氣源熱泵機組同時解決了冬季采暖和夏季制冷需求，也解決了生活熱水供應，空氣源熱泵系統(tǒng)的利用效率大大增加。在夏季供冷模式中，蒸發(fā)側(cè)冷量用于房間制冷，冷凝側(cè)能熱量用于生活熱水，空氣源熱泵系統(tǒng)運行熱效率高于單側(cè)用能，能源利用效率大大提高。在空氣源熱泵系統(tǒng)中采用必要的控制策略，可以進一步降低系統(tǒng)運行成本，如在保證室內(nèi)溫度的前提下，控制空氣源熱泵隨室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度，研究結(jié)果表明該控制策略相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵定供水溫度控制策略，采暖季系統(tǒng)可節(jié)能16.7%[8]。

5 結(jié)論

空氣源熱泵作為一種采暖熱源，其經(jīng)濟性優(yōu)于燃氣鍋爐、太陽能熱水器、電熱水器以及市政集中供熱。采暖換熱末端采用地板輻射換熱時人體舒適性最好，對供熱熱源溫度要求低，采暖運行溫度與空氣源熱泵熱水器供熱范圍高度契合。

在采暖選型鎖定空氣源熱泵后，結(jié)合夏季制冷需求，冬季采用熱泵+熱水箱+地板輻射供暖，夏季采用熱泵+冷液箱+風機盤管制冷，結(jié)合房屋裝修一并配置，用一套空氣源熱泵機組可以實現(xiàn)冬季取暖、夏季制冷和熱水供應的日常生活需求，對于家用及類似用途的產(chǎn)品組合選型有一定的參考價值。