王 強 中鐵十七局集團第二工程有限公司工程師

我國能源儲備量較大，但由于我國龐大的人口數(shù)量，人均占有量較低，所以開發(fā)新型環(huán)保能源及可再生能源具有重大意義。冷暖輻射地板系統(tǒng)具備節(jié)能降耗、舒適性強等特點，而空氣源熱泵系統(tǒng)能夠解決寒冷天氣、陰天等環(huán)境條件下的熱量供給不足問題，構(gòu)建冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的優(yōu)勢互補。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 冷暖系統(tǒng)

冷暖輻射地板系統(tǒng)利用高溫冷水作為冷媒、低溫?zé)崴鳛闊崦?，借助地面樓板上的碎石混凝土進(jìn)行地板溫度控制，從而形成可制熱或制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。主要分為室外地能收集系統(tǒng)(也就是俗稱的埋地?fù)Q熱器)、熱泵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和熱能使用終端系統(tǒng)。冷暖系統(tǒng)的優(yōu)點在于其兼顧了輻射供冷暖的特點，進(jìn)行獨特的氣候控制，不會出現(xiàn)污濁空氣對流，增加居住的舒適感。地表淺層地?zé)豳Y源的溫度常年較為穩(wěn)定,且冬季比地上的溫度高,夏季比地上的溫度低,能夠有效調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，且采暖室內(nèi)溫度場分布情況較為均勻，是一種天然的熱泵熱源和空調(diào)冷源。由于冷暖系統(tǒng)是將輻射作為供冷暖的主要方式，實際溫度會出現(xiàn)冬高夏低的情況，在建筑采暖設(shè)計環(huán)節(jié)可進(jìn)行3 ～4 ℃的適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整，這也能夠帶來25%左右的節(jié)能效益。在冷暖系統(tǒng)實際作業(yè)時，要考慮到土壤與水資源使用的成本差異，事先調(diào)查好當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，防止超出地下水抽取負(fù)荷,不僅無法完成尾水回灌，更會對生態(tài)環(huán)境造成破壞[1]。

1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)是一種將空氣作為熱泵低位熱源，進(jìn)而構(gòu)建建筑熱循環(huán)的熱泵系統(tǒng)，如圖1所示，其優(yōu)勢在于空氣資源“取之不盡”，且不會產(chǎn)生經(jīng)濟支出。空氣源熱泵系統(tǒng)雖然會消耗一定的高位能，但所供應(yīng)的冷熱量是消耗高位能與吸取低位能熱量的總和。相較于傳統(tǒng)太陽能直接供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其集熱器結(jié)構(gòu)較為簡單，建造成本較低，具備良好的經(jīng)濟效益。不過空氣源熱泵系統(tǒng)受環(huán)境的影響較為明顯，尤其在氣溫及熱流密度較低的地區(qū),空氣供能明顯不足，無法滿足人們?nèi)粘９┡蛏a(chǎn)生活的熱水需求[2]。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理示意圖

將空氣源熱泵系統(tǒng)中的冷熱源合一，不需要設(shè)置單獨的冷凍機房，也不需要燃燒供應(yīng)系統(tǒng)，不會對周圍生態(tài)環(huán)境造成影響。將收集到的空氣，以熱能的形式儲存在蓄熱器中進(jìn)行蓄能，并傳遞到保溫水箱中，以達(dá)到蓄熱的目的。在能源使用環(huán)節(jié)，若此階段的能源溫度不能使水溫維持在穩(wěn)定狀態(tài)，可以適當(dāng)配合輔助供熱系統(tǒng)，發(fā)揮其向蓄能水池供熱的功能。需要注意的是，空氣的溫度受季節(jié)、地域環(huán)境的影響較為明顯，單位熱容量較小，尤其在北方冬季，容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障。當(dāng)空氣源熱泵供能到達(dá)恒定值時，保溫水箱中的水溫與系統(tǒng)出水水溫之間的溫差較低，熱泵系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)效果較差，此時要停止機組運行并進(jìn)行除霜處理。

2 別墅的冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)安裝可行性分析

2.1 冷暖系統(tǒng)可行性分析

不同季節(jié)環(huán)境條件下，冷暖系統(tǒng)的進(jìn)水溫度要求也不同，冬季低溫環(huán)境下進(jìn)水溫度要控制在50 ～70 ℃；而夏季高溫環(huán)境下進(jìn)水溫度則應(yīng)控制在15 ～25 ℃。系統(tǒng)自身存在著極高的熱惰性，實際作業(yè)環(huán)節(jié)可以采用間歇運行的方式，即在冬季高溫或夏季低溫時段運行，保障用戶使用需求的同時，降低系統(tǒng)耗能。就熱泵自身角度而言，其制熱性能系數(shù)大于1，提供的熱量會永遠(yuǎn)大于消耗的功，其熱泵循環(huán)公式為逆卡諾循環(huán)：

式（1）中，εh為熱泵制熱性能系數(shù)，Th為高溫?zé)嵩礈囟龋琓a為低溫?zé)嵩礈囟取?/p>

根據(jù)公式可知，熱泵熱源溫度與系統(tǒng)供熱溫度之間的溫差直接影響著系統(tǒng)制熱性能，其制冷系數(shù)也會受到供水溫度的影響。通過提高熱泵運行效率，能夠有效降低冷暖系統(tǒng)的運行成本，實現(xiàn)節(jié)能的供熱目標(biāo)。

2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)可行性分析

環(huán)境溫度是影響空氣源熱泵系統(tǒng)工作效率的主要因素，所以其多適用于我國長江及黃河流域，在部分低溫條件下，其供熱性能會受到較大影響。因此，進(jìn)行空氣源熱泵系統(tǒng)的可行性分析，就需要強調(diào)在低溫條件下的工作性能升級措施。

其一，節(jié)流裝置設(shè)計?？諝庠礋岜美渌畽C組多采用熱力膨脹閥作為節(jié)流裝置，其受環(huán)境溫度影響較為明顯，在零下5 ℃的環(huán)境下，膨脹閥同熱泵系統(tǒng)之間的匹配性降低，整個系統(tǒng)的供熱效果會減少60%以上；在零下15 ℃的環(huán)境下，整個空氣源熱泵系統(tǒng)已基本失去供熱效果。對此，可以選擇反應(yīng)靈敏度好、控制精準(zhǔn)度高的電子膨脹閥，它能夠有效保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。同時契合壓縮機與室外換風(fēng)機，應(yīng)用變頻技術(shù)，提高電子膨脹閥在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。

其二，壓縮機裝置設(shè)計。合理使用壓縮機能夠有效提高低溫狀態(tài)下空氣源熱泵系統(tǒng)的運行效果，在室外條件符合工況標(biāo)準(zhǔn)時，可選擇1 級的壓縮運行模式：當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度過高，由2 臺壓縮機進(jìn)行并聯(lián)運行制冷；當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度過低，由2 臺壓縮機進(jìn)行串聯(lián)雙級壓縮運行供熱。實際施工環(huán)節(jié)中，應(yīng)選擇保溫性能較好的材料，能夠有效降低壓縮機的熱輻射，增強低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱能力，緩解潤滑油粘稠、蒸發(fā)壓力小等不利因素的影響效果。

其三，室外機結(jié)霜問題設(shè)計?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)運行過程中，室外機吸熱量不足是造成供熱性能下降的主要原因，因此完善室外機結(jié)霜問題設(shè)計，對于提高系統(tǒng)工作強度有著重要意義?？梢詾槭彝鈾C設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速檔，在正常環(huán)境狀態(tài)下使用低速運行檔，在低溫環(huán)境條件下使用高速運行檔，結(jié)合親水處理技術(shù)，降低凝結(jié)水及風(fēng)阻力的影響，進(jìn)而提高室外機的空氣流量，增強系統(tǒng)供熱效果。針對室外機結(jié)霜問題，可以在將融霜電磁閥串聯(lián)到系統(tǒng)高、低壓之間，在融霜環(huán)境下打開系統(tǒng)電磁閥，輸送25%左右的流量到低壓側(cè)進(jìn)行壓制，并建立起能夠推動高溫氣體流動的系統(tǒng)高壓，快速去霜后持續(xù)完成熱循環(huán)，保證空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱水平[3]。

2.3 冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)

以某別墅施工建設(shè)項目的供冷暖系統(tǒng)為例，該項建筑項目位于陜西省寶雞市太白縣太白大道與湯峪二路交叉口東南角，建筑總面積約為33153.62 m2，一共有26棟商業(yè)綜合樓，據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)?shù)叵募咀罡邷囟葹?7 ℃，冬季最低溫度為零下10℃。項目結(jié)合冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)，在夏天進(jìn)行制冷時，空調(diào)回水經(jīng)過換熱器把溫度傳給加熱水箱，加熱生活用水的同時，也降低空調(diào)回水溫度。而在冬天，空氣源熱泵系統(tǒng)提供熱量供給，當(dāng)空調(diào)回到正常水溫時，系統(tǒng)恢復(fù)冷暖系統(tǒng)。冬季空氣源熱泵提供的熱水溫度剛好滿足地板輻射冷暖系統(tǒng)的進(jìn)水溫度要求，而夏季則適當(dāng)提高進(jìn)水溫度，為聯(lián)合系統(tǒng)運行提供條件。其工作原理為：室外溫度較高時，不同的冷暖系統(tǒng)進(jìn)水溫度與機組COP 值成正相關(guān)，并隨著冷凝器溫度降低，機組COP 值增大，達(dá)到制冷效果。室外溫度較低時，若不用空氣源熱泵作為輔助熱源的條件下，冷暖系統(tǒng)由于長時間的運行，使得機組蒸發(fā)器側(cè)的溫度維持在1 ℃左右，此時機組COP 值較低，借助空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)供熱溫度在21 ℃以上，機組COP 值在4.1 以上，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)熱效果。

需要注意的是，由于當(dāng)?shù)乜諝鉂穸容^大，在夏季采用冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行別墅地板供冷作業(yè)時，可能因為供水溫度過低出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。在實際安裝環(huán)節(jié)，要結(jié)合施工環(huán)境的氣候條件，調(diào)整系統(tǒng)工作效率，必要時可增設(shè)除濕裝置或增強新風(fēng)系統(tǒng)工作效率來增強供冷量，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

3 結(jié)論

在建筑項目施工設(shè)計環(huán)節(jié)，冷暖系統(tǒng)及空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點較為明顯，構(gòu)建冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)，能夠發(fā)揮二者的優(yōu)勢。將其應(yīng)用于別墅工程中，能夠有效增強室內(nèi)供冷暖性能，滿足別墅用戶對其功能性、節(jié)能性、舒適性等方面的要求。