王屹航，耿 杰，馬栓寶，宓 林，張 肖，任 瑩，楊海勇，李 一

（清華大學(xué) 基建規(guī)劃處，北京 100084）

近年來(lái)，能源消耗日益加劇，碳中和、碳達(dá)峰已成為世界各國(guó)聚焦關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。2020 年，我國(guó)提出2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和節(jié)能減排目標(biāo)[1]。目前，我國(guó)建筑能耗大概占整個(gè)社會(huì)總耗能的30%[2]。相關(guān)探索指出，民用建筑的最大熱水耗能約占建筑總耗能的兩成[3]，商業(yè)建筑的最大熱水耗能更是可達(dá)到建筑總耗能的四成[4]。隨著未來(lái)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和人民美好生活需要的持續(xù)增加，生活中的熱水使用將不可避免地增加，因此減少能源資源的浪費(fèi)，尋求科學(xué)的熱水供應(yīng)方式將是降耗節(jié)能、實(shí)現(xiàn)碳中和的重要支撐[5]。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有環(huán)保性顯著、初始投資低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是能效比最高的熱水設(shè)備之一。其利用較少的電能消耗作為驅(qū)動(dòng)力，將空氣中無(wú)窮無(wú)盡的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可供給高溫?zé)嵩吹母咂肺粺崮?，并通過(guò)換熱器給進(jìn)水加熱，達(dá)到供給熱水的目的?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)利用了空氣中無(wú)限大的低品位熱能，能源利用率更高，通常每消耗1 kW 的電能就可以從空氣中吸收2～6 kW 的低品位熱能，顯著地降低了熱水制備的總能耗，并且相比較傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t等方式，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體過(guò)程無(wú)空氣污染、碳排放量低、安全、環(huán)保，因此具有較為廣闊的應(yīng)用前景，將會(huì)為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的節(jié)能減排目標(biāo)提供有力的支持[6-9]。

本文對(duì)空氣源熱泵特點(diǎn)、原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并基于清華大學(xué)3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍加固修繕項(xiàng)目生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，將空氣源熱泵與傳統(tǒng)生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比與經(jīng)濟(jì)性分析，分析結(jié)果表明，除極端天氣情況外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是項(xiàng)目工況的最優(yōu)選擇，可以做到節(jié)能、降耗與安全、可靠并重，因此此次設(shè)備選型對(duì)于未來(lái)北方地區(qū)生活熱水系統(tǒng)改造，集中供給熱水、暖氣提供了可靠的案例經(jīng)驗(yàn)與思路。同時(shí)本文結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，成功在安裝過(guò)程中解決了空氣源熱泵系統(tǒng)的噪音震動(dòng)問(wèn)題，為后續(xù)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的成熟發(fā)展與推廣奠定基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目概況

3 號(hào)樓和4 號(hào)樓的學(xué)生宿舍（如圖1 所示）在清華大學(xué)的中心，屬于解放后建設(shè)的第一批教師宿舍，后改為學(xué)生宿舍，同期建成的教師宿舍共4 棟為1-4 號(hào)樓，由著名建筑學(xué)家梁思成設(shè)計(jì)。從上空俯視1-4 號(hào)樓呈兩個(gè)回字形，建筑樣式古樸、極具中式建筑風(fēng)格。此次加固修繕項(xiàng)目?jī)H包括其中的3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍，主要為提升老樓配套基礎(chǔ)設(shè)施，保障學(xué)生學(xué)習(xí)生活的環(huán)境質(zhì)量。

圖1 清華大學(xué)3 號(hào)和4 號(hào)學(xué)生宿舍樓

3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍加固修繕項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用集中生活熱水系統(tǒng)，由于學(xué)生宿舍有防火要求，項(xiàng)目無(wú)法使用燃?xì)?、燃煤鍋爐，同時(shí)由于周邊無(wú)配套集中供熱管線，宿舍樓無(wú)法與集中供熱水管路相連，并且樓宇周邊無(wú)配套大功率供電基礎(chǔ)，該項(xiàng)目無(wú)法使用電鍋爐與即熱式電熱水器。在保證工程順利進(jìn)展、宿舍房間充分保留的前提下，通過(guò)調(diào)研與設(shè)備選型，最終采用空氣源熱泵熱水機(jī)組為宿舍熱水系統(tǒng)提供熱水熱源，如圖2 所示。

圖2 空氣源熱泵

2 空氣源熱泵特點(diǎn)與原理

2.1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作原理

空氣源熱泵使用條件靈活，安裝方便，投資較低，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，了解空氣源熱泵的工作原理與系統(tǒng)組成將會(huì)對(duì)不同工況下推廣使用空氣源熱泵有重要意義。

空氣源熱泵與普通空調(diào)器類似，都遵循逆卡諾循環(huán)，通過(guò)能量供給將低品位熱能提升為高品位熱能供給給高溫?zé)嵩矗瑯右舶ㄒ话闶褂玫摹八拇蠹保海?）壓縮機(jī)；（2）膨脹閥；（3）冷凝器；（4）蒸發(fā)器。然而，熱泵與空調(diào)之間的區(qū)別是，供熱系數(shù)始終大于1。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)整體工作過(guò)程如圖3 所示，其中空氣源熱泵端工作流程具體如下。

圖3 空氣動(dòng)力原理熱能泵熱水系統(tǒng)泵

第一，低溫和液體壓力的降低會(huì)使蒸發(fā)的空氣中的熱能持續(xù)低強(qiáng)度地吸收，從液體變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w。

第二，低溫低壓的氣體工作介質(zhì)在壓縮機(jī)的作用下變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，具有可供給高溫?zé)嵩吹母咂肺粺崮埽▋H此過(guò)程需要消耗電能做功）。

第三，高溫高壓氣體工作介質(zhì)通過(guò)冷凝器散熱，成為低溫和高壓液體工作介質(zhì)，同時(shí)加熱冷凝器殼體內(nèi)冷水，提高水溫。

第四，高壓低溫的液體工質(zhì)會(huì)經(jīng)過(guò)膨脹閥，進(jìn)行降壓處理，重新成為低溫低壓的液體工質(zhì)，并再次經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器重復(fù)上述工作流程，周而復(fù)始，不斷循環(huán)。

在空氣源熱泵的整體作業(yè)過(guò)程中，工作介質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及膨脹閥連續(xù)流動(dòng)、循環(huán)，通過(guò)蒸發(fā)器從空氣中獲取低品位熱能，通過(guò)冷凝器對(duì)外部進(jìn)水進(jìn)行加熱釋放熱量，整體工作流程不斷循環(huán)，直至低溫進(jìn)水被加熱到設(shè)定溫度[2，10-12]?？梢?，在空氣源熱泵整體循環(huán)過(guò)程中僅有壓縮機(jī)工作時(shí)需要消耗電能提升工質(zhì)溫度與壓力，其余能量都來(lái)源于無(wú)限大的空氣能源。研究表明，理想情況下空氣源熱泵消耗1 倍電能可以從空氣中得到3 倍的能量，其節(jié)能效果超群[11，13-14]。

2.2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的分類

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中水的加熱方式有兩種，分別是即熱式與貯水式。即熱式加熱是利用冷凝器的殼體直接作為貯水容器，使用過(guò)程中，低溫進(jìn)水將會(huì)直接在冷凝器殼體中被加熱，當(dāng)水溫上升到規(guī)定溫度時(shí)，熱水從水的出口流出，冷水從水的入口自動(dòng)補(bǔ)充。即熱式加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要適用于家用的小型熱水器。貯水式加熱方式是在冷凝器殼體外單獨(dú)設(shè)置一個(gè)貯水箱，低溫冷水通過(guò)水泵不斷從貯水箱流入冷凝器下部進(jìn)水口，經(jīng)冷凝器加熱后由上部流出回到貯水箱，貯水式加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要適用于工業(yè)或大型建筑的集中熱水供應(yīng)[6，10]。

空氣源熱泵熱水供給系統(tǒng)集中熱水供給的加熱模式可以分為直接加熱模式和循環(huán)模式兩種類型。其中，直接加熱空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為了直接加熱，向空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的熱泵端泵入冷水，水溫達(dá)到設(shè)定的溫度后，向供水儲(chǔ)存和隔熱箱泵入熱水；循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是將進(jìn)水直接輸送到保溫水箱，然后讓冷水在水箱與熱泵機(jī)組間不斷泵送不斷加熱，直到達(dá)到設(shè)定溫度后停止往復(fù)過(guò)程。循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可分為連續(xù)循環(huán)式加熱系統(tǒng)與間接循環(huán)式加熱系統(tǒng)，其最大區(qū)別在于系統(tǒng)水箱設(shè)置的數(shù)量，間接式循環(huán)加熱系統(tǒng)需要設(shè)置2 個(gè)保溫水箱，需要先讓冷水在小水箱與熱水系統(tǒng)空氣源熱泵主機(jī)端之間進(jìn)行循環(huán)加熱，當(dāng)熱水達(dá)到既定溫度后再由水泵泵送至大的保溫水箱儲(chǔ)存。

直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的加熱能力更強(qiáng)，具有一定的即時(shí)加熱功能，主要應(yīng)用于建筑規(guī)模較小、用水量需求較大的工程；循環(huán)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)更加穩(wěn)定，加熱時(shí)間更短，但不具備即時(shí)加熱能力，使用時(shí)需要提前啟動(dòng)設(shè)備加熱保溫水箱內(nèi)的水。

2.3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比在環(huán)保性、節(jié)能性、安全性、可靠性等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

（1）節(jié)能方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能效比恒大于1，一般工況下能效比也可達(dá)到3～4，相比電加熱鍋爐與燃料鍋爐等傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)能效比更高，能耗更低。

（2）環(huán)保方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)無(wú)直接排放，無(wú)環(huán)境污染，相比傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)綜合碳排放量更低，環(huán)保性更強(qiáng)。

（3）安全方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)通過(guò)制冷工質(zhì)與冷水進(jìn)行熱交換，水、電分離，不存在漏電等安全隱患，與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)和即熱式電熱水器相比，安全性更高。

（4）可靠性方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)無(wú)需傳統(tǒng)燃料，不受燃料供應(yīng)限制，除極端天氣外，受天氣影響較小，可實(shí)現(xiàn)全年無(wú)休，全天24 h 的持續(xù)性安全運(yùn)行。

除上述優(yōu)勢(shì)外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)還具備安裝簡(jiǎn)便、配套基礎(chǔ)設(shè)施要求低、初期投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)也有其無(wú)法回避的缺點(diǎn)，一是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)受室外空氣影響較大，研究表明當(dāng)室外溫度處于-6～5℃之間時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)室外換熱器易出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題，導(dǎo)致整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低，結(jié)霜嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)影響整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[15-16]；二是目前市場(chǎng)對(duì)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的認(rèn)知與認(rèn)可程度不足，一定程度上限制了空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的發(fā)展與推廣。

2.4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)引起了很多專家學(xué)者的關(guān)注，其經(jīng)濟(jì)性分析工作也已經(jīng)有很多工作成果。

孫干[5]結(jié)合北京市相關(guān)環(huán)保政策，對(duì)目前各種供熱方式的二氧化碳排放量、系統(tǒng)熱效率、初始投資與綜合運(yùn)行成本進(jìn)行了對(duì)比分析，見表1。就供暖系統(tǒng)而言，熱泵系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本與初始投資相對(duì)較高，但二氧化碳排放量較低，環(huán)保效果顯著；天然氣系統(tǒng)成本相對(duì)較低，但環(huán)保性較差；中深層地?zé)崮苄П蕊@著，補(bǔ)貼后運(yùn)行成本較低，具有很長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，但是周邊配套設(shè)施需要完善，不利于應(yīng)用在簡(jiǎn)單改造項(xiàng)目中。

表1 不同供熱方式的碳排放、熱效率及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析[5]

車國(guó)平[17]基于大連地區(qū)使用的空氣源熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)北方寒冷地區(qū)工況下空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用的情況進(jìn)行了綜合性能分析。分析結(jié)果顯示，北方寒冷地區(qū)針對(duì)不同工況下合理進(jìn)行空氣源熱泵制熱系統(tǒng)設(shè)備選型，它能夠滿足用戶的需求，并具有明顯的環(huán)境保護(hù)性能。

封海輝等[18]人通過(guò)計(jì)算高校公共浴室空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的能效比，對(duì)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)集中熱水供應(yīng)的實(shí)際工況進(jìn)行了參數(shù)分析，比較了傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗與綜合運(yùn)行成本。相關(guān)探索指出，在成都地區(qū)的普通工況下使用空氣源熱泵熱水機(jī)組，只需要花費(fèi)較低的運(yùn)行費(fèi)用就可以得到較高的能源效率，經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效果顯著。

本文基于清華大學(xué)3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍加固改造項(xiàng)目生活熱水系統(tǒng)設(shè)備選型工作，對(duì)于不同生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研分析與計(jì)算對(duì)比（見表2），可見空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在熱水費(fèi)用成本單項(xiàng)中具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在環(huán)保與安全因素中也顯著領(lǐng)先。因此，綜合對(duì)比因素，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在宿舍等集中供應(yīng)熱水工況下具有強(qiáng)勢(shì)的領(lǐng)先地位，可以做到節(jié)能降耗與安全可靠并重。

表2 不同生活熱水系統(tǒng)的綜合對(duì)比

3 項(xiàng)目工況下空氣源熱泵熱水系統(tǒng)選型與要求

清華大學(xué)3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍加固修繕項(xiàng)目是學(xué)生宿舍翻新、改造項(xiàng)目，以滿足學(xué)生住宿生活需求為主要目的，因此為保證學(xué)生順利入住，該項(xiàng)目時(shí)間緊、任務(wù)重，并且由于周邊配套基礎(chǔ)設(shè)施不完善，無(wú)法加裝電鍋爐等大型用電設(shè)備，給項(xiàng)目推進(jìn)與生活熱水系統(tǒng)選型帶來(lái)了極大的困難。

如上文提到，項(xiàng)目施工條件所限無(wú)法應(yīng)用電鍋爐、燃?xì)忮仩t、集中熱水供應(yīng)等傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)，因此太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)成為新的設(shè)備選型參考。本文針對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，其對(duì)比分析匯總見表3。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有環(huán)保、能耗低、技術(shù)成熟、認(rèn)可度高等優(yōu)點(diǎn)，是較為成熟的熱水供應(yīng)技術(shù)之一，但其缺點(diǎn)也很明顯，會(huì)受到天氣與自然環(huán)境的影響很難保證熱水供應(yīng)的穩(wěn)定性，安全與可靠性需要靠后期維護(hù)保證并且維保成本較高，同時(shí)安裝受場(chǎng)地限制，需要大面積的安裝位置。由于項(xiàng)目施工條件所限，建筑物樓頂為坡屋面無(wú)法安裝太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，因此只能考慮放棄太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)（具體參數(shù)見表4）。

表3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的對(duì)比分析[19]

表4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)

在確定熱水供應(yīng)系統(tǒng)種類后，對(duì)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行選型，由于北京地區(qū)存在極寒天氣的可能性，為保證生活熱水全年的正常供應(yīng)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)選擇適用環(huán)境為-30～43℃的型號(hào)。同時(shí)根據(jù)相關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求生活熱水儲(chǔ)備水水溫選取55℃，生活熱水儲(chǔ)備水水質(zhì)選用城市自來(lái)水，并進(jìn)行硅磷晶處理。由于建筑物使用水質(zhì)較硬，因此增加板換將熱泵機(jī)組與儲(chǔ)水箱隔開，通過(guò)間接換熱加熱冷水，避免機(jī)組結(jié)垢。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用于熱水集中供應(yīng)的案例并不多見，溫金保、段夢(mèng)慶、虞良偉等[20-21，11]人分別對(duì)于高校學(xué)生宿舍與賓館的用水量計(jì)算與熱水系統(tǒng)自動(dòng)控制進(jìn)行了諸多工作。在參考前人工作后，清華大學(xué)3、4號(hào)樓生活熱水系統(tǒng)將采用兩種可選模式分別為每日連續(xù)24 h 供應(yīng)和每日定時(shí)供應(yīng)；洗浴水量將按照45℃洗浴熱水每人120 L/次、宿舍85 間、每間2 人、每天的同時(shí)使用系數(shù)0.8 計(jì)算，同時(shí)熱水儲(chǔ)備量按滿足1 d 使用量設(shè)計(jì)，并且儲(chǔ)水水箱按0.90 有效容積考慮，盡可能地保證全天24 h 的熱水供應(yīng)與足夠的應(yīng)急儲(chǔ)備；此外，由于近年來(lái)北京地區(qū)寒冬極端天氣頻發(fā)，因此室外管道將采用30 mm 厚B1 級(jí)橡塑保溫外包裹0.5 mm 厚鋁板殼，同時(shí)屋面一次加熱水管將鋪設(shè)電伴熱做防凍處理，避免極端天氣破壞空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，最大程度保證一年四季穩(wěn)定的熱水供應(yīng)。

除常規(guī)參數(shù)計(jì)算外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行中的噪聲問(wèn)題也在安裝過(guò)程中得到解決。由于安裝位置為宿舍樓頂，因此噪聲除空氣傳播外還會(huì)通過(guò)樓板震動(dòng)傳播，為了解決機(jī)組的振動(dòng)噪音，項(xiàng)目采用雙層阻尼減震模式，隔振率達(dá)到了98.27%，有效降低了熱泵機(jī)組的噪聲傳播與震動(dòng)傳遞，為后續(xù)空氣源熱泵的發(fā)展積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

4 總結(jié)與展望

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有能效比高、環(huán)保節(jié)能顯著、安全可靠穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，在熱水集中供應(yīng)項(xiàng)目中具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景，同時(shí)由于安裝方便、施工簡(jiǎn)單，在老樓修繕改造的項(xiàng)目中尤為適用，可以做到節(jié)能降耗與安全穩(wěn)定并重，同時(shí)還能保證足夠的經(jīng)濟(jì)性。本文基于清華大學(xué)3、4 號(hào)樓學(xué)生宿舍加固修繕項(xiàng)目生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，對(duì)空氣源熱泵特點(diǎn)、原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并將空氣源熱泵與傳統(tǒng)生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比與經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，由于施工條件所限，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是項(xiàng)目工況的最優(yōu)選擇，同時(shí)對(duì)比分析結(jié)果也可以明確得出空氣源熱泵熱水系統(tǒng)熱水加熱成本低與顯著環(huán)保性等強(qiáng)勢(shì)優(yōu)勢(shì)。因此，本次設(shè)備選型對(duì)于未來(lái)北方地區(qū)生活熱水系統(tǒng)改造、集中熱水供給、集中供暖提供了可靠的案例經(jīng)驗(yàn)與思路，同時(shí)在設(shè)備安裝過(guò)程中成功解決了空氣源熱泵系統(tǒng)噪音震動(dòng)問(wèn)題，為后續(xù)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的成熟發(fā)展與推廣奠定基礎(chǔ)。