超低环境温度耦合空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的应用

时间：2024-09-03

李静岩，柳江，冯晓娟，王守国

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081；2.中国铁路呼和浩特局集团

有限公司计划统计部，内蒙古呼和浩特 010050；3.中国城市建设研究院有限公司建筑所，北京100120）

我国能源结构高度依赖煤炭等化石能源，非化石能源仅占14%，大量化石能源的利用造成了环境问题[1]。为此，国家大力推动新能源技术发展，并出台了一系列鼓励新能源技术利用的政策。空气源热泵以大气作为低温热源，通过消耗少量电能，可将空气中的低位热能提升为高位热能加以利用，是一种高效、节能、环保、适用性强的制热技术，目前已得到广泛的应用[2]。但是，传统空气源热泵受环境温度的影响较大，在高寒地区的低环境温度下会出现压缩机排气温度过高、压缩比过大，进而造成制热性能下降的问题，当环境温度低于-25℃ 时甚至无法启动[3]。针对这一问题，一些诸如压缩机中间补气技术、双级压缩热泵、复叠式空气源热泵等新技术应运而生[4-5]，使空气源热泵在高寒地区的应用成为可能。近年来，铁路科研院所围绕超低环境温度空气源热泵展开大量的研究工作[6-10]，并自主研发了应用于高寒地区的超低环境温度耦合空气源热泵，其在低环境温度下仍可实现稳定高效的制热。在此，以位于内蒙古自治区北部地区某铁路工区建筑的供暖项目为例，对超低环境温度耦合空气源热泵在高寒地区建筑供暖中的应用进行分析。

1 超低环境温度耦合空气源热泵性能

根据高寒地区气候特点和设备运行特性，对热泵机组各部件及控制系统进行针对性设计和优化，研发出适用于高寒地区的超低环境温度耦合空气源热泵。该热泵机组以室外低温机组耦合室内高温机组的间接复叠方式，将2个运行范围不同的循环系统联系在一起，实现低环境温度运行和高温出水目的。系统主要包括室外低温机组、室内高温机组及中间耦合水箱，分为2个子系统。子系统Ⅱ室外低温机组以室外低温空气作为热源，生产出15 ～ 35℃的低温热水送入室内，作为子系统Ⅰ室内高温机组的低位热源；子系统Ⅰ生产出45 ～ 70℃的热水，并通过暖气片或风机盘管等供暖末端向建筑物内散热，以达到向室内供暖的目的，系统循环示意图如图1所示。

图1 超低环境温度耦合空气源热泵系统循环示意图

超低环境温度耦合空气源热泵室外机组采用压缩机中间补气技术、防高温喷液技术和智能化霜技术，高效节能，保证在超低温度下仍能强劲制热。室内机组依据大温差、小流量的设计理念，运行费用低，压缩机高压侧冷凝温度高，能够保证供暖循环用水温度要求。经国家专业机构检测，超低环境温度耦合空气源热泵在环境温度-25℃、出水温度60℃、水流量11.50 m3/h的工况下，机组制热能效比可达2.05。

2 项目应用

2.1 项目概况

某铁路工区建筑位于内蒙古自治区北部高寒地区，该地区冬季室外最低环境温度可达-31℃。供暖区域包括平房和楼房两部分，建筑总面积1 210 m2，室内末端采用铸铁式暖气片，建筑外墙已作保温处理。要求冬季供暖室内温度不低于18℃。

2.2 热源比选

该项目供暖建筑位于偏远地区，未并入市政供暖系统，未接入燃气管道，无法使用燃气锅炉；根据国家节能环保要求，并考虑经济效益，不宜采用燃煤锅炉、燃油锅炉、电锅炉等供暖；太阳能供热系统对太阳光照强度的依赖性较高，难以保证稳定的供能，并且其存在能流密度小、前期投入大等问题，不宜用于本项目。热泵具有能效比高、节能环保等优点，根据所利用低位热源种类主要分为地源热泵、空气源热泵等。考虑高寒地区土壤温度低、不易扰动等特点，不宜采用地源热泵；空气源热泵适用范围广，不受地理环境限制，只需置于大气环境下即可正常运行，通过针对性设计和优化，可以保证在高寒地区的建筑供暖。因此，依据项目地点的实际情况，经综合比选，采用超低环境温度耦合空气源热泵作为项目的供暖热源。

2.3 系统设计

根据该地区冬季室外空调设计温度和室内供暖温度要求，计算得到该工区建筑的采暖设计总热负荷为113 kW。设计使用室内高温机组2台，单台机组制热量为65 kW，额定输入功率为18.6 kW。选取3台室外低温机组，在该地区室外空调设计温度-27.8℃下[11]，单台机组制热量为31.6 kW，额定输入功率为19.2 kW。

室内高温机组和室外低温机组与耦合水箱间由水泵等循环系统同程连接。内外循环系统分别设置2台循环水泵，1用1备，均由变频器控制。配备1套系统补水装置，保证系统缺水时自动补水。配备热泵机组控制系统，可以自动启停机组、运行参数设定及实时监测、安全保护和故障自动报警等，保证系统运行的自动化。整套超低环境温度耦合空气源热泵供暖系统的供/回水温度设计为70/50℃，根据需要可适当调整供回水温度和温差，末端直接连接建筑室内暖气片。

2.4 效果分析

与仅有室外空气源热泵机组的供暖系统相比，采用的超低环境温度耦合空气源热泵更具稳定性和高效性。一方面，由于室外低温机组仅需制15 ～ 35℃的低温热水，无需将水直接加热至供暖所需温度，有助于减小压缩机的压缩比，提高机组制热效率；同时，较低的供水温度有助于缓解结霜问题，缩短除霜时间并减少除霜耗能，从而确保机组运行过程中较高的平均能效比。另一方面，由于室内高温机组存在稳定的低位热源，保证了机组长期稳定高效的运行。

根据该项目2个供暖季的监测，超低环境温度耦合空气源热泵机组能够完全满足供暖需求，在-30℃环境温度下能够有效制热，保证室内温度不低于20℃。系统全自动运行，无需人员值守，日常维护方便。室外机组和室内机组均间断性运行，在回水达到设定温度时自动停机，在水温下降至设定值时自行启动，最大程度降低系统耗电量，提高节能效果，耦合水箱在室外机组停机期间能够保证室内机组的正常运行。

一般情况下，热泵产品性能指标中列出的机组能效比，是依据国家标准测得的某特定工况下的能效比。而在热泵机组实际应用中，机组能效比会随环境温度和供暖需求的变化而变化，因此对热泵机组在供暖期间整体运行情况的考核，以年综合能效比COPz作为考核指标。年综合能效比COPz可通过下式求得

式中：w为单位面积日综合耗电量，kW·h；p为单位面积设计热负荷，kW；A为建筑供暖面积，m2；D为年取暖天数，d；y为机组每天运行时间，h；COPz为系统年综合能效比。

根据2个供暖季机组电能表记录数据与机组运行天数的比值，计算得到建筑供暖的日耗电量为750 kW·h，供暖建筑总面积为1 210 m2，可求得单位面积日综合耗电量w为0.62 kW·h；根据建筑采暖设计总热负荷与供暖建筑总面积的比值，计算得到单位面积设计热负荷p为93.4 W；根据2个供暖季记录的机组运行总时间与机组运行天数的比值，计算得到机组每天的运行时间y为13.48 h；最后通过(1)式计算得到机组运行的年综合能效比为2.03。

超低环境温度耦合空气源热泵和电锅炉2种供暖方式的效率、耗电量和运行费用等的对比情况如表1所示。从表1可以看出，超低环境温度耦合空气源热泵机组的运行费用远低于电锅炉，节约电量超过50%。