超低温空气源热泵采暖制冷制热水

一、引言

人类社会的迅猛发展，煤、油、气等石化能源的大量使用和过度开采，造成了环境的污染和能源紧缺，环境污染和能源紧缺问题已成为威胁人类生存的头等大事，对清洁能源的开发利用特别是对太阳能空气能的开发利用尤为重要。

近年来一些太阳能热水设备的生产厂家对利用集热管收集太阳光的热能采暖作了一些探讨，但冬季光照时间短、集热管的占地面积太大，设备投资又太大，加之夏季太多的热水又无法利用，很难大面积地推广使用。

太阳能的另一种形式就是空气能。阳光的热能释放在空气中，空气中就存在着大量的我们不能直接利用的“低品位”的能量，如果我们把它“提取”出来转化成热水进行采暖，它又不需要太阳光的直射，它的安装不受采光面的限制，这种设备就是利用空气能的有效工具——超低温空气源热泵。

这种空气源热泵欧洲多年来用于采暖、制冷、制热水方面。经过多年的运行效果证明它在制冷采暖制热水方面，运行稳定可靠，并且节能环保。

为说明问题，现以最北部的沈阳案例进行分析，以供读者参考。

二、工程概况

1、工程简介

   该建筑坐落在辽宁省沈阳市东陵区南塔街，是2002年建成的节能住宅（商住两用），上下两层，建筑面积为230㎡，一楼办公室面积80㎡，车库30㎡，二楼住宅，120㎡。砖混结构、中空玻璃塑钢门窗，外墙450㎜厚空心砖，内墙4厘米苯板保温。整个小区采用电采暖的形式。小区的冬季的入住率不足50%。这个用户以往冬季电采暖的费用是：二楼4200元左右，室温13-16℃，冬季的采暖费用相当于35元/㎡；一楼4500元左右，白天室温13-15℃，晚上室温7-9℃，采暖费相当于41元/㎡。

室外主机安装照片

二楼南卧室照片

二楼北卧室照片

二楼大厅照片

一楼照片

2.设计要求

  沈阳夏季按60天制冷，冬季152天采暖设计。设计参数参照下表

表一. 空调室外计算参数

表二. 空调室内计算参数

3.热负荷的设计依据

由于沈阳属于严寒地区，热泵设计冷热负荷时，以冬季的热负荷为设计依据，在一般的民用住宅当中，只要冬季设计的热负荷满足采暖的需要，这台机器就可以满足夏季的制冷需要。

热负荷是指在最寒冷的条件下，机组提供的热能可以满足建筑物对热能的需求。

热负荷的设计依据主要根据《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95

在这个标准当中，沈阳计算采暖期的天数为152天，在这个采暖期当中室外平均气温是-5.7℃，节能建筑在这个平均气温的条件下的耗能指标是21.2w/㎡（这个耗热指标仅仅是计算采暖期间运行费用的依据，不能作为热负荷的设计依据），节能建筑在-19℃的耗能指标是40.9w/㎡,那么建筑物在一天24小时当中所消耗的热能是981.6kwh/㎡。根据热泵的工作特点，热泵应在14个小时之内连续工作所产生的热能大于建筑物的这个耗热量，因此，热负荷是981.6/14=70w/㎡.

4.空气源热泵的选型依据

二楼设备选型的依据

因二楼建筑面积是120平方米，该住宅在-19℃的耗热指标是70*120=8.4kw.因超低温空气源热泵在-19℃环境温度下的能效比为1：1.8（出水温度45℃）。因此，主机选用超低温空气源热泵机组一台。

技术参数

备注：制热量是在45℃出水的情况下。

从表中可以看出在环境温度-19℃的情况下，机组的发热量只有6.7kw，不能满足这个住宅的这时的耗热指标（8.4kw）。因此，要配备辅助电加热8.4-6.7=1.7kw。

因此，二楼住宅的热泵选型是：辅助电加热的功率为2kw。

一楼设备选型的依据

因一楼实际供暖的面积只有80平方米，另外的30平方米是车库不需要供暖。因此选用低温空气源热泵1台，考虑到一楼是办公室，主要的供暖时间是在白天，不加辅助电加热也能满足建筑物的最大的热能需求，因此一楼在设计中没有设计安装辅助电加热。

5.冬季运行费用的计算依据

冬季运行费用的计算依据是《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95。

建筑物采暖期每天的平均耗能是21.2*24=508.8kwh/㎡.

一个采暖期的耗能是508.8*152=77.3kwh/㎡.

机组在采暖期平均温度-5.7℃情况下的能效比为1：2.5（出水温度45℃）。

所以，机组的耗能是77.3/2.5=30.9 kwh/㎡.

沈阳的民用电价是0.5元/kwh。

因此，冬季采暖期间的运行费用是30.9*0.5=15.45元/㎡（建筑面积）。

二楼120平方米冬季的采暖费用是15.45*120=1854元，一楼80平方米冬季的采暖费用是80*15.45=1236元。一二楼总计的采暖费用是3090元。

6.系统构成及工作原理

一楼和二楼分别是两个独立的系统。

一楼末端安装的是明装的风机盘管，这套系统可以完成冬季采暖、夏季制冷、一年四季提供生活热水（机组在20℃的情况下制50℃的卫生热水350升/小时）。

二楼末端安装的是暖气片，这套系统可以完成冬季采暖、一年四季提供生活热水。

一楼安装示意图

二楼安装示意图

6.1热水系统

这个用户的热泵主机安装的是热水优先型，即无论任何季节系统都是优先制热水。

开机后机组先自动进入制热水的模式，开启电动三通阀的热水系统，同时电自动关闭空调系统，循环水在水泵的作用下自动进入保温承压水箱中循环制热水，当保温承压水箱中的水温达到设定的温度时（如45℃），机组自动停止制热水，电动三通阀关闭制热水循环系统，同时开启空调系统，这时热泵产生的冷（夏季）、热（冬季）水进入末端循环制冷（夏季）和采暖（冬季）。

当用户使用热水时，自来水从承压水箱的底部自动补入，当水箱中的水温低于所需要的设定温度时，机组又自动进入制热水的模式运行。

低温型机组在春、夏、秋三个季节中，制100L的50℃热水大约需要20分钟，冬季大约需要35分钟左右。这个用户每天需要的卫生热水量不足100L，因此，在实际运行中每天只有一次优先制热水的过程，对采暖和制冷没有任何不利的影响。

根据这个用户的实际使用测得，热泵每产100L 50℃的热水消耗的电能是1kwh，电费是0.5元(冬季略高一些、夏季略低一些)。

承压保温水箱的作用:

a.储存一定量的热水。

b.具备系统的自动排气功能，通过热水口的排放可以排放系统中的气体，以保证系统的正常循环。

c.具备系统的膨胀水箱的作用，机组在任何模式下运行时，这个水箱都起到了缓冲膨胀水箱的作用。

d.辅助电加热，辅助电加热就安装在这个水箱中，当机组冬季发热量不足时，机组就可用自动输出信号启动辅助电加热，以提高系统的制热量。

6.2制冷系统

以一楼为例说明

开机后系统自动进入优先制热水的模式，当保温承压水箱中的水温达到设定温度时，系统自动进入制冷的模式。

主机制冷量为10.8kw，末端配备FP—170明装风机盘管2台，根据房间制冷的需要，2台可以同时开启，也可以开启一台。当房间的温度达到设定的温度时，风机盘管自动停止工作，主机自动检测末端的循环水温自动调整制冷量，以达到节能的目的。热泵的制冷效果和使用方法与普通的中央空调一致。末端各个房间的温度都可以由用户自己设定掌握。

6.3采暖系统

 以二楼为例说明

热泵的供暖的使用方法与燃气、燃煤、电锅炉的方法一致，它不像空调那样随时使用随时开启，在冬季必须每天都开启一定的时间，以确保室内有足够的温度使室内不结冰，同时在使用时房间能迅速达到需要的温度（否则在房间温度较低的情况下，即使较长时间地启动采暖设备，房间也很难达到所需要的温度）。

开机后系统自动进入优先制热水的模式，当保温承压水箱中的水温达到设定温度时，系统自动进入制热采暖模式。

主机制热量为11.9kw（环境温度7度时的发热量），末端配备暖气片5组，设定系统的回水温度为45℃，当回水温度达到这个设定值时，主机自动停止工作，当回水温度低于37℃（8℃温差）时，主机自动开启运行。

暖气片安装数量的确定：

暖气片是安装在70℃以上的热水采暖的场合的，而超低温空气源热泵的最高出水温度只有50℃，如把暖气片安装在热泵采暖中必须增加暖气片的数量（散热面积），才能保证末端的散热量。根据计算和实际经验，暖气片的数量至少要增加50%才能满足热泵采暖的需要，如暖气片的数量增加100%就可以使热泵供暖的出水温度降至40℃。沈阳的这个用户的暖气片的数量就比其他设施供暖暖气片的数量增加了50%。

冬季的使用方法：

根据气象资料统计，最低气温一般都是在凌晨3-4点的时间段中出现，沈阳2009年和2010年冬季的最低气温都达到了-30℃，每年-20℃的气温都超过了30天。西莱克机组的最低适用环境温度是-25℃，如果让机组在这个温度之下运行，就超出了它的适用范围并使发热量不足，因此，让热泵在白天气温较高时运行，躲开2-3小时的最低气温段运行，这样不仅可以提高热泵的性能，而且拓展了热泵的使用范围（使用区域）。

这个用户热泵具体的运行时间是：

11月上午10点——下午18点

12月——1月早7点——晚间22点

2月——4月上午10点——下午18点

沈阳12月至1月份是最寒冷的月份，-25℃以下的最低气温也是出现在这两个月份中，晚间在出现-25℃以下的最低气温的时候就启动辅助电加热设备。

上述时间只是热泵设定的工作时间段，并不是热泵每天的连续工作时间段，热泵在这个时间段运行中，当循环水温达到设定的温度时热泵自动停止工作。

这个用户的室温是：白天18--22℃，晚间22--16℃.

2009年11月1日至2010年4月5日这个用户一楼和二楼热泵运行费用总和是2400元，比理论计算的还要低一些（可能与一楼不常开启热泵有关）。

2010年11月1日至2011年1月20日，热泵运行的总费用是1600元，预计到采暖期结束热泵的运行总费用3000元左右（与理论计算相近）。

三、结论

从两年来这个用户的运行实际情况看，超低温空气源热泵在采暖、制冷、制热水方面，系统设计科学合理、设备运行稳定可靠。超低温空气源热泵应用于采暖、制冷、制热水方面充分体现了它的节能环保的特性。

在制热水方面，它的电消耗是电热水器的1/4，与电热水器相比节能75%。

在采暖方面，它的电消耗是电暖气的1/2.5,即是电采暖费用的40%，与电采暖相比节能60%（沈阳地区）。它与燃气锅炉相比，运行费用节省30%（沈阳地区），同时热泵在运行中的二氧化碳的排放量是零。沈阳的这个用户如果使用燃气锅炉采暖，每个采暖期的二氧化碳排放量大约为2.85吨，热泵的使用寿命大约是20多个采暖期，在设备使用的寿命内，热泵可以至少减少二氧化碳的排放量是57吨。

在制冷方面，它的制冷效果、运行费用与普通的中央空调相似，但普通的中央空调不具备采暖和制热水的功能，从性价比的角度来看，更应该向用户推荐使用超低温空气源热泵。

 通过对严寒地区热泵的使用实际情况分析，可以得出：热泵更适合在寒冷地区和夏热冬冷地区使用，在这些地区使用不仅更加节能，同时充分发挥了热泵的制冷的功能。这两个地区包含了我国10多个省份，整个面积大约占据了我国总面积的1/3。可以预言，热泵的推广使用将为这些地区人们的采暖制冷的方式增添崭新的内容，将在节能减排利用自然能源方面作出突出的贡献。