户式低温空气源热泵采暖系统在司马台新村的应用

刘婷 宓林 朱恺

摘要：本文首先介绍了北京市密云县司马台新村采暖项目的概况和当地气象参数，考虑到低温空气源热泵的优点，以及保护水源和保护生态环境的因素，决定采用低温空气源热泵供暖，并对低温空气源热泵+地板辐射采暖系统进行方案设计和热负荷计算，然后进行设备选型。系统安装运行后，选取两个采暖季和一个典型日，对典型房间的室内外温度进行测量，结果令人满意，村民们普遍反应良好，最后对系统进行经济性分析，运行费用在20元/㎡以下，低于城市集中供暖费用，老百姓完全能够接受。在全国新农村建设和城镇化过程中低温空气源热泵作为采暖和空调能源是值得推荐的。

关键词：热泵采暖；户式低温空气源热泵；地板辐射采暖；新农村建设

中图分类号：T254 文献标识码：A 文章编号：2095-3178（2018）20-0346-04

长期以来，我国的能源结构以煤炭消耗为主，无论是发电行业，还是生产性企业，包括北方地区的供暖，都是以煤炭为主。巨大的煤炭消耗产生了大量的温室气体和粉尘，严重污染了大气环境。为应对全球气候的变化，国家把能源消耗强度降低和主要污染物排放总量减少确定为国民经济和社会发展的约束性指标，北方地区以燃煤为主传统供暖方式已经不能满足可持续发展的要求。空气源热泵系统可以从大气环境中提取热量，作为冬季供暖的热源，在我国长江中下游以南地区一直有相当广泛的应用，但常规空气源热泵系统低温制热性能并不理想，存在室外蒸发器结霜、热泵性能较低等问题。随着低温空气源热泵系统技术的发展和优化，使得空气源热泵系统可在低环境温度下安全、稳定、经济地运行，低温空气源热泵系统已成功应用于北方地区冬季采暖。

1 司马台新村采暖热源系统

1.1 项目概况

司马台新村位于北京市密云县古北口镇，是偏远山区，也是北京市水源保护区、生态涵养区和传统文化展示区。北京市和密云县政府把司马台新村列入新农村建设重点项目，经统一规划改造，农民搬新居，需要解决冬季采暖问题。

司马台新村工程总面积为77525㎡，共有121栋单位工程，计596户。其中二层别墅107栋，有三种户型，共316户。A户型（110㎡）73户；B户型（160㎡）197户；C户型（203㎡）46户。多层建筑14栋，有4种户型，共280户。D户型（74.06㎡）90户；E户型（88.3㎡）90户；F户型（105㎡）50戶；G户型（122㎡）50户。

1.2 当地气象参数

年平均气温10～12℃，1月-7～-4℃，7月25～26℃。根据气象参数显示近5年内，出现-20℃以下时间，累计48小时；-16℃以下时间，累计720小时。根据密云县气象局在离古北口镇最近的上甸子观察点测得的气象数据如表1所示。

1.3 热源选择

为了选择适用的采暖热源，特列出常见热源性能比较，见表2。司马台新村地处偏远山区，无市政集中供暖管网，燃油或燃气资源不具备，无法在该项目上使用；电锅炉因其能效极低，也不宜采用。从经济、环保和节能方面考虑，水、地源热泵作为热源是能效比最高的，但是密云县特殊的地形地貌，陡峭起伏，沟壑陡深，给地源热泵的施工造成很大障碍，更重要的是密云县是北京市集中水源地，是禁止发展水源热泵地区；所以水、地源热泵也不能考虑。作为北京市的水源保护区、生态涵养区和传统文化展示区，经反复论证，最终决定采用低温空气源热泵作为采暖热源，低温空气源热泵通过消耗少部分电能可获得2.5～3.4倍的供热量，一次能源利用率可达0.825～1.122，通过一次能源效率分析，低温空气源热泵与直接电采暖相比，节能69%；与燃煤锅炉相比，节能43%；与燃气锅炉相比，节能28.6%。

1.4 低温空气源热泵+地板辐射采暖系统

本方案结合当地资源环境条件，低温空气源并结合系统的经济效益、节能效益，考虑到当地农民对于供暖操作系统的复杂性接受程度，综合分析得出，本方案选用低温空气源热泵+低温水地板辐射采暖系统。

（1）低温空气源热泵特点

太阳光的热能被大气吸收，空气中贮存了无限量的不能直接利用的低温热能。人们利用逆卡诺原理，以极少的电能，用蒸发器吸取空气中的低温热能以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后，压力和温度上升，高温工质蒸气通过贮水箱外侧环形管冷凝器时把热量传递给贮水箱的水，工质蒸气冷凝成液体，通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复，把空气中的低温热能转化后产生成热水，用于室内供热采暖（制冷时将室内热量排放到室外空气中）。

低温空气源热泵系统优势：1）适用范围广，性能稳定：适用温度范围在-7℃至40℃，并且一年四季全天候使用，不受雨、雪等恶劣天气和冬季夜晚低温的影响，均可正常使用。2）运行成本低，节能效果突出：投资回报期短，可节省70%的能源。3）环保型产品，无任何污染，无任何燃烧外排物，不会对人体造成损害，具有良好的社会效益。4）安全稳定，使用方便：安全性能好，无任何隐患，占地空间很小，外形与空调室外机相似，可直接与供暖管网连接，适合于大中城市的高层建筑。5）使用寿命长、维护费用低：使用寿命长达15年以上，设备性能稳定，运行安全，自动化程度高。

传统的空气源热泵机组工作范围较窄，当冬季室外温度低于-5℃时，机组的能效比和平稳运行性均受到较大影响，为了解决这一问题，本方案选用清华同方研制的低温空气源热泵，只要环境温度大于-22℃机组均能正常运行。

（2）低温热水地板辐射采暖系统特点

低温地板辐射采暖是利用建筑物内部地面作为辐射面进行采暖的系统，将加热盘管埋设于地板下，以30～60℃的热水作为热媒，在加热盘管内循环流动加热地板，通过地面以辐射和对流的方式向室内加热，加热室内空气，在室内形成一个交互的辐射场，辐射换热量通常占总换热量的50%以上[1]，其结构如图1所示：

低温地板辐射采暖系统优势：1）高效节能：热媒低温传送，在传送过程中热量损失小，热效率高。2）环保、卫生，健康保健：室内地表温度均匀，室温由下而上随着高度的增加温度逐步下降，符合人的舒适感受；空气中灰尘流动要小的多，减少了空气中有害病菌的蔓延，室内环境更加卫生清洁。3）不占使用面积。4）使用寿命长，免维护，安全性能好，节约维修费用。

2 采暖方案设计

2.1 热负荷计算

司马台新村建设中推广新型建筑节能民居建设，外墙使用挤塑装饰保温板，窗体采用中空保温玻璃钢窗，建筑整体保温性能良好。按照北京市节能建筑标准设计，冬季室内设计温度为18℃。由于司马台新村地处北京北部山区，冬季气温偏低，考虑到空气源热泵在低温环境下运行会有衰减，热泵机组选型时需将额定出力比设计负荷选大一些，在出力不足时需加辅助电加热系统。

（1）围护结构的基本耗热量计算公式

（2）附加耗热量计算公式

（3）通过门、窗缝隙的冷风渗透耗热量计算公式

（4）外门冷风侵入耗热量计算公式

通过计算得到各户型的采暖热负荷，见表3。

2.2 设备选型

根据不同的户型，计算负荷大小，从而为每一户居民家中选择一套户式低温空气源热泵+地板辐射采暖系统。系统加配辅助电加热器。-18℃以上的天气只靠熱泵机组运行。-18℃以下时辅助电加热器投入运行。设备型号选择情况见表4。

2.3 系统构成

空气源热泵系统由三部分组成：1）主机部分：户式空气源热泵机组和循环水泵；2）末端系统：地板采暖管线、阀门、分集水器、膨胀罐及补水定压装置；3）温控系统：温度传感器及控制器等组成。系统原理见图2。

3 系统运行测试与分析

3.1采暖季运行测试数据

本项目于2011年完成安装调试，并投入使用。课题组对2011～2012年及2012～2013年两个冬季低温空气源热泵供暖情况进行了测试。在这两个供暖季中，低温空气源热泵+地板辐射采暖系统均安全、稳定运行，2012～2013采暖季遭遇了北京地区较寒冷的一个冬季，在室外温度达到-20℃以下时，室内温度仍保持在18℃的设计温度。

选取一栋二层别墅做为测试对象，并对其运行结果进行分析。

（1）典型房间采暖运行数据

为了弄清系统的运行情况，分别对典型房间的室内温度和室外环境温度进行了两个采暖季的测试。典型房间选取最不利房间，分别对一层北侧餐厅及二层北侧卧室进行测试，从而避免太阳辐射等因素对房间负荷的影响，同时尽量减少测试人员对房间温度场、速度场的影响。测试时间分别选取0～2点、6～8点、12～14点、18～20点，将测得的四个典型时间段的平均温度绘图，就得出整个采暖季室内温度曲线和室外温度曲线。见图3。

从图3可以看出，在两个运行采暖季内，虽然室外环境温度变化较大，但是室内温度基本保持稳定，在-15℃环境温度下仍然保持了很好的稳定性。当夜间气温降至-15℃以下时，室内温度也没有出现较大波动，仍维持在18℃以上。

（2）典型房间典型日运行数据

为进一步验证供暖系统的供热效果及其稳定性，我们选取室外空气温度较低的2013年1月24日为典型日，当天室外最低温度为-16℃，远远低于北京市市区冬季平均最低温度，典型日典型房间温度测量结果见图4。从图中可以看出，在典型日一天之内，室外环境温度变化较大，但是室内温度基本保持稳定，当夜间气温降至-16℃以下时，室内温度也没有出现较大波动，仍维持在20℃左右。

由此可以得出，即使环境温度不断变化，但是低温空气源热泵系统仍然能保持安全、稳定的运行，能保障村民家中的供暖需求。

3.2 采暖季运行效果分析

（1）热舒适性效果分析

对人体热舒适性的研究表明：理想的温度梯度应该是头部、胸部比足部略低一些，既所谓正向温度梯度场，这符合我国中医提倡的“温足而凉顶”的理论。传统的取暖方式，房间的顶部大约有30℃，而人体所处的位置尤其是脚部仅有15℃甚至更低。地板辐射散热是最舒适的采暖方式，室内地表温度均匀，室温由下而上随着高度的增加温度逐步下降，这种温度曲线正好符合人的生理需求，给人以脚暖头凉的舒适感受。

选取典型房间在典型日期间，测试房间不同高度处温数据。分别选取房间内0.1m、1.2m、1.8m高度处的温度测点。测试结果如表5所示。

地板辐射采暖的加热盘管敷设于房间地面，热量由下向上传递，室内温度分布均匀，温度梯度合理，通过房间内分层温度测试数据与室内房间理想供热曲线（图5）的对比分析可知，冬季室内温度一般应在16～22℃，达到Ⅱ级热舒适，地板辐射供暖，室内温度应为17～19℃[2]，这种温度曲线符合人体生理需求，给人以脚暖头凉的舒适感受。

（3）节能效果分析

1）低温空气源热泵采用补气增焓技术有效提高低温环境运行能效

常规空气源热泵机组在低温环境下运行，系统蒸发温度降低，压缩机的吸气比容增大，导致进入压缩机的制冷剂体积流量减少，系统制热性能下降；压缩机排气温度过高导致频繁启停，影响系统正常运行；排气温度升高导致润滑油粘度急剧下降，系统会出现回液、回油不正常的现象，导致压缩机损坏。低温空气源热泵采用了补气增焓技术，可有效解决常规空气源热泵在低环温下运行的问题，补气增焓技术采用经济器系统，实现制冷制热双向补气，在节流部分加设补气回路，形成“准二级压缩”，提高热泵系统在低温工况下的能效，解决热泵机组在低环境温度下高效制热问题，保证机组在-20℃以上环境温度正常工作，综合部分符合性能系数（IPLV）≥2.4。采用补气增焓技术能效比的改善效果十分明显，均在0.2以上，相当于空调器能效级提升一级。

2）地板辐射采暖系统蓄热性能良好

地板辐射采暖地面层蓄热量大，热稳定性好，在间歇供暖的条件下，室内温度变化缓慢。地板采暖将地面温度均匀加热，室温自下而上逐渐递减，室内温度变化缓慢，能较好保持室温均衡。保温性能良好的建筑，在20℃时停电停水，室内温度在12小时内仍可保持18℃，使人不会有忽冷忽热的感觉。低温空气源热泵主机工作时间与环境温度密切相关。3）地板辐射采暖、空气源热泵系统双节能地板辐射采暖，可使人们同时感受到辐射温度和空气温度的双重效应，其室内温度梯度比对流采暖时小，因而可以大大减少屋内上部的热损失，热压减少，冷风渗透量也减小。地板辐射采暖的实感温度比室内温度高出2～4℃ ，18℃的设计温度可达到一般采暖22℃的采暖效果，在本项目中采用35℃的低温热水。室内外温差减小，传热损失较少。住宅室内温度每降低4℃，可降低供热能耗10%以上。空气源热泵机组因为供水温度降低，能效比提高，供水温度每降低4℃，能效比提高10%以上，不同供水温度下机组COP如图6所示。采用低温空气源热泵+地板辐射采暖技术相比较其它空气源热泵供暖方式综合节能率超过20%。

4）采用优化的系统运行策略

低温空气源热泵机组搭配合适的末端采暖系统，在特定的环境温度、特定的供回水温度的设计工况下，可以保证良好的系统能效比，为了最大限度的降低系统运行费用，需要一套好的的运行策略。

在运行时间内，不仅自动检测回水温度，还自动检测回水温度变化率，实时跟踪室内负荷，自动调节机组的冷/热量输出，节能效果显著，同时减少室内温度波动，提高舒适度。

为了保证机组在低温环境下安全可靠运行，系统采用热泵和电加热双热源方案，借助电加热的辅助方式将热水温度加热到需求温度。先根据室外温度信号和该温度下的经验COP 判断低温空气源热泵能否高效运行，如果热泵在设定的出水温度和室外温度条件下不能高效运行，则利用辅助电加热系统加热系统内的循环水，使得出水温度达到设计要求。通过大量测试数据分析，为了最大限度的提高系统能效，降低运行费用本项目设定为-18℃以上的天气热泵机组单独运行，-18℃以下的天气电加热器单独运行，控制策略如图7所示。

4 经济性分析

4.1 系统初投资

主机部分，约120元/㎡。地板采暖部分，约40～60元/㎡ 。整个系统造价合计，160～180元/㎡。這样的初始投资，村民们可以接受。

4.2 系统运行费用及能耗分析

由于本项目中采用的是户式空气源热泵系统，每户居民可根据自己的需求随时开启或关闭热泵机组，各户机组的运行时间有差异，从而导致运行费用略有不同，课题组挑选三个户型的建筑，对运行费用进行分析。见表6。运行费用低于20元/㎡，低于城市集中供暖费用，村民们乐意接受。

4.3与其他系统经济性比较

5 节能效益分析

按照北京市供暖标准，“低温空气源热泵+地板供暖系统”与“电锅炉+地板辐射供暖”相比，可实现减排CO2 11.4吨，SO2105.0kg，粉尘3.0吨，节能减排效益显著。

6 结论

随着司马台新村冬季供暖工程的成功实施，验证了低温空气源热泵系统能在-20℃以上环境温度正常工作，可取代传统的供暖方式，一方面满足用户对舒适、经济环保、调节使用方便的供暖服务的需求；另一方面可以解决集中供热设施无法覆盖，但有供热需求场所的供暖问题。从资源依赖程度、环境友好程度、经济效益、舒适性等方面综合考虑，“低温空气源热泵+地板辐射采暖系统”适用于我国北方地区冬季采暖的推广，实现为国节能、为民节资、环保舒适的目的。

参考文献

[1]李新.关于全面推广低温水地板辐射采暖方式的探讨 [J].区域供热，2004（6）：16-18

[2]高智杰.夏热冬冷地区不同采暖末端的供热特性及调控规律研究 [D].西安：西安建筑科技大学，2013.