超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究

金洪文,孙 妍, 马 喆,吴宏伟 ,蒋 娜

(1.长春工程学院，长春 130012; 2.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心,长春 130012; 3.赫特福德大学,英国;4.长春电力设计有限公司，长春 130012)

严寒地区占据中国国土面积 27%，截止2014年，其城镇建筑供暖面积达126亿，其中污染严重的分散燃煤供暖面积占比高达30%左右.严寒地区供暖能耗不仅需要满足严寒天气所需大量热负荷，还需要补充通过围护结构散失大约40%的能耗，为此需要消耗大量的煤炭资源进行供暖.同时，以燃煤为主用发电或供暖的化石能源在开采过程中会造成土地损坏、水资源污染、温室效应加剧，雾霾天气频繁等生态环境失衡.

2013年，国务院下发全面整治燃煤小锅炉计划，加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设.国家“十三五”规划中提出：“实施以电代煤、以气代煤，率先使用太阳能、地热能、空气能等清洁能源提供供热、供冷服务”，以压减燃煤消费，防治大气污染、提高可再生能源消费比例等方面要求.

近年来，长江流域及其以南地区等夏暖冬冷区已广泛采用空气源热泵作为供暖及供热水系统运行，随着空气源热泵性能不断完善，在北方很多地区也得到应用.北方地区室外采暖计算温度一般在-20℃～-26℃之间，常规R410A的制冷剂热泵机组运行较佳的室外气温条件在-5 ℃左右[1].随着室外气温的降低，空气源热泵的制热量和运行能效呈下降趋势，蒸发器结霜及除霜带来制热能力下降等问题突显出来.因此，很多品牌的空调厂家都已研发出适用于低温环境的CO2空气源热泵，以CO2作为制冷剂工质的热泵，能够实现超低温蒸发吸热，室外温度条件在-20 ℃时可达到出水温度为35 ℃左右，平均COP值2.5左右.且CO2的ODP=0，GWP=1.同时，东北地区电资源过剩也为空气源热泵应用提供便利条件.

本文以敦化高速公路服务区(西区)建筑为例，对CO2低温空气源热泵在寒冷地区的应用进行分析.

1 气候条件

敦化市位于吉林省东部山区，长白山腹地，属于温带大陆季风气候，春天短.采暖季平均气温-4.6 °C，最高温度23.3 °C，最低温度-31.3°C.对2015年10月25日～2016年4月10日敦化国家基准气候观测站(位置E 128°12′，N 43°22′,海拔高度524.9 m)气象观测，采暖季气温区间分布小时数如表1，采暖季月平均干球温度、相对湿度如表2.

表1敦化市采暖季节各月气温区间分布小时数(h)

温度区间/℃日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04总计t≥52564---148101338-5≤t<511728882-271073411441106-15≤t<-518271357230406146-1428-25≤t<-15-6047249016840-1200t<-25--3445--52

表2敦化市采暖季月平均干球温度(tg)、相对湿度(φ)

日 期日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04干球温度/°C5.6-5.1-10.7-16.4-11-1.36.6相对湿度/%53676959585750

由表1可知：敦化市供暖总时长为4 154 h，室外气温≥-15℃的时长为2 872 h，占总供暖时长的69.1%；室外气温≥-5℃的时数为1 444 h，占总供暖时长的34.7%.从室外气温区间分布情况看，敦化市供暖期内绝大多数时间里采用空气源热泵进行供暖，可在较高的能效下运行.

2 工程概况

本次测试地点为敦化高速公路服务区(西区)综合服务楼，属于框架结构节能型建筑，设有餐厅、包厢、厨房、冷库、客房、办公室等区域.供热面积为2 922.5 m2，末端采用地面辐射采暖.因工程地处偏远，无法接入市政供暖系统或燃气管道，常规的太阳能供热系统很难满足全天候供热的要求，地源热泵初投资费用高，综合考虑增设管道造价、输送热损失、投资费用以及节能环保等要求，提出使用采用以电为动力的CO2空气源热泵供热[2]. 采用5台CO2空气源热泵，三用两备，每台空气源热泵名义制热量为100 kW，输入功率为37 kW.循环水泵型号为IRG-80-160，其额定功率为7.5 kW，流量为50 m3/h.

3 供热能力分析

2017年1月7日～12日期间，采用型号DT3891G的 “多路温度巡检仪热电偶记录仪”对供水、回水主管道、室外及室内温度进行连续测量记录.测试期间三台CO2空气源热泵连续供热，测量数据时长为138 h，且测试期间空气源热泵所提供热量满足冬季采暖室内计算温度18℃(实际室内温度达到20℃左右).室外温度、CO2空气源热泵提供热量数据如图1所示，此系统采用智能控制系统，当提供热量满足设定要求，自动降低供水温度，通过改变制冷剂流量，致使输出的热量减少，最大限度减少能耗.

利用热量公式计算热泵提供热量.

Q=G×cp×Δt/3.6

(1)

其中:Q为CO2空气源热泵提供热量，kW；G为循环水流量，kg/s；cp为比热容，kJ/(kg·℃)；Δt为供回水温差，℃.

Q=G×cp×Δt/3.6=50×4.18×4.5/3.6=260.76kW

CO2空气源热泵测试期间平均供热量为260.76 kW，日平均提供热量260.76×24=6 258.24 kW.

图1 CO2 空气源热泵供热量随室外气温变化情况

4 结霜除霜分析

1月10号10：30～19:00为机组除霜期间，共计6 h30 min.测试期间，CO2空气源热泵供回水温差增大2倍，并且经计算除霜期间平均产生404.1kW热量，达到除霜目的同时保证了室内环境温度保持在20 ℃左右.如图2所示，除霜前期需较多热量，随时间推移，所需热量逐渐减少.

图2 CO2空气源热泵除霜期供热量随天气变化情况

据资料显示，空气源结霜与室外空气条件有密切关联，室外干球温度tg和相对湿度φ是影响空气源热泵结霜效率的重要参数，且结霜范围温度在-12.8℃≤tg≤5℃.当温度tg>-5.8℃时，不考虑结霜；当温度-5℃85%时，结霜严重；当tg<-5℃时，结霜速率减慢；当tg<-5.8℃、φ<67%时，不发生结霜；当tg<-12.8℃时，不发生结霜[3].

由表1可初步得知：敦化市供暖期内室外空气平均相对湿度多数均在相对湿度界限以下，少数室外空气状态点落入结霜区且极少部分落入严重结霜区.由表4可知：落入结霜区的时数达到373 h，占供暖总时数的0.08%；落入严重结霜区的时数达到230 h，占供暖总时数的0.05%，其余各月出现严重结霜现象平均每月2～5天，出现结霜现象平均每月4～9天.

表3敦化市采暖季各月结霜所占小时数(h)

除霜情况日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04总计结 霜-13510487650-373严重结霜-9238-3367-230

敦化作为典型的严寒地区，结霜时间短.而超低温空气源热泵除霜化霜可根据程序设定标准，在除霜期运行时间内，间隔每20 min进行一次除霜，每次除霜时间2 min(除净)；按24 h运行计算即124 min，总计大约2.4 h.敦化市连续结霜期约为6～14 d，既最多除霜为34 h小于运行期的20%，完全符合国家标准.且供热期间因除霜所消耗的总电量不大0.6 kW/m2，仅消耗少量能源即可满足除霜要求且不影响室内环境温度需求.

5 热泵供热电耗及运行费用对比分析

5.1 电耗

敦化高速公路服务区西区互感器比为120，每天9：00记录电表读数，如表2所示，根据电表记录可知每天耗电量约为20×120=2 400 kW .

对CO2空气源热泵机组在-20 ℃的低温下能效比计算：

求得COP平均值为2.6，即1 kW的电量可以产生2.6 kW的热量，相比与直接电采暖更加经济节能.

5.2 运行费用

按照吉林省峰、平、谷电价计算，峰电价时间段为7：30-11：30、17：00-21：00共8个小时，低谷电价时间段为22：00-5：00共计7个小时，其他为平电价时间段.平电价为0.525元，峰电价乘150%，谷电价乘50%.根据实测数据，以高速公路服务区西区日平均提供热量6258.24 kW作为计算基准，取多种能源形式进行对比分析，结果如表5所示.

表4热泵用电情况

日期(年/月)测试时间2017/01/072017/01/082017/01/092017/01/102017/01/112017/01/12电表读数/(kW·h-1)108411051126114611691188

表5四种能源单位时间运行费用对比

热源方式空气源热泵直接电采暖燃气采暖燃煤采暖能源类别电能电能天然气化石能源能源消耗量2400kW6258.24kW633.1m30.76t(标煤)能源单价按吉林省电价按吉林省电价2.67元/m31170元/t运行费用/元12603285.581690.60899.58每平方运行费用0.43元/(d·m2)1.12元/(d·m2)0.57元/(d·m2)0.20元/(d·m2)

注：国家环保政策不允许，因此不具备以煤为能源供暖条件.

6 投资回收期

因本工程地处高速公路段，无法利用集中供热和燃气采暖，故以电锅炉采暖进行对比分析.相同条件下，300 kW电热储能初投资费用约为27万元，名义制热量为100 kW空气源热泵初投资费用约为24万元，五台两备三用共需120万元.相对于电锅炉系统计算静态投资回收年限为：

经上述计算可知，CO2空气源热泵机组供热所需运行费用约0.43元/(d·m2)，系统投资回收年限短，严寒地区采暖季节周期长，需采暖地区面积基数大，整个采暖季节省费用的总量非常可观[4].

7 结 语

综上所述，通过对典型严寒地区敦化地区气象资料及实际应用的研究，得出CO2空气源热泵机组作为一种新型环保设备，能够在-20 ℃的低温下正常运行，平均COP值可达到2.6，比燃气、直接用电供热都节能，比集中供热费用高，但是如果综合环境效益和社会效益来看，采用CO2空气源热泵机组比燃煤供热要好.目前CO2空气源热泵机

组应用正处在起步阶段，不能完全替代以燃煤为主的集中供热形式，但对于地处偏远或有环保要求区域的中小型建筑适合采用CO2空气源热泵机组供热.如果条件允许，可配备太阳能等多种形式的供热系统与空气源热泵协同运行，将大大减少运行费用.

[1] 何务华. R410A制冷剂在多联机应用的优缺点[J]. 制冷,2006(1):72-74.

[2] 茅靳丰,窦文平,韩 旭. 高原严寒地区观察哨楼连续式太阳能供暖系统[J]. 解放军理工大学学报:自然科学版,2005(1):63-66.

[3] 姜益强,姚 杨,马最良.空气源热泵结霜除霜损失系数的计算[J].暖通空调,2000,30(5):24-26.

[4] 金洪文,高 杲,毕见胜. 空调型新风换气系统在寒冷地区应用的可行性研究[J]. 长春工程学院学报:自然科学版,2015(1):8-11,24.