基于热泵技术的空气能采暖系统设计及应用实践

包森霖　张希平　张琪　杨锦斌

【摘 要】随着中国经济的飞速发展，资源短缺、供应能力不足等问题逐渐暴露，国家对清洁能源应用的大力推广以及消费者购买力的不断提升，空气能热泵技术已成功在我公司供采暖系统（4200m高海拔地区）实践应用，使用效果良好，为企业带来了丰厚的经济效益和社会效益。

【关键词】热泵技术;采暖供热

中图分类号： TU832 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）15-0020-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.009

Design and Application of Air Energy Heating System Based on Heat Pump Technology

BAO Sen-lin ZHANG Xi-ping ZHANG Qi YANG Jin-bin

（Tibet Yulong Copper Co.， Ltd.， Changdu Tibet 854100， China）

【Abstract】With the rapid development of China's economy， problems such as shortage of resources and insufficient supply capacity are gradually exposed. With the vigorous promotion of clean energy application by the state and the continuous improvement of consumer purchasing power， air-energy heat pump technology has been successfully applied in heating system of our company （4200m high altitude area）. The application effect is good， bringing abundant economic and social benefits to enterprises.

【Key words】Heat pump technology; Heating and heating

1 热泵技术及空气能热泵

1.1 热泵技术

热泵技术原理与制冷系统的工作原理是一致的。热泵系统也一般由蒸发器、压缩机、膨胀阀、热交换器四部分组成，见图1所示，其工作过程为：低温低压的液态制冷剂在蒸发器里从高温热源（如自然界的空气、水或土壤等）吸热并气化成低压蒸气，然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在热交换器内被低温热源冷却凝结成高压液体，再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂，如此就完成了一个制冷循环。

1.2 空气能热泵

1.2.1 空气能热泵技术

空气能热泵技术是基于逆卡诺循环原理的一种节能、环保制热技术，是按照“逆卡诺”原理工作的，逆卡诺循环原理为通过压缩机系统运转工作、吸收空气中热量制造热水，作为热泵技术的一种，有“大自然能量的搬運工”的美誉，有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。具体工作过程：压缩机将冷媒压缩，压缩后温度升高地冷媒经过水箱中的冷凝器制造热水，热交换后的冷媒回到压缩机进行下一轮循环，在这一过程中，空气热量通过蒸发器被吸收导入冷媒中，冷媒再导入水中，产生热水。

1.2.2 空气能热泵工作原理

蒸汽压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷（热）源制取冷（热）风或者冷（热）水的设备，主要零部件包括热侧换设备、热源侧换热设备及压缩机等。空气能（源）热泵利用空气中的热量作为低温热源，经过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到建筑物内，满足用户对生活热水、地暖或空调等需求，具体原理见图2所示。

2 采暖供热项目概况及负荷计算

2.1 项目概况

我公司在建的昌都市生活、办公基地，建筑气候属于寒冷地区，采暖宿舍楼建筑面积6778.52平方米，宾馆建筑面积7002.41平方米，商业楼建筑面积1786.86平方米，地下车库建筑面积4999.57平方米，是集多功能为一体的采暖项目，总建筑面积约20560平方米，供热总负荷约2302KW。

项目中央空调系统及供暖系统设置形式：宿舍楼、宾馆及商业楼采用中央空调加新风和部分地暖系统结合的采暖方式，地下室采用暖气片供暖的方式;项目根据实际情况，供暖主机采用低温型风冷热泵模块化机组提供热源，主机及系统动力装置防置在屋顶。

2.2 热负荷计算

项目设计标准，采暖负荷计算参照《实用供热空调设计手册》（陆耀庆）中的“民用建筑供暖设计热负荷计算”部分有关规定，采用估算法进行采暖负荷进行计算，供暖的采暖单元热负荷初步估算，并根据海拔、高原、工程特点等因素经过参数修正后，估算值结果如表1所示。

2.3 储能水箱有效容积核算

水暖系统需要考虑系统水容量对系统稳定性的影响，对于空气源热泵地暖系统，最大的影响因素是冬季机组除霜。空气源热泵机组化霜时间为3～8min，一般取化霜时间4min来计算缓冲水箱容积。系统热稳定性要求：冬季运行时，主机除霜时间4min，供水温度允许降低不超过3℃。

系统最小水容量M1=Q·T/（C·3），式中：M1为系统最小水容量，kg;Q为主机制热量，kw;T为化霜时间，S;C为水的比热，取值4.2，kJ/kg℃。

系统水容量M2=0.15·L，式中：M2为系统水容量，kg;L为系统管路总长，m。

储能水箱有效容积M=M1-M2（kg）

计算修正后可得：M宾馆≈20000kg=20T，M宿舍≈15000kg=15T。

3 空气能热泵选型配置及供采暖系统设计

3.1 空气能热泵选型配置

依据各供暖单元的采暖热指标、采暖热负荷、冷指标、冷负荷以及主机电负荷的估算结果，根据采供暖项目地点气候、制冷制热及实际使用情况，选用美国“麦克维尔”低温型风冷热泵机组MAC450DR5LH主机，单台制冷量为130kW，低温工况下单台制热量为141kW，具体配置选型：

（1）宾馆采暖空气源热泵机组，制热量141KW，单机电功率43.6KW，9台。

（2）宿舍楼采暖超低温空气源热泵机组，制热量141KW，单机电功率43.6KW，8台。

（3）商铺（含地下室）采暖空气源热泵机组，制热量141KW，单机电功率43.6KW，6台。

（4）宾馆热水超低温空气源热泵机组，制热量32KW，单机电功率7.2KW，2台。

（5）宿舍热水暖超低温空气源热泵机组，制热量32KW，单机电功率7.2KW，2台。

3.2 供采暖系统设计

空气能热泵供采暖系统设计具有多专业、技术新、范围广等特点，涉及模块化设计、独立电控设计、喷气增焓压缩机技术、智能除霜技术、轮换/互备运转技术等最新、先进技术。

3.2.1 模块化、独立电控设计

空气能热泵系统采用模块化设计，由一个或多个模块组合而成，每个模块都有自己独立的电控单元，各模块的电控单元之间以通讯网络连接进行信息交换，空气能热泵系统采用全中文微电脑控制系统，能自动地根据负荷大小进行能量控制，达到最佳匹配，真正实现最佳的节能运行。

3.2.2 两级节流中间喷气技术

项目选用喷气增焓压缩机，采用两级节流中间喷气技术，利用经济器进行换热，实现增焓效果，通过中低压时压缩机边压缩边喷气混合冷却，高压时正常压缩，从而提高压缩机排气量，达到低温环境下提升制热能力的目的

3.2.3 智能除霜技术

空气源热泵系统在环境温度低、湿度大的情况下容易结霜。MAC450DR5LH型模块机组能够根据制热运行的主要参数和负荷变化，精准判断除霜时机，做到有霜除霜，无霜正常制热，并且能够根据实际情况，进行强制手动除霜。

3.2.4 模块化轮换、互备运转技术

空气源热泵系统根据系统使用负荷情况，轮换设置优先开启的模块机组，平衡分配每台模块机组的运行时间，系统内模块分级啟动，减少机组启动电流对电网的冲击空气源热泵系统特有;模块化互备运转技术，采用单模块多系统设计，使同一系统中不同模块之间互为备用。大大提高了机组的可靠性和使用寿命。

4 结束语

随着中国经济的飞速发展，资源短缺、供应能力不足等问题逐渐暴露，环境压力正倒逼着能源战略的转型与能源结构的调整，国家节能减排工作逐步深入和清洁能源应用的大力推广，北方地区“煤改电”工程的相继启动，成为空气能热泵行业发展的助推剂，而空气能作为清洁能源应用的代表，理应受到了各行各业的大力推广。与煤、电供采暖系统相比具有天壤之别、得天独厚之优势，值得全面普及、广泛应用。空气能热泵技术已成功在我公司供采暖系统（4200m高海拔地区）实践应用，使用效果良好，为企业带来了丰厚的经济效益和社会效益。