低温空气源热泵及辅助热源复合系统在高原地区医院建筑的应用

2020-02-18王珏

中国建筑金属结构 2020年1期

王珏

【摘要】高原地区由于气候原因在供暖时应考虑使用低温空气源热泵，并设置辅助热源进行补充。本文以西藏自治区某医院建筑为研究对象，通过对单一低温空气源热泵供暖、低温空气源热泵+太阳能辅助热源供暖以及低温空气源热泵+电加热辅助供暖三种不同的热源方案进行分析，对比其经济效益、节能效益和环保效益，得出如下结论：低温空气源热泵+太阳能系统与其他两种方案相比费用年值最低，节能减排量最高，具有较好的经济性和环保性。

【关键词】低温空气源热泵; 太阳能; 高原地区; 节能减排

空气源热泵从室外空气取热，以电力作为驱动实现工质的热力循环，具有较好的经济性。由于其具有安装使用方便、初投资较低、对环境污染较小等特点，适应可持续发展的要求，被广泛应用于各类住宅及办公建筑。

而对于高原高寒地区，如青藏高原腹心西藏自治区而言，其具有湿度低、气压低、气温低等显著的高原寒冷地区气候特点，使用传统空气源热泵机组可能使得制热量和能效比剧烈衰减，并出现结霜等问题，使得机组在高原高寒地区无法高效运行，难以满足建筑内人员的冬季采暖需求。

低温型空气源热泵机组便可有效解决上述问题，在-10℃～-30℃的环境温度下也能实现稳定高效地制热，以取代其传统的燃油、燃煤等取暖方式。解决了空气源热泵在低温环境下工作的不足，这种技术的推广对藏区能源结构调整、治理城市环境污染、解决电力结构性过剩、促进暖通空调的可持续发展有着重大意义。

1. 工作原理及技术特点

1.1工作原理

在冬季，温度低于-5℃时，空气源热泵的室外换热器中制冷剂的蒸发效果变差，造成吸入压缩机的气体减少，制冷剂的循环流量降低，使得热泵的制热效果不理想。喷气增焓系统是现阶段低温空气源热泵运用较广的一种技术方案，通过在传统热泵空调系统里增加一个经济器回路，以此来提高制冷量和制热量，同时提升整个热泵系统的COP。实际工程中，带有喷气增焓系统的涡旋压缩机，除常规的排气口及吸气口外，还增加了额外的蒸气喷射口。热泵机组工作过程中，制冷剂经冷凝器冷凝后，除主循环路线外还设置有喷射回路，其中的制冷剂经节流阀节流后变为中压气、液混合物，在经济器内与主回路中的制冷剂发生热交换。随后，这部分气液混合物吸热后形成制冷剂蒸气，通过蒸气喷射口喷射到涡旋盘的中间腔，以增加制冷剂流量，从而解决了由于低温下制冷剂循环流量不足而导致的制冷制热量下降的问题，同时还可防止由于压缩机排气温度过高引起的失效模式的发生[1]。

1.2技术特点

低温空气源热泵系统作为新型环保空调，存在着以下技术特点及优势：

1.2.1减少辅助电加热器的使用

藏区长久以来多采用传统的采暖方式，如燃煤，燃油采暖，不能很好地适应可持续发展的要求。但由于空气源热泵的工作特性，工程设计中常常需要增设辅助电加热器来解决低温环境下制热量不足的问题，其往往加在室内水路或室内进风口前，这种方式不仅会增加初投资，还会使房间空调器吹出的热风较为干燥、舒适感差。同时，由于冬季供暖不保证时间持续时间很短，备用热源诸如辅助电加热或者锅炉房的存在对于建筑面积的使用而言十分不合理。而低温空气源热泵能够在-10℃～-30℃的大气环境中长期高效、安全的运行，可以省去后备热源，這样从初投资费用来看具有极大优势。

1.2.2 COP值提升

使用喷气增焓技术后，系统制冷剂的循环流量增加。经刘强[2]等研究人员测试，在蒸发温度为-13℃，冷凝温度为49℃，吸气过热11℃的运行状态下，应用喷气增焓技术，对于R22制冷剂，制热量提高19%，COP提高9%，排气温度降低12%;对于R134a制冷剂，制热量提高约24%，COP提高约16%，排气温度降低8%。整个机组可稳定、高效地运行在低温环境中。

2.复合系统在医院建筑中的应用

2.1工程概况

某医院建筑位于西藏自治区，有着典型的高原寒冷地区气候，根据建筑热工气候分区，该建筑处于寒冷地区。该医院总建筑面积为33282.7m2，其中地上30516.02m2，地下2766.68m2，建筑共分为七层，高度达30.9m。

该工程由一栋七层门急诊住院综合楼、一栋三层办公及倒班楼、一栋二层传染病楼、一栋单层洗衣房及食堂、一栋单层制氧站及高压氧舱和一栋单层污水处理站及垃圾暂存间组成。根据建筑使用功能、时间和空调负荷特点以及各空调区域的位置分布，该建筑门诊、急诊、住院楼及传染病楼分别设置了集中空调系统。门诊部分及其他大空间公共区域空调面积约为8567m2，空调热负荷为556.8kW，热指标为65W/m2;急诊区及各住院病房空调面积约为10209m2，空调热负荷达860.8kW，热指标为85W/m2;传染病楼空调面积1245m2，空调热负荷208.4kW，热指标略高，为167W/m2。

2.2 热源方案

按照该地区的气候特点，本建筑只设计冬季供热中央空调系统，由于该地区既无天然气，也不能采用燃油、燃煤供热，只能采用电能作为空调热源，最终选定采用大型空气源热泵机组作为中央空调的主要热源。

考虑到西藏地区丰富的太阳能资源，拥有优秀的环保效益和节能效益，可使用太阳能作为低温空气源热泵供暖系统的辅助热源。由于低温时空气源热泵的制热量会降低，且此时太阳辐射也较低，因此需要安装蓄热水箱来储存热量。空气源热泵+太阳能集热器辅助热源系统如图2所示。

由于平板型太阳能集热器运用最为普遍，且运行稳定，结构简单，受热面积大，是作为辅助热源的最佳类型之一，因此本系统中选用该类型。

由于项目坐落地区无天然气，也无法采用燃煤、燃油锅炉，考虑使用电加热设备作为另一种形式的辅助热源。电加热设备具有易操作和控制，便于调节等优点，且高原地区的电力供应主要是靠水力以及地热发电，因此也可纳入可再生能源范畴，属于环保、优质的辅助热源类型。

为对比不同的冷热源配置方案的优劣及合理性，本文采用单低温空气源热泵供暖、低温空气源热泵+太阳能辅助热源以及低温空气源热泵+电加热设备3种热源方案进行对比分析。为尽可能降低其他因素影响，其中主要热源均是同厂家同型号的低温空气源热泵机组。具体方案设置如表1所示。

其中各方案热源数量设置方法如下：

以该医院建筑为例，该地区日平均温度基本在-5℃～10℃之间。在进行低温空气源热泵选取时，其额定制热量是在环境温度为7℃测得，因此在该建筑的设计工况下需对其制热量按样本给出方法进行修正。

如传染病楼冬季空调依据计算热负荷208.4kw，进行融霜修正后热源选用3台额定制热量为68kW的低温空气源热泵。但当室外温度达到-8℃时，根据该型号热泵的变工况性能，其制热量降低为53.5kW，此时的热泵实际制热量低于建筑热负荷，表明热泵机组不足以完全提供建筑所需热量，需辅助热源进行共同制热。

因此，以最低温度、以最不利情况确定低温空气源热泵制热量，其余建筑所需热量则全部由辅助热源提供。以此种计算方法可得出各方案中主热源与辅助热源分别要提供的制热量。具体数值将在2.3节中给出。

2.3 方案各项效益对比分析

2.3.1节能效益分析

该医院建筑所在地区供暖时间为11月1日～3月20日，且医院建筑工作时间为全天24小时。通过上述方法对该医院建筑整个供暖季进行计算分析，得到各个方案的供暖数据如表2所示。

从图2可以看出，方案2，即低温空气源热泵+太阳能辅助热源供暖系统的PER和HSPF都是最高的，其中PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

综合来看，方案2的节能效益最好，能源利用率最高;方案1由于单一空气源热泵在低温下制热量会降低，导致其PER最低，而方案3由于采用电加热系统作为辅助热源，HSPF最低，节能效益低。

2.3.2 经济效益分析

费用年值是衡量投资经济性的主要指标，将各方案整个运转周期内的资金情况都纳入考虑，以某一收益率为基础，将初投资的资金值分摊到整个运转周期的年运行费用里。它考虑了方案的初投资、年运行费用、年维护费用等，总费用最小的方案则为最优[3]。

由图3可以看出，以15年为使用年限的情况下，采用电加热设备作为辅助热源的方案3费用年值明显高于其他方案，经济性最差;方案2，即采用低温空气源热泵+太阳能辅助热源，虽然初投资较高，但是运行费用明显低于其他方案，因此其费用年值也最低，较方案1和方案3分别节约17.0%和27.5%，具有较好的经济性。另外，不采用任何辅助热源，仅使用低温空气源热泵的方案1初投资费用最低，在建筑使用年限较短的前提下也可以考虑采用该方案。

2.3.3环保效益分析

按照产生1MWh电能消耗310kg标准煤，1kg标准煤燃烧产生2.47kg二氧化碳、0.02kg二氧化硫、0.01kg粉尘及0.04kg氮氧化物进行计算，各个方案在供暖季的主要环保参数对比如表6所示：

由表6可以看出，方案2的折算标准煤消耗量最少，其排放的各种有害其他气体和粉尘也较方案1和方案3同比减少21.6%和32.6%，可见其节能效益突出。

3.结论

对西藏自治区某医院建筑的三种热源方案，即单一低温空气源热泵供暖、低温空气源热泵+太阳能辅助热源供暖及低温空气源热泵+电加热辅助供暖进行分析，对比了三个方案的节能性、经济型和环保性，得到如下结论：

3.1不采用任何辅助热源，仅使用低温空气源热泵的初投资费用最低，运行费用适中，在项目使用年限较短时，可以考虑采用该方案。

3.2从节能性来看，低温空气源热泵+太阳能辅助热源的节能效益最好，能源利用率最高。其一次能源利用率PER比方案1高出62.7%，比方案3高出53.7%;供热季节性能系数HSPF比方案1高出40.5%，比方案3高出54.2%。

3.3從经济性来看，以15年为使用年限的情况下，采用电加热设备作为辅助热源经济性最差;低温空气源热泵+太阳能辅助热源，虽然初投资较高，但是运行费用明显低于其他方案，因此其费用年值也最低，较方案1和方案3分别节约17.0%和27.5%，具有较好的经济效益。

3.4从环保性来看，低温空气源热泵+太阳能辅助热源与其他方案相比节约标准煤量高达32.6%，同比例减少有害气体排放量，环境效益突出。

参考文献

[1]刘海波. EVI技术在低温热泵空调中的应用分析. 内燃机与配件，2018，17（117）：233-234

[2]刘强，樊水冲，何珊.喷气增焓涡旋压缩机在空气源热泵热水器中的应用.第十三届全国热泵与系统节能技术大会论文集.北京市：中国制冷学会，2008.205-209