空气源热泵双循环系统煤改电中的设计

撖 文 辉

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

国务院办公厅关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见，其中要求加大对无组织排放治理力度，支持企业向特色园区集聚，鼓励园区加快燃料升级，有条件的企业实施“煤改气”“煤改电”，集中使用清洁能源。

吕梁某煤矿采用空气源热泵取代燃煤锅炉，由于矿区的单体建筑较为分散，因此不设置集中的热源，每个单体附近安装空气源热泵为其提供热水。以职工宿舍为工程实例分析，宿舍层数6层，采用上供下回双管散热器供暖系统。原有散热器要求温度较高，规范要求供回水温度为75 ℃/50 ℃，空气源热泵在标况下出水温度为50 ℃。煤矿位于山区，海拔较高，冬季风速较大，室外采暖温度较低，因此热泵的衰减较大，出水温度低于标况出水温度，随室外温度波动较大，散热器散热量受此影响较大，为保证室内温度，热源端采用怎样的形式，才能保证出水温度受室外温度影响较小，保持较小的波动，同时在符合节能政策的要求下，保证室内温度的要求。

1 工程实例

1.1 工程概述

职工宿舍为6层砖混结构，有外保温，双层玻璃外窗；长度100 m，宽9 m，建筑面积5 400 m2，供暖面积约5 000 m2，室内采用上供下回式双管供暖系统，铸铁散热器供暖。

1.2 供暖改造方案

本工程室外气候资料见表1。

表1 室外气候资料

取消原有供热锅炉，室内供热管道、末端散热器保持不变，管网不变，热源采用空气源热泵。为不影响宿舍员工休息，热泵机组设在建筑单体通风效果较好，且冬季太阳辐射时间较长的位置，这样热泵机组的能效比在同等工况下达到最大值。

热泵机组与蓄热水箱为一次循环，设一次循环泵，变频系统；二次循环泵承担系统的阻力及建筑定压，系统减少了定压系统。热泵机组；蓄热水箱与用户端为二次循环。蓄热水箱采用开式水箱，为保证在极端天气情况下，出水温度过低，影响散热器供暖效果，同时为防止室外温度低于热泵启动温度造成主机停止运行，水箱内设电加热棒，当水箱内温度低于40 ℃情况下，开启电加热系统。水箱内设浮球阀，当液位低于限值时，软水系统自动补水。蓄热水箱回水主管设泄压阀，防止非满管回水，造成空气进入系统(如图1所示)。

1.3 设备选型

1)考虑主机冬季室外温度低于标况温度及间断容霜，导致主机制热衰减，按照热泵低温供热能力选择主机，选择4台100 kW热泵机组。

2)一次循环泵需满足满负荷运转时的最大流量，阻力按照室外网管长度及走向计算。

G=Q1/cΔt1。

Δt1——机组进出水温差。

3)二次循环泵的流量根据室内热负荷计算，阻力不但要求考虑室内管网阻力，同时要考虑建筑高差。

G=Q2/cΔt2。

式中：Q2——建筑物热负荷;

Δt2——散热器进出水温差，按15 ℃～20 ℃考虑。

其中，H为建筑物高度，采用此种开式系统，主要是用水量较大，水箱较大，同时采用换热式水箱会造成热效率降低。

4)蓄热水箱的计算。

蓄热水箱起着缓冲，电加热能源补充，蓄热，自动排气，清洁作用，还有在热泵除霜时，可不从室内制取热量，从水箱中提取热量即可，减少除霜对室内环境温度的影响。最重要的作用是当供暖周期的始末，中午室外温度较高时，同时室内热负荷由于太阳辐射，负荷降低，这时蓄热水箱可以储存一部分热量，当夜晚温度较低时，此部分热量可以作为补充。只有当蓄热水箱的温度高于设定值时，可以停止部分热泵机组工作，大部分时间，热泵都是处于运行状态，热泵不会频繁的启停，而造成能源的浪费。

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关于蓄热水箱的容量计算，规范上没有明确的计算公式，根据多方面查得资料，可参考以下计算公式：

式中：L——水流量；

Q——机组制热量;

α——水流速。

2 机组运行及室内热环境

根据运行软件监控，整个根据运行期内热泵机组的进出水温度、运行时间、电加热等参数，可计算出整体热泵机组的能效比。

2.1 不同时段蓄热水箱温度

从监控记录可查，冬季供暖期内水箱的温度记录如下，白天的水箱可以蓄一部分热量，在下午14：00左右达到高峰值，晚上室外温度较低的情况下，从22:00可以看出温度有较大下降，这时白天的蓄热量也耗到极限，晚上水箱供水温度虽低，这时户内住户基本处于睡眠状态，室内温度要求也较低，满足室内温度要求(见图2)。

2.2 系统的出水温度

系统采用蓄热机组，通过整个采暖期的记录结果，能显著提高空气源热泵的出水温度，单空气源热泵机组，冬季出水平稳温度50 ℃，采用蓄热水箱后，系统的出水温度可以提高3 ℃～5 ℃，明显提高整体系统的供热效果。

2.3 室内热环境

采用水泵直供，无定压系统，从运行过程来看，运行平稳，系统没有出现很多的空气进入。采用蓄热水箱后，晚上供暖温度没有很大幅度的波动，整体室内参数如图3所示。

3 结语

1)采用蓄热水箱后，对于机组的出水温度有很大提升作用，同时还能减少室外温度波动对室内的影响。

2)对于多层建筑，机组采用直供形式，循环泵满足循环及定压要求，系统运行平稳，并未产生喘振，气体进入系统等影响。

3)电辅热系统在夜间补充热量占到热负荷的30%～40%，考虑当地低谷电价为白天电价的1/2，此部分热量的能耗比与空气源热泵相差不大，极大的提高了室内空气温度的稳定性。

4)系统无定压系统，简洁方便，减少初投资。