空气源热泵直凝系统在夏热冬冷地区供暖适应性的研究

钱 浩

沈阳建筑大学市政与环境工程学院（110168）

我国夏热冬冷地区处于我国寒冷地区和炎热地区之间的“中间区域”，人口约为5.5亿，面积180万m2左右。该地区建筑供暖能耗近年来不断增长，住宅类建筑能耗从1996年至2007年已增长超过5倍。根据我国能耗和碳排放的相关政策，该地区供暖能耗控制势在必行[1]。近年来，夏热冬冷地区的供暖成为了人们日益关注的问题。夏热冬冷地区在长江中下游及其周围地区，气候特点是夏季酷暑，冬季严寒，昼夜低温，年降雨量大，日照值低。这地区特别是北部和南部，由于地理分布广泛，天气条件的差异也较大。夏热冬冷地区不属于集中供热地区，近年来，人们使用了很多自己的取暖方式，但这些都不能满足人们的需求。这部分地区的家庭如果不能负担得起能源，也不能有效地利用能源，将极大地增加能源消耗[2]。在我国北方寒冷地区，冬季供暖已经形成了集中式供暖和分散式供暖的多种技术路线。而南方夏热冬冷地区的能源种类、气候特点、地形地貌、建筑围护结构特点以及居民生活习惯等与北方寒冷地区截然不同，完全照抄照搬北方寒冷地区冬季供暖的技术路线是不可行的。因此选择更适合夏热冬冷地区的供暖系统显得尤为重要，南方夏热冬冷地区在冬季供暖须充分考虑环境保护和节能减排，综合考虑南方地区各种因素，探索解决南方夏热冬冷地区冬季供暖问题的综合技术路线[3]。

1 夏热冬冷地区供暖现状

进入21世纪，空调在家庭中的普及率逐年上升，热泵空调在夏热冬冷地区占有相当大的比例，成为最重要的家用电器之一。目前国内夏热冬冷地区家庭供暖主要采用家用空气源热泵空调器、户式空调机、地面辐射供暖、区域供热及电热器[4]。

夏热冬冷地区分布地域宽广，冬季供暖是必要的，但是将整个区域捆绑在一起进行集中供暖并不合理，应根据当地气候状况、生活习惯，采用适合的供暖方式。从区域能源特点及能耗状况的角度分析，集中供暖并不是夏热冬冷地区冬季供暖的最佳选择，应采用将当地资源如太阳能、地热等清洁能源及生活废热余热等与热泵技术相结合的供热模式[5]。

2 空气源热泵直凝供暖系统

我国由于受社会经济条件的制约，在人体热舒适和建筑室内热环境的研究起步较晚。我国横跨五个气候区,具有典型的“夏热冬冷区”和“严寒地区”,给热舒适研究提供了优越的气象条件。但是与国外相比,我国在这方面的研究工作缺乏系统性,到目前为止还没有针对我国的成熟的热舒适标准,在过去相当长的一段时期内，研究工作的重点都集中在温度这个单一的热环境因素上，而没有注意到人体热舒适其实是多个热环境因素综合作用的结果[6]。随着国内对人体热舒适和建筑室内热环境研究的不断深入，人们在这方面的理解和认识也在逐步深化,出现了一大批优秀的专家学者，同时也发表了一系列高质量的学术论文，所有这些都为接下来的研究工作指明了方向。

吴锦京从舒适性方面入手，对空气源热泵直接地板辐射供暖系统进行了分时段间歇供暖的试验研究，引入操作温度来分析室内热舒适性，同时对连续性和间歇性供暖模式下的能耗进行了对比分析[7]。王恩丞等人对空气源热泵联合低温热水地板供暖系统进行了实测，分析了技术及经济的可行性[8];胡军等人对低温热水地板辐射供暖系统的运行模式进行了试验研究,证明间歇供暖运行模式既能达到供暖要求又能节电[9]。为进一步探究空气源热泵直凝系统在夏热冬冷地区的适用性，文章探讨了直凝式空气源热泵采暖系统的特点与形式。

2.1 系统特点

直凝式空气源热泵采暖系统与传统的低温热水地暖系统相比，主要优点体现在:制冷剂直接进入地暖盘管内进行冷凝相变传热，其热量传递能力为水的10倍、单位质量热媒传热效率更高[10]；地板采暖属于辐射供暖，因此其属于最舒适的一种供暖方式，可以均匀地表的温度，给人一种脚温头凉的舒适感觉。除此之外，还不会造成空气的污浊，保证室内空气的洁净。其最大的功能就是可以促进人体血液的循环、促进人体新陈代谢。

无需二次换热，减少了能量传递环节和传热湿差浪费，提高能源效率；无需循环水、风管等输送系统，也不需要增加其他的换热设备，减少了设备一次投资的运行能耗；稳定性高，地板辐射是依靠地板结构层传递热量的，由于结构层具有储热作用，使得地表散热量更加均匀。地板辐射供热介质可以利用空气能、太阳能、地热能乃至废热等多种形式的热源；地板福射采暖直接制冷剂作为热媒，盘管内部不会出现水垢等问题；如果关闭了地板采暖设备，也不必担心室内变凉，因为其的热效应很稳定，温度变化也会非常的缓慢。因此，在夜晚睡眠的时候，可以将地板采暖设备关闭，这样还能够节约电能。

2.2 系统形式

基于直凝式空气源地板辐射采暖系统的优点，接下来具体介绍一下系统原理、形式和适用性。空气源热泵直凝供暖系统原理是逆卡诺循环，低温高压液态制冷剂经膨胀机构节流处理后变为低温低压的液态制冷剂，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量；蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂。此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分:一部分是从空气中吸收的热量，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量；放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机构，节流降压，如此不间断进行循环。在此供热过程中，热量先传递给地面，再以地面为散热面对屋内进行辐射散热，并利用地板自身结构的层次，使地表温度升高，热量由下至上进行传递，达到供暖的目的。这样的热量传递过程使得室内温度随高度的增加而降低，使人体的热舒适感更高。

该系统主要由两部分组成，分别是空气源热泵室外机组和室内的地盘管（如图1所示）。室外机组主要包括压缩机，蒸发器和节流装置，传统装置中的冷凝器由室内地盘管代替[11]。

图1 直凝式泵空气源地板辐射采暖系统

3 结语

南方地区的供暖近年来引起大家普遍关注，对于夏热冬冷地区的供暖问题，提出了一种新型的供暖系统空气源热泵直凝的供暖系统，我国不少学者已对其供暖效果、运行方式进行了分析，文章浅析了空气源热泵直凝供暖系统的原理及冷凝特性，作为一种新型的供暖系统，该系统目前为止还未有相关规范出台，仍然存在一些问题，如缺乏相关的施工规范，系统优化和控制策略有待完善。