空气源热泵供暖在寒冷地区临建中的应用研究

2022-02-10王宇航王巍张藤潘东旭孔令杰

中国设备工程 2022年2期

王宇航，王巍，张藤，潘东旭，孔令杰

（中国建筑第八工程局有限公司东北分公司，辽宁大连 116021）

目前，寒冷地区的临建供暖多采用分体式空调，但其在室外气温降低的时候，效率下降严重，在室外温度低于-7℃时无法启动。寒冷地区1月份的平均气温在-10～0℃，分体式空调不能够满足供暖需求。临建往往缺少市政热源，进一步制约了热源的可选择性。如何较为经济合理地解决临建的供暖需求，是临建供暖亟需解决的问题。

近年来，随着空气源热泵应用补气增焓技术的成熟，扩大了热泵在低温下的运行性能和稳定性，可实现在室外温度-25℃的工况下稳定供热。因此，在缺少市政热源、使用电供暖耗能严重的临建供暖中，低温型空气源热泵是一个节能、稳定的选择。本文以空气源热泵系统在寒冷地区临建中的应用为研究对象，从供暖末端、热源选型进行研究。

1 供暖末端的实验设计与分析

实验地点选取在北京一处建筑工地的临建，热源为低温型空气源热泵，可在室外气温为-15℃的工况下无电辅助运行。选取2层（总共2层）的3个不把边的房间，分别设置风机盘管、散热器、地热，每个房间的尺寸：长度6m、宽度3m、高度2.5m。屋面和墙体采用75mm厚岩棉保温双面彩钢夹芯板，彩钢厚度为0.5mm，导热系数：0.057W/（m•K）。3个房间分别设置温度自计仪，风机盘管、散热器、地热分集水器分别配置热量表及温控装置，在室外放置1台温度自计议。设备及仪表的详细参数如表1所示，安装示意图见图1～3。

表1 设备及仪表

图1 地热分集水器安装示意图

图2 散热器安装示意图

图3 风机盘管安装示意图

2 供暖末端的对比分析

选取2021年1月10日的测量数据进行分析，当日室外最高温度在14:00，为2.2℃，室外最低温度在07:00，为-3.9℃，日平均温度-0.96℃。地热、散热器、风机盘管的供回水温度如图4所示。

图4 地热、散热器、风机盘管的供回水温度

由图可知：地热、散热器、风机盘管的供水温度基本相同，散热器的回水温度最高，地热次之，风机盘管最低。风机盘管的供回水温差是地热的1.69倍，是散热器的2.06倍。

地热、散热器、风机盘管的流量如图5所示。

图5 地热、散热器、风机盘管的流量

由图可知：散热器的流量最大，平均流量为0.72m3/h；地热的流量次之，平均流量为0.64m3/h；风机盘管的流量最小，平均流量为0.54 m3/h。

地热、散热器、风机盘管的散热量如图6所示。

图6 地热、散热器、风机盘管的散热量

由图可知：风机盘管的散热量最大，平均散热量为1.49kW；地热的散热量次之，平均散热量为0.93kW；散热器的散热量最小，平均散热量为0.86kW。

综上可知：在地热、散热器、风机盘管3种末端中，风机盘管的供回水温差最大、流量最小、散热量最大，是空气源热泵系统在临建供暖中最为理想的末端选择。

3 热源分析

在进行空气源热泵的选型之前，首先，要对热负荷进行计算。临建的热负荷主要由围护结构的热传导形成的热负荷和门窗缝隙产生的冷风渗透（侵入）形成的热负荷组成。取2021年2月17日上午11:00的风机盘管的实测数据，散热量：1417W，室外温度为-0.2℃，室内温度为18℃。通过计算本实验单间房间的热负荷，得到在室外温度为-0.2℃、室内温度为18℃时，围护结构的热传导的负荷为417W，可得门窗缝隙产生的热负荷为1000W。可见冷风渗透（侵入）负荷占比71%。根据其他时段的实测参数，当室外温度在-8.9～-0.2℃时，冷风渗透的热负荷占比在60%～74%。其次，在进行热泵机组选型时，应考虑热泵的热量衰减，不可依据标准工况（室外气温7℃）来确定机组容量。在热泵技术较为领先的日本选用采暖度日数HDD＜3000的推荐标准。我国寒冷地区1月份的室外平均温度为-10～0℃，低温型空气源热泵机组能够在-15℃的工况下无电辅助运行，可以满足寒冷地区冬季绝大部分时间的供热要求。但是对于极端最低气温，寒冷地区的大多数区域均低于-15℃。如果以极端最低气温来进行空气源热泵机组的配置，一方面需要选用可在室外气温为-25℃的运行的超低温型热泵机组；另一方面机组配置的容量也会增大。这两方面都会造成机组的投资增加。尽管由于极端低气温出现的时段短、机率小，但是如果末端采用风机盘管的形式，其蓄热性差，供水温度下降对室内温度的影响比较明显，因此建议增设电暖气作为补充热源，同样可作为热泵机组故障时的备用热源，提高供热的可靠性。