分体式空气源热泵在北方某铸造车间中的应用

赵晓雷 田思瑶 单永明

摘  要：为解决原北方供暖方式耗能大、二氧化碳排放量大的问题，以大连市某供暖面积为13000m2的铸造车间为例，介绍了一套可应用于北方寒冷地区的绿色分体式螺杆空气源热泵机组，着重阐明了该空气源热泵在低环境温度下仍具有水系统防冻、减少热能损失、噪音低、组装安装灵活的特点，将机组与北方常用的四种供暖方式进行经济性对比分析，结果表明：其具有节能、运行费用较少的优势。该机组设计为设计人员提供参考，有利于清洁的空气源热泵在北方深入推广。

关键词：空气源热泵;分体式;铸造车间;供暖空调;北方地区

引言

近年来，伴随国家十三五实施“煤改电”政策、提出碳达峰碳中和“双碳”目标等措施积极推进国家节能减排工作，我国居民对环境要求的逐渐提高和环保意识的不断增强。北方在冬季时具有集中供暖的优势，但是这种供暖方式常采用燃烧化石能源产热，存在污染严重、碳排放量极高和产热效率低等问题[1]，因此急需被取代[2]。

空气源热泵就是十分具有可行性的替代方法之一。空气源热泵利用少量电能，将空气中的热能通过压缩后转化为高温热能[3]。空气作为热源，具有无用量限制，且热量补充迅速的优点[4]。与燃烧煤炭相比，空气源热泵的碳排放量低，具有高效节能、应用灵活等显著优势[5-6]，但是空气源热泵的制热量受环境影响较大[7]。北方冬季环境温度较低时，机组存在制热量减小、压缩机排气温度较高、润滑油粘度增大以及电机过热等问题[8-9]。本文结合本公司铸造车间新增热泵供暖系统的运行情况，介绍了一套可用于北方寒冷地区的空气源热泵机组，为暖通工程师研究和应用空气源热泵提供参考。

1 项目概况

公司铸造车间位于辽宁省大连市，根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016表4.1.2及附录A.0.1[10]，大连市属寒冷A区，供暖室外计算温度-9.0℃，空调室外计算温度-16.3℃。

查询历史天气，可得出近五年来大连市的冬季最低气温及天数如图1所示，其中2016年冬季气温最低，为-17℃。

2 系统介绍

针对大连地区该铸造车间，对分体式空气源热泵系统进行选型计算分析。供热面积共计13000m2，单台室内机制热输入功率190kW，COP2.92，名义制热量570kW，单台室外机冷凝器的风量为26000m3/h。经过热负荷计算后，得出选用两台室内机和四台室外机组合的设计方案。机组的制热量共计1140kW，风量104000m3/h。室内机主要由压缩机、蒸发器、四通阀等部件组成，室外机主要由冷凝器和膨胀阀组成。机组的系统原理图如图2所示。制热运行时，经过压缩机产生的高温高压制冷剂气体，经四通阀排放至水侧换热器，与循环水进行热交换，将热量排放到水中，循环水达到需求温度与室内空气进行交换，实现制热目的。而高温高压的液态冷媒，在通关过电子膨胀阀节流形成低温低压的气液混合物，与空气进行热交换，吸收空气中的热量，回到压缩机，完成一个循环。

3 分体式热泵的应用特点

由于普通热泵在环境温度为-10℃及以下的工况下，存在制热量下降、冷凝器易结霜的问题[11]。本机组制热运行环境温度最低可达到-35℃，可在严寒地区使用，有利于空气源热泵的应用与推广。

3.1水系统防冻

冬季若将与蒸发器换热的水箱放置于室外，若机组发生意外断电，水循环水管内的水将迅速凝结成冰，堵塞管路。该项目将水箱放置于室内，热泵机组和水箱之间的连接管路均处于室内，大连冬季平均室外气温约为-10～-5℃，将水路布置与室内，对预防水系统防冻事故具有显著效果。

3.2 散热少

大连冬季室外平均温度较低，机组运行时压缩机和油分处温度约为70～80℃。将机组中压缩机、油分及其他高温部件放在室内，可显著减小容器内与环境的温差，减小零部件消耗和浪费大量热能，提高换热效率。

3.3 噪音低

空气源热泵的噪音主要来自于压缩机产生的机械噪音和由压缩机运转时引起的钢结构振动产生的噪音，以及冷凝器的风机产生的风动力噪音采用分体式设计，压缩机放在室内机房，相当于在噪音源的四周加建一个隔音间，可有效降低噪音值。

3.4 安装组装灵活

该系统将室外机放置于厂房外空旷处。若机房外空间比较紧凑或无空旷平地，也可将室外机组放在房顶或其他任意就近空旷处，与体积较大的一体机相比，分体式机组具有体积较小、安装灵活的特点。本系统采用 2个室内机和4个室外机的组合方案，而本室内机最多可实现16个机组组合的方案。可根据供暖需求自由组合室外室内机组，机组应用范围广，组装方便。

3.5 经济性

空气源热泵利用少量的电能，从空气中获得热能实现供热目的，是目前较为高效、环保、节能的优选供暖方式。按照大连市供暖期125天，每日供暖12小时，电价按照2022年峰谷平电价计算，常用的四种供暖方式与空气源热泵运行费用和环保性能的对比分析结果如表1所示。从表1中可以得出：以该铸造厂为供热对象，空气源热泵每年比电加热供暖方式节约78.8%，比燃油锅炉节约74.2%，比燃气锅炉节约61.6%，比燃煤锅炉节约39.5%。采用空气源热泵供暖年能源费用明显远低于电加热、燃油锅炉、燃气锅炉。虽然与燃煤锅炉的费用相差较小，但是燃煤锅炉供暖方式污染严重、早已被列为淘汰之列。因此空气源热泵也具有优异的经济性，是清洁环保供暖方式的首选方案之一。

4 结语

本文以大连市某铸造车间供暖项目为例，介绍了一种分体式螺杆空气源热泵机组，分析了将水箱及高温部件放置于室内后，可有效避免安全隐患，显著减小由于北方冬季室外低环境温度对机组换热的影响，扩大机组的应用范围，为设计人员提供参考意义。通过对比五种供暖方式的运行费用，得出结论：空气源热泵具有较好的经济性和环保节能性。为其在北方的进一步应用提供有利的理论支持。

參考文献

[1]王文斌. 北方某空气源热泵项目设计分析及思考[J]. 江西建材，2021，（11） ： 305-306.

[2]艾默生环境优化技术. 北京密云司马台新村空气源热泵应用实例[J]. 建设科技，2014，（18） ： 46.

[3]范旭红. 空气源热泵采暖在建筑节能中的应用与前景分析[J]. 山西建筑，2017，43（14） ： 198-199.

[4]杨少宇，陆凯君，杜娟，等. 空气源热泵特点及其在北方地区的应用[J]. 山东工业技术，2018，（11） ： 76.

[5]王宇航，王巍，张藤，等. 空气源热泵供暖在寒冷地区临建中的应用[J]. 中国设备工程，2022，（01） ： 19-21.

[6]吴卫平，吴琛，窦秀华，等. 空气源热泵在建筑节能中的应用[J]. 山东工业技术，2017，（17） ： 124.

[7]黎志瑜. 空气源热泵冷热水机组在寒冷地区的应用研究[J]. 科技技术创新，2021，（36） ： 28-30.

[8]杨景洋，梁思源，彭泽焓，等. 严寒地区空气源热泵供暖运行性能研究[J]. 制冷与空调，2020，（10） ： 73-77.

[9]熊彧可，李程明，纪忠君，等. 空气源热泵综述[J]. 现代制造技术与装备，2021，（12） ： 172-174.

[10]GB/T50176-2016， 民用建筑热工设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[11]李远付，魏晓钰，薛冬华. 超低温空气源热泵在甘肃某职工宿舍楼中的应用[J]. 制冷与空调，2020，（5） ： 45-48.

作者简介：

赵晓雷（1984.4--），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，中级工程师，主要从事冷热系统技术研究与应用方面工作。