空气源热泵供暖在畜禽业上的应用

［摘 要］在政策的引导下，空气源热泵在民用供暖领域得到了广泛的应用，为家庭、学校、医院、酒店、工厂、商场等场所提供了温暖舒适的供暖服务。以往的畜禽取暖，利用的是燃煤式锅炉，供暖季还需要多名工人昼夜倒班添煤、掏灰，存在污染环境、成本高等问题，而空气源热泵目前已广泛成为畜禽养殖燃煤锅炉替代的设备。文章以“畜禽业”中使用空气源热泵供暖的实例，阐述了空气源热泵在畜禽养殖业中的应用，对现场安装调试中遇到的一些问题进行了分析，并提出了相应的对策。

［关键词］集中供暖；空气源热泵供暖；散热器；解决方案

［中图分类号］TM615 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0046–04

我国畜禽舍总数量约超过百万栋，当前使用空气源热泵采暖的畜禽舍可能不足1%，以平均每栋畜禽舍配置3 台制热量100 kW 的空气能计算，全国大约需要300 万台，总产值超过千亿元。其不仅在新建畜禽舍中得到应用，在旧的畜禽舍供暖方式的改造中也发挥了重要作用，例如，原来以煤为燃煤取暖的畜舍，在节能减排的大环境下，将其改造成了空气源热泵供暖。空气源热泵系统原理如图1 所示。

空气源热泵供暖节能环保，符合国家政策的要求，实现了系统智能化控制，温度可随畜禽所需要的不同温度进行调节，采暖温度相对比较均匀，在提高了畜禽存活率的同时，也保证了畜禽的健康和快速成长，在整个畜禽业包括养猪场、养鸡场、养鸭场、养牛场、养鹅场等养殖场冬季采暖方案中得到了广泛应用和认可。文章基于空气源热泵在河北畜禽业上的供暖应用案例，阐述了河北畜禽业采用空气源热泵供暖的新技术，分析了现场安装调试过程中遇到的一些问题和处理办法。

1 工程概况

1.1 工程情况

该项目地址为河北省张家口市康保县，主要为畜禽场冬季采暖，采暖面积合计14 295.66 m²。采暖区域分布和温度需求见表1。河北省张家口市康保县冬季平均温度-13.8℃，冬季采暖室外计算温度-30.0℃，采暖天数150 d，冬季最低温度-36℃。末端采用散热器和地暖，冬季室内要求18～20±2℃，保温良好。

1.2 工程要求

（1）设计室内温度（20±2）℃。

（2）供水温度50℃，回水温度45℃。

2 设计依据

（1）GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》。

（2）GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调动设计规范》。

（3）GB/T-25127.1—2020《低环境温度空气源热泵（冷水）机组- 第1 部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》。

（4）GB/T21362—2008《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》。

（5）GB29541—2013《空气源热泵能效等级标准》。

（6）JGJ142—2012《辐射供暖供冷技术规程》。

3 气象参数

3.1 室外空气设计参数

依据 GB50736—2012《 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，查得河北省（东经114°23'，北纬41°28'）室外空气计算参数值见表2。

3.2 室内计算参数

依据2009JSCS—4《全国民用建筑工程设计技术措施- 暖通空调· 动力》全国民用建筑工程设计技术措施表1.2.1 得到冬季采暖室内设计参数。畜禽建筑长期逗留区域空气调节室内计算参数见表3。

畜舍是畜禽长期居住的地方，冬季必须对其进行供热，供暖建筑物的室内温度应选二级。

4 热负荷计算

围护结构的基本耗热量采用的是基于日平均温差的稳态计算法。

建筑冬季的热负荷主要有两个方面：①建筑物围护结构耗热量；②从窗户和窗户的缝隙中漏入冷气的耗热量。其中围护结构的耗热量由基本耗热量和附加耗热量两部分组成。

对于民用建筑，采暖区冬季热负荷主要为由围护结构传热所形成的耗热量。按照GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》的规定，围护结构的耗热量分为基本耗热量、附加耗热量及高度附加耗热量3 个方面。

4.1 围护物基本耗热量

围护物基本耗热量计算公式如下。

Q1=αFK（tNd－tWd）

式中，Q1为围护结构的基本耗热量形成的热负荷，W；α为围护结构的温差修正系数；K为围护结构的传热系数，W/（m2·℃）；F为围护结构的传热面积，m2；tNd为供暖室内计算温度，℃；tWd为供暖室外计算温度，℃。

整个建筑物或房间围护结构的基本耗热量等于其的围护结构各部分基本耗热量的总和。

4.2 围护结构的附加耗热量

围护结构的附加耗热量应按其所消耗基本热量的百分比计算。各附加百分数应根据以下要求进行选择。

4.2.1 朝向修正率

不同朝向的围护结构，受到的太阳辐射量不同，同时，不同的朝向，风的速度和频率也不同。为此，我国GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》对各种竖向外围护结构作了相应的修正。校正系数为：北、东北和西北方向为0～10% ；东、西朝方向：-5%，西南方向：-10%～-15% ；南向：-15～-30%。

选用修正率时应考虑当地冬季日照率及辐射率强度的大小。冬季日照率小于35% 的地区，东南、西南和南向的修正率宜采用0～10%，其他朝向可不修正，本项目不考虑日照修正。

4.2.2 风力附加率

GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》中对建筑物竖向围护结构的热负荷增加了5%～10%，这是我国现行国家标准GB50019—2003标准的要求。

风力附加率指根据室外风速的变化，对墙体的基础耗热量进行修正，计算墙体的基础耗热量时，以4 m/s 的风速计算出的外表面传热系数。在我国大多数地区，冬季的平均风速在2～3 m/s 左右。所以，在工程设计中，通常不需要考虑附加风的影响。

4.2.3 外门附加率

对于在短时间内开启没有热风帘的外门时，室外进入的冷空气得到加热，可用室外的基础耗热量乘以GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》中所列的相应附加系数，而不需要考虑阳台门的附加率。

4.2.4 围护结构的高度附加率

在民用和工业建筑中，由于建筑内部温度梯度的作用，使得建筑内部上面部分的传热系数增大。为此，GB50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》对建筑高4 m 以上的建筑，按每增加1 m 增加2% 的增高率进行了规定，但其增高率不得大于15%。需要说明的是，增加的高度比应该加上基础消耗和其他额外消耗的热量之和。

4.3 湿负荷计算

供暖建筑物或地区在冬天时，其散湿量应按以下规定进行计算。

（1）人体水分散失的数量。

（2）渗透气体所带来的水分。

（3）在该化学反应中所产生的水分散失的数量。

（4）在不同湿润表面上，波浪状或液体流动的水分散失的数量。

（5）食物或气态物质的水分散发的数量。

（6）装置水分散失的数量。

（7）渗透到厂房结构体内的水分散出量。

在计算散湿总量时，要依据不同的散湿源类型，选择合适的系数。在普通的民用建筑中，一般没有考虑渗透到维护结构内和化学反应过程中的散湿量。

通常，供暖区的湿负荷是由人体散发的水分引起的和敞开水槽表面的水分散发引起的，本设计考虑人体（人性化的对待家禽）散湿量。

计算时刻的人体散湿量按下式计算：

Dt=0.001φntg

式中，Dt为散湿量，kg/h；φ为群集系数；nt为计算时刻采暖区域内的总人数；g为1名成年男子的小时散湿量，g/h。

4.4 冷风渗透耗热量

冬季，建筑内的冷空气与建筑内垂直穿通通道气流密度差异而产生的热压，在风吹过建筑时，通过门窗等缝隙进入室内，加热此冷空气所需的热量。冷风渗透耗热量Q2 计算公式如下：

Q2=0.28CpρVΔt

式中，Cp为空气定压比热，取1.01；ρ为空气密度；V为冷空气体积，m3；Δt为室内外计算温差，℃。

4.5 总热负荷量

考虑到该项目实际情况，通过负荷计算及设计经验，结合所给的图纸，热负荷汇总见表4。

5 设备选型

5.1 主机选型

结合工程实践经验，拟采用直流变频空气源热泵二联供机组为冷/ 热源，设备-35℃强劲制热（极寒地区专用），节能环保符合国家碳中和政策、噪声低且运行安全无需人工管理，配置物联网卡可智能远程监控，大量节省人工成本及运行费用。

邦顿超低温直流变频空气源热泵机组，其在冬季供暖室外计算温度-30.0 ℃ 时，BHVE800-32F 机组制热量为112 kW，BHVE400-32FH 机组制热量为56 kW，在热泵选型计算时，要在满足最大热负荷的同时增加10% 的富裕量。则由机组性能参数曲线可得出机组数量，具体热泵主机选型见表5。

5.2 末端选型

要求室温Tin=22℃，按热泵供水温度T1=50℃，回水温度T2=45℃，可计算出过余温度（Δt）。

根据计算公式：（T1+T2）/2-Tin=Δt，即Δt=（50+45）/2-22=25.5℃。

再根据河北昌豪采暖设备公司提供的《低温翅片管散热器散热量实测表》，进水50℃，出水45℃，要求室温22℃（Δt=25.5℃）时，KF-800 型散热器散热量为786.8W/ 组。

由此可知：14 295.66 m2 的畜禽舍，按单位面积80 W/m2 热负荷计算，则搭配暖气片数量为1 453 组。

6 费用估算以及与其他热源设备的使用费用比较

供热站预测能耗，计算耗电总量，按照每天供热运行13 h，供热季150 d，电价0.31 元/kW·h，折合每平方（整个采暖季）运行成本，室内温度达到（20±2）℃，冬季供暖几种能源运行费用对比见表6。

7 现场调试中遇到的问题及解决的方法

当热泵供暖系统安装完毕后，在正式投入使用前的调试运行工作不可或缺。在现场调试过程中会出现一些不可预见的新问题，只有将出现的问题得以解决，在正式移交业主使用时才能保证供暖系统工作的顺利进行。该项目在调试过程中出现了一些问题，需反复调整相应参数，使设备达到最佳运行状态，调试中出现的主要问题及解决方案具体如下。

7.1 空气源热泵机组出现的故障报警

在现场调试过程中空气源热泵主机设备经常会出现某些故障报警，导致机组保护，运行停止。在调试期间线控手操器上出现过以下故障报警。

水流开关故障：系统启动运行5 min 后，出现水流开关故障报警代码，水流开关由于水流量小，水流开关无法打开，主板和手控器无水流开关流量信号，检查、确认机组正常的情况下，检查系统的循环管路及水泵，检查管路阀门有没有损坏或是否打开，检查循环泵是否符合机组流量要求，检查过滤器是否堵塞。发现循环管道中，由于新安装了镀锌供暖管道，里面有生料带、麻丝、旧镀锌管铁屑（原有系统管道）等杂质堵死在过滤器滤网中，造成管道水流量不足，引起水流开关故障。在清洗过滤网后，故障消失，机组运行正常。

7.2 末端散热器温度不高的问题

在安装完成启动调试时，发现一些末端散热器水温升高低，经过对安装管路进行仔细的检测，确定各路管都是同程布管的情况下，通过对水流量进行细致的计算，再与机组参数进行对比，得出原主管道的管径太小，不能与热泵机组相匹配。通过增加并联主管后，这一问题得到了解决。

8 空气源热泵供暖在河北畜禽舍上应用的经验与分享

通过空气源热泵供暖在河北畜禽舍上的采暖案例的分析，可看出在前期的主机设备选型时，主机设备的选型并不难，一般生产厂家都有对应的制热量标准比较。但是末端供暖系统的选型却是多样化的，例如在原来使用燃煤取暖时使用的散热器大小、长短；供水主管道的大小走向均不一样，一案例一个方案。以下为该项目中的经验分享。

（1）方案选型设计时，须进入现场勘察原有旧系统的末端采暖设备，并进行相关数据记录，以便后期进行有关数据计算、校对，以更确定合理的末端采暖设备参数，这对整个供暖系统的稳定运行至关重要。

（2）提高能源的使用效率是最终目的，也是将燃煤替换成空气源热泵的主要原因，这是国家碳中和、碳达峰的国家要求，在系统运行方式和辅助运行设备选型时，怎样选择能效高的产品，并使之结合，运行在较低能耗水平之间，是方案设计时考虑的问题之一。

（3）正式移交业主前的调试工作不可缺少，须认真解决调试运行过程中出现的一些问题，以保证设备选型满足相关的设计及使用要求。

（4）在公司总部建立基于互联网端的监控平台，机组运行的电控系统部署通讯端能与公司总部监控平台进行通讯，出现故障，第一时间发现问题、解决问题，为售后赢得宝贵时间。

9 结束语

在北方地区的畜牧业养殖中，空气源热泵供暖的应用是一项非常复杂的系统工程，其不仅涉及前期方案和图纸的深化设计，还涉及对现场的施工情况进行调查以及后期的现场调试。一般来说，一个工程动辄数千m2，甚至数万m2，这就给施工单位和售后服务带来了更高的要求。对现场的安装调试进行可视化实时监测，并对在调试中持续出现的实际问题进行有效地解决，才能保证各工艺环节间的有效连接，从而确保整个工程的成功实施。目前，我国北方畜禽行业的“空气源热泵”供暖工程已经在河北地区进行了3～4 a的稳定运行，并逐步被津京冀，山东和山西等北方地区所采用。

参考文献

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[4] 中国标准出版社第六编辑室. 采暖散热器及相关标准汇编[M]. 北京：中国标准出版社，2009.