風冷熱泵采暖應用管理論文

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摘要：由于環保要求的提高,我國北方越來越多的城市限制燃煤采暖,隨之而來何種清潔節能的采暖系統可替代燃煤采暖成為關系到國計民生的緊要課題。本文通過對三種風冷熱泵機組低溫（-6～-16℃）性能的測試，發現采用地板采暖時，由于地板所需水溫較低，C.O.P可以在3.0以上，比風機盤管供暖節省30-35%。選擇低溫性能優異的風冷熱泵機組，并適當考慮功率大一些，在我國大部分北方地區，均可以滿足采暖要求，達到明顯節能、環保的效果。風冷熱泵結合地板采暖將是替代燃煤采暖的最經濟的清潔采暖系統。

關鍵詞：風冷熱泵地板采暖COP

一、我國北方地區面臨的采暖問題

環境保護與節約能源正挑戰我國的供暖熱源。各種傳統采暖方式都存在不同的缺陷：

1、燃煤鍋爐采暖污染嚴重，必須改變。

2、集中供熱收費制度正在改革，但即使解決了分戶計量問題，也還存在著系統網絡如何避免水力與熱力的失調問題，除非徹底解決自動化，否則，很難實現用戶自主調節使用,并繳納相應的費用。

3、使用燃氣爐采暖，一是用戶支出費用高，二是仍存在污染問題。據北京市節能辦公室對用這種熱源分戶采暖的住宅小區進行測試，證明氮氧化物明顯超標，甚至還存在安全隱患。

4、直接用電取暖（如：電暖氣、電熱膜、電鍋爐等），由于燃料的利用率太低，運行費用很高，所以，在國標中明確規定一般情況不允許采用[1]。

表一：幾種常用能源冬季采暖費用比較

方式

燃料價格

熱轉化效率

燃料熱值

產生1KWH熱所需費用

北京地區運行費用

特點

燃煤集中供熱

280元/噸

55%

5000wh/kg

0.102元/KWH

13.4元/m2

污染嚴重、費用低

燃氣

1.7元/m3

75%

10500wh/m3

0.216元/KWH

28.5元/m2

輕微污染、費用較高

燃油

3000元/噸

85%

10500wh/kg

0.336元/KWH

44.3元/m2

輕微污染、費用高

電暖氣、電熱膜

0.4元/度

100%

1000wh/度

0.4元/KWH

52.8元/m2

無污染、費用最高

熱泵

0.4元/度

300%

1000wh/度

0.133元/KWH

17.6元/m2

無污染、費用低

注：根據氣象資料，求得北京地區冬季采暖負荷按132KWH/m2計算

另一方面，隨著人民生活質量的提高，空調制冷的普及率大大提高，如果能創造冷暖合一的人工環境設施，將具有環保、節能的雙重意義。

風冷熱泵是一種無需水源，只與空氣換熱的電驅動供冷暖設施?？諝怆S處可得，用之不盡。因此，采用風冷熱泵在更廣闊的地域供冷暖可以達到保護環境、節約能源、方便管理、安全使用乃至美觀的諸多目的，是眾人企盼的。

但是，風冷熱泵在寒冷地區（采暖設計溫度-5～-15℃范圍）能否用于采暖？在學術界一直是眾人存疑的，為此，必須明確回答以下幾個問題，即：

1、什么樣的熱泵可以在上述氣候下運行？

2、在上述的低溫天氣下，熱泵的供熱量下降多少？出風或出水的溫度最高達到了多少度？其功效比為多少？

3、除霜狀況如何？給供熱量帶來多大影響？

4、與哪種采暖末端結合可以達到供暖的目的？

5、在我國采暖地區使用的經濟性如何？及與其他采暖方式的比較。

下面就上述問題加以闡述。

二、風冷熱泵的低溫性能

為揭示風冷熱泵的低溫性能，北京清華索蘭環能技術研究所建立了低溫模擬實驗室，于2001年8月對以下三種有代表性的熱泵機組進行了人工氣候下的試驗，三種機組是：

A.索蘭中低溫壓縮機的熱泵試驗機組（以下稱A型）

B.某著名公司熱泵機組（以下稱B型）

C.索蘭現產機組（以下稱C型）

測試結果摘要于表二

機組類型

A

B

C

額定功率（KW）

8

8

6

模擬外溫-6～-8℃

出風或出水溫度（℃）

33～38

31.5～39.25,42～45

供熱量（W）

8000

43263756

供熱量下降百分數%

2840

耗電量（W）

220v3122

12191388

C.O.P

2.56

3.52.58

外溫-9～-10℃

出風或出水溫度（℃）

28-38

29～3332～40

供熱量（W）

3516

38373489

供熱量下降百分數%

57

3642

耗電量（W）

2860

11121219

C.O.P

1.23

3.452.86

外溫-11～-16℃

出風或出水溫度（℃）

33～37

41～4646～48

供熱量（W）

7075

43693663

供熱量下降百分數%

15

45.455

耗電量（W）

3089

33003480

C.O.P

2.19

1.331.05

測試結果說明：

1、測試的三種風冷熱泵在室外溫度為-5～-15℃的寒冷天氣下，出風或出水溫度皆可滿足一般房屋供暖要求，尤其是低溫地板輻射供暖，前提是機組出力與負荷匹配。即熱泵機組選型時需將額定出力比設計負荷選大一些，否則，在出力不足時需加電補熱，所選機組擴大的百分數應視地區冬季氣候而定。

2、不同壓縮機在相同的蒸發、冷凝溫度、壓力下（實驗中監測溫度、壓力）表現出的性能不同，即供熱量和耗功率不同，A最好，C次之，B較差。說明A更適合北方供暖用，需盡快定型生產。

3、關于沖霜對供熱量的影響：首先，北方地區冬季氣候干燥，決定了沖霜問題不嚴重；其次，不少產品的沖霜過程都有較大的改進，完成動作一次的時間都很短，實驗中觀察，對于一個慣性較大的供暖水系統，水溫的變化不大。第三，在外溫愈低時，空氣中的絕對含濕量愈小，沖霜的時間間隔變得很長。

三、風冷熱泵供暖的末端裝置

1、與低溫輻射地板相結合

輻射供暖是一種衛生條件與舒適條件都比較高的一種供暖方式，地板輻射供暖比天花板供暖更合理。

由于人體在地板輻射供暖的房間中，能從接觸、輻射及對流多方面進行熱交換，所以，不少權威性資料指出，在達到人體同等舒適的條件下，室內空氣溫度可以比設計溫度低2-3℃，采暖負荷可降低15%左右，因此它又是一種節能的采暖裝置。

此外，它的突出優點是可以也必須利用低品位熱媒，并具有較大的蓄熱性，在滿足舒適性的要求下，其表面溫度不得超過24-26℃[2]。這一點為利用風冷熱泵采暖提供了可能性。

以北京地區為例，其供暖設計溫度為-9℃，住宅連續供暖的熱負荷為52W/m2，地板供暖的室內設計溫度為16℃，由公式[2]

TEP=Tn+9(q1/100)0.909

式中：TEP--地板表面平均溫度，℃

Tn--室溫，℃

q1--地板向上的散熱量，即房間的熱負荷W/m2

TEP=16+9(52/100)0.909=16+4.96=20.96℃

結果與[2]指出的20.12℃相近。根據[2]，有下列熱阻值：

①由加熱管道內的水至水泥地板表面的平均熱阻為0.0746m2℃/W

②實木地板層熱阻為0.1m2℃/W

③地板磚層熱阻為0.02m2℃/W

④復合木地板層熱阻為0.046m2℃/W

⑤輻射地板向室內空氣的傳熱熱阻為0.107m2℃/W。

將上述熱阻組合，并以北京地區住宅供暖負荷52W/m2為例進行計算，得出以下結果：

①采用地板磚的輻射供暖設計水溫需25-28℃；

②采用復合木地板的輻射供暖設計水溫需27-30℃；

③采用實木地板的輻射供暖設計水溫需29-33℃。

考慮到使用的盤管材料壁厚不同等因素，上述溫度應適當提高1-2℃。

上述地板中敷射管道直徑為Ф16/14，間距為150-200mm。

由表二的數據不難看出，在我國北方寒冷地區采用風冷熱泵時，以上出水溫度皆可滿足，并且其功效比皆可在3.0左右，節電60%以上。

2、與風機盤管相結合：

一般出風溫度為38-40℃即可。從實驗數據看，風冷熱泵在北方大部分地區也是可行的，它的前提也是將機組選型時選大一些（約40%），或采用電補熱。

四、風冷熱泵供暖的經濟性分析

選取北方寒冷地區幾個大城市的氣象數據，對風冷熱泵供暖的成本進行分析如下：

1、京津地區北緯39.1-39.95。，采暖室外設計溫度-9℃，室內設計溫度：地板+16℃，熱風+18℃，熱泵的性能采用表二中的C組數據，電價0.4元/度

末端裝置

采暖熱負荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W/元

電補熱W/元

設備投資加大40%時

地板（每米2）

-10℃以下6708

4024.8

3

13410.5366

1.073

0.893

-7～-10℃10404

6762.6

3.2

21130.845

1.4566

1.303

-4～-7℃28474

19931.8

3.4

58622.345

3.416

3.349

-4℃66904

66904

3.4

196777.871

7.871

總計

112490

97628.2

2899311.536

5.9426

13.453

由上可見，若采用電補熱，年運行費為17.478元/m2，而設備投入加大40%，則年采暖運行費為13.45元/m2。

例如，一臺8000W熱泵機組采用地板采暖，供110平方米，則采暖季的運行費為13.45元/m2，而如果選6000W的熱泵機組，雖初投資少0.26萬，但冬季運行費為17.478元/m2，每年要多花443.8元，5年后就不合算了，況且，電補熱需加大用戶電容量，也是需要考慮的。

當末端采用風機盤管送熱風時，則由于出風溫度較高，COP下降（參見表二，例如室外溫度為-7℃時，產生35℃熱水時，熱泵C.O.P為3.5，產生45℃熱水時，熱泵C.O.P為2.58），以及采暖負荷較大，兩項因素會導致上述費用加大30%-35%。例如北京地區冬季會增加約5元/m2運行費。

2、濟南，北緯36.41。，采暖室外設計溫度-7℃，室內設計溫度同京津地區。

末端裝置

采暖熱負荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補熱W元

設備投資加大35%時

地板（每米2）

-7～-10℃9258

6018

3.2

1880

0.752

3240

1.296

1.157

-4～-7℃19245

13857

3.4

5660

2.264

5388

2.155

2.264

-4℃62730

62730

3.4

18450

7.38

7.36

總計

87993

82605

25990

10.369

3.451

10.781

如末端采用風機盤管需加大運行費25-30%。

3、鄭州，北緯34.43。，采暖設計外溫-5℃，室內設計溫度同京津地區。

末端裝置

采暖熱負荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補熱W元

設備投資加大35%時

地板（每米2）

-7～-10℃8163

5306

3.2

1.658

0.653

2857

1.422

1.020

-4～-7℃3601

2593

3.4

0.810

0.324

1008

0.403

0.423

-4℃65167

65167

3.4

1.9186

7.66

7.66

總計

76931

73066

8.64

1.545

9.109

上表說明在鄭州等緯度較低的采暖地區，用電補熱的運行費用與加大熱泵機組的情況相差不多，例如一臺6000W的機組若采用地板供暖+電補熱時，可供125米2，每米2的冬季采暖費為10.185元。

4、蘭州，北緯36.03。，采暖室外設計溫度-11℃，室內設計溫度同京津地區。

末端裝置

采暖熱負荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補熱W元

設備投資加大35%時

地板（每米2）

-10℃17083

10250

3

3416

1.366

6833

2.733

2.277

-7～-10℃41976

27285

3.2

85263

3.410

14691

5.876

5.241

-4～-7℃45011

32408

3.4

9531

3.812

13203

5.281

5.295

-4℃58766

58766

3.4

17284

6.943

6.913

總計

163436

128709

38757

15.471

34727

13.89

19.726

由表可見，對于比北京寒冷的蘭州地區，用電補熱的采暖費用比較高(29.361元/m2,較地板高出近10元/m2)，不如加大設備。如采用風機盤管,其運行費可能達到26元/m2（如用電補則為39元/m2）。

綜上所述，下表為我國北方幾個城市采用風冷熱泵采暖的運行費用比較

采暖末端方式

北京、天津

濟南

鄭州

蘭州

地板（大熱泵）

13.45元/m2

10.78元/m2

9.11元/m2

19.73元/m2

地板+電補

17.48元/m2

13.82元/m2

10.19元/m2

29.36元/m2

風機盤管（大熱泵）

17.5元/m2

13.5元/m2

11.4元/m2

26.6元/m2

風機盤管+電補

22.7元/m2

17.3元/m2

12.7元/m2

39.6元/m2

參見表一，北京地區各種采暖方式運行費用總結如下

方式

燃煤

燃氣

燃油

電暖氣、電熱膜

風冷熱泵+風盤

風冷熱泵+地板

熱轉化效率

55%

75%

85%

100%

300%

34s0%、采暖負荷降15%

運行費用(元/m2)

13.4

28.5

44.3

52.8

17.6

13.45

可見，風冷熱泵地板采暖系統是最經濟的清潔采暖系統。

五、結論

1、在黃河流域利用風冷熱泵供暖無論從節能、環保、安全、方便使用還是經濟上都是合理的。愈是寒冷地區采用適當加大設備配以地板采暖的經濟性愈高。

2、熱泵機組的低溫性能是有差異的，對于以采暖為主的寒冷地區，應當注意選擇。對于性能良好的機組在配地板采暖時，由于出水溫度低（25-35℃），冬季大部分時間制熱效率高于3.0。

3、同樣的熱泵機組，末端分別采用地板采暖和風機盤管時，由于前者可接受的水溫較后者低10℃左右，熱泵C.O.P將相差20-30%，加上地板采暖2-3℃等效溫降，使得兩種末端的運行費相差30-35%。愈是寒冷地區愈明顯。

參考文獻

[1]《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中華人民共和國行業標準2001年10月施行

[2]《低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程》北京市標準2000北京