風(fēng)冷熱泵采暖應(yīng)用管理論文

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摘要：由于環(huán)保要求的提高,我國(guó)北方越來(lái)越多的城市限制燃煤采暖,隨之而來(lái)何種清潔節(jié)能的采暖系統(tǒng)可替代燃煤采暖成為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的緊要課題。本文通過(guò)對(duì)三種風(fēng)冷熱泵機(jī)組低溫（-6～-16℃）性能的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用地板采暖時(shí)，由于地板所需水溫較低，C.O.P可以在3.0以上，比風(fēng)機(jī)盤管供暖節(jié)省30-35%。選擇低溫性能優(yōu)異的風(fēng)冷熱泵機(jī)組，并適當(dāng)考慮功率大一些，在我國(guó)大部分北方地區(qū)，均可以滿足采暖要求，達(dá)到明顯節(jié)能、環(huán)保的效果。風(fēng)冷熱泵結(jié)合地板采暖將是替代燃煤采暖的最經(jīng)濟(jì)的清潔采暖系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷熱泵地板采暖COP

一、我國(guó)北方地區(qū)面臨的采暖問(wèn)題

環(huán)境保護(hù)與節(jié)約能源正挑戰(zhàn)我國(guó)的供暖熱源。各種傳統(tǒng)采暖方式都存在不同的缺陷：

1、燃煤鍋爐采暖污染嚴(yán)重，必須改變。

2、集中供熱收費(fèi)制度正在改革，但即使解決了分戶計(jì)量問(wèn)題，也還存在著系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如何避免水力與熱力的失調(diào)問(wèn)題，除非徹底解決自動(dòng)化，否則，很難實(shí)現(xiàn)用戶自主調(diào)節(jié)使用,并繳納相應(yīng)的費(fèi)用。

3、使用燃?xì)鉅t采暖，一是用戶支出費(fèi)用高，二是仍存在污染問(wèn)題。據(jù)北京市節(jié)能辦公室對(duì)用這種熱源分戶采暖的住宅小區(qū)進(jìn)行測(cè)試，證明氮氧化物明顯超標(biāo)，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(yùn)行費(fèi)用很高，所以，在國(guó)標(biāo)中明確規(guī)定一般情況不允許采用[1]。

表一：幾種常用能源冬季采暖費(fèi)用比較

方式

燃料價(jià)格

熱轉(zhuǎn)化效率

燃料熱值

產(chǎn)生1KWH熱所需費(fèi)用

北京地區(qū)運(yùn)行費(fèi)用

特點(diǎn)

燃煤集中供熱

280元/噸

55%

5000wh/kg

0.102元/KWH

13.4元/m2

污染嚴(yán)重、費(fèi)用低

燃?xì)?/p>

1.7元/m3

75%

10500wh/m3

0.216元/KWH

28.5元/m2

輕微污染、費(fèi)用較高

燃油

3000元/噸

85%

10500wh/kg

0.336元/KWH

44.3元/m2

輕微污染、費(fèi)用高

電暖氣、電熱膜

0.4元/度

100%

1000wh/度

0.4元/KWH

52.8元/m2

無(wú)污染、費(fèi)用最高

熱泵

0.4元/度

300%

1000wh/度

0.133元/KWH

17.6元/m2

無(wú)污染、費(fèi)用低

注：根據(jù)氣象資料，求得北京地區(qū)冬季采暖負(fù)荷按132KWH/m2計(jì)算

另一方面，隨著人民生活質(zhì)量的提高，空調(diào)制冷的普及率大大提高，如果能創(chuàng)造冷暖合一的人工環(huán)境設(shè)施，將具有環(huán)保、節(jié)能的雙重意義。

風(fēng)冷熱泵是一種無(wú)需水源，只與空氣換熱的電驅(qū)動(dòng)供冷暖設(shè)施。空氣隨處可得，用之不盡。因此，采用風(fēng)冷熱泵在更廣闊的地域供冷暖可以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)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(fēng)冷熱泵在寒冷地區(qū)（采暖設(shè)計(jì)溫度-5～-15℃范圍）能否用于采暖？在學(xué)術(shù)界一直是眾人存疑的，為此，必須明確回答以下幾個(gè)問(wèn)題，即：

1、什么樣的熱泵可以在上述氣候下運(yùn)行？

2、在上述的低溫天氣下，熱泵的供熱量下降多少？出風(fēng)或出水的溫度最高達(dá)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(lái)多大影響？

4、與哪種采暖末端結(jié)合可以達(dá)到供暖的目的？

5、在我國(guó)采暖地區(qū)使用的經(jīng)濟(jì)性如何？及與其他采暖方式的比較。

下面就上述問(wèn)題加以闡述。

二、風(fēng)冷熱泵的低溫性能

為揭示風(fēng)冷熱泵的低溫性能，北京清華索蘭環(huán)能技術(shù)研究所建立了低溫模擬實(shí)驗(yàn)室，于2001年8月對(duì)以下三種有代表性的熱泵機(jī)組進(jìn)行了人工氣候下的試驗(yàn)，三種機(jī)組是：

A.索蘭中低溫壓縮機(jī)的熱泵試驗(yàn)機(jī)組（以下稱A型）

B.某著名公司熱泵機(jī)組（以下稱B型）

C.索蘭現(xiàn)產(chǎn)機(jī)組（以下稱C型）

測(cè)試結(jié)果摘要于表二

機(jī)組類型

A

B

C

額定功率（KW）

8

8

6

模擬外溫-6～-8℃

出風(fēng)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?jǐn)?shù)%

2840

耗電量（W）

220v3122

12191388

C.O.P

2.56

3.52.58

外溫-9～-10℃

出風(fēng)或出水溫度（℃）

28-38

29～3332～40

供熱量（W）

3516

38373489

供熱量下降百分?jǐn)?shù)%

57

3642

耗電量（W）

2860

11121219

C.O.P

1.23

3.452.86

外溫-11～-16℃

出風(fēng)或出水溫度（℃）

33～37

41～4646～48

供熱量（W）

7075

43693663

供熱量下降百分?jǐn)?shù)%

15

45.455

耗電量（W）

3089

33003480

C.O.P

2.19

1.331.05

測(cè)試結(jié)果說(shuō)明：

1、測(cè)試的三種風(fēng)冷熱泵在室外溫度為-5～-15℃的寒冷天氣下，出風(fēng)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(jī)組出力與負(fù)荷匹配。即熱泵機(jī)組選型時(shí)需將額定出力比設(shè)計(jì)負(fù)荷選大一些，否則，在出力不足時(shí)需加電補(bǔ)熱，所選機(jī)組擴(kuò)大的百分?jǐn)?shù)應(yīng)視地區(qū)冬季氣候而定。

2、不同壓縮機(jī)在相同的蒸發(fā)、冷凝溫度、壓力下（實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)溫度、壓力）表現(xiàn)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(shuō)明A更適合北方供暖用，需盡快定型生產(chǎn)。

3、關(guān)于沖霜對(duì)供熱量的影響：首先，北方地區(qū)冬季氣候干燥，決定了沖霜問(wèn)題不嚴(yán)重；其次，不少產(chǎn)品的沖霜過(guò)程都有較大的改進(jìn)，完成動(dòng)作一次的時(shí)間都很短，實(shí)驗(yàn)中觀察，對(duì)于一個(gè)慣性較大的供暖水系統(tǒng)，水溫的變化不大。第三，在外溫愈低時(shí)，空氣中的絕對(duì)含濕量愈小，沖霜的時(shí)間間隔變得很長(zhǎng)。

三、風(fēng)冷熱泵供暖的末端裝置

1、與低溫輻射地板相結(jié)合

輻射供暖是一種衛(wèi)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(duì)流多方面進(jìn)行熱交換，所以，不少權(quán)威性資料指出，在達(dá)到人體同等舒適的條件下，室內(nèi)空氣溫度可以比設(shè)計(jì)溫度低2-3℃，采暖負(fù)荷可降低15%左右，因此它又是一種節(jié)能的采暖裝置。

此外，它的突出優(yōu)點(diǎn)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(guò)24-26℃[2]。這一點(diǎn)為利用風(fēng)冷熱泵采暖提供了可能性。

以北京地區(qū)為例，其供暖設(shè)計(jì)溫度為-9℃，住宅連續(xù)供暖的熱負(fù)荷為52W/m2，地板供暖的室內(nèi)設(shè)計(jì)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(fù)荷W/m2

TEP=16+9(52/100)0.909=16+4.96=20.96℃

結(jié)果與[2]指出的20.12℃相近。根據(jù)[2]，有下列熱阻值：

①由加熱管道內(nèi)的水至水泥地板表面的平均熱阻為0.0746m2℃/W

②實(shí)木地板層熱阻為0.1m2℃/W

③地板磚層熱阻為0.02m2℃/W

④復(fù)合木地板層熱阻為0.046m2℃/W

⑤輻射地板向室內(nèi)空氣的傳熱熱阻為0.107m2℃/W。

將上述熱阻組合，并以北京地區(qū)住宅供暖負(fù)荷52W/m2為例進(jìn)行計(jì)算，得出以下結(jié)果：

①采用地板磚的輻射供暖設(shè)計(jì)水溫需25-28℃；

②采用復(fù)合木地板的輻射供暖設(shè)計(jì)水溫需27-30℃；

③采用實(shí)木地板的輻射供暖設(shè)計(jì)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(yīng)適當(dāng)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(shù)據(jù)不難看出，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)采用風(fēng)冷熱泵時(shí)，以上出水溫度皆可滿足，并且其功效比皆可在3.0左右，節(jié)電60%以上。

2、與風(fēng)機(jī)盤管相結(jié)合：

一般出風(fēng)溫度為38-40℃即可。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，風(fēng)冷熱泵在北方大部分地區(qū)也是可行的，它的前提也是將機(jī)組選型時(shí)選大一些（約40%），或采用電補(bǔ)熱。

四、風(fēng)冷熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性分析

選取北方寒冷地區(qū)幾個(gè)大城市的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)冷熱泵供暖的成本進(jìn)行分析如下：

1、京津地區(qū)北緯39.1-39.95。，采暖室外設(shè)計(jì)溫度-9℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度：地板+16℃，熱風(fēng)+18℃，熱泵的性能采用表二中的C組數(shù)據(jù)，電價(jià)0.4元/度

末端裝置

采暖熱負(fù)荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W/元

電補(bǔ)熱W/元

設(shè)備投資加大40%時(shí)

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(jì)

112490

97628.2

2899311.536

5.9426

13.453

由上可見(jiàn)，若采用電補(bǔ)熱，年運(yùn)行費(fèi)為17.478元/m2，而設(shè)備投入加大40%，則年采暖運(yùn)行費(fèi)為13.45元/m2。

例如，一臺(tái)8000W熱泵機(jī)組采用地板采暖，供110平方米，則采暖季的運(yùn)行費(fèi)為13.45元/m2，而如果選6000W的熱泵機(jī)組，雖初投資少0.26萬(wàn)，但冬季運(yùn)行費(fèi)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(bǔ)熱需加大用戶電容量，也是需要考慮的。

當(dāng)末端采用風(fēng)機(jī)盤管送熱風(fēng)時(shí)，則由于出風(fēng)溫度較高，COP下降（參見(jiàn)表二，例如室外溫度為-7℃時(shí)，產(chǎn)生35℃熱水時(shí)，熱泵C.O.P為3.5，產(chǎn)生45℃熱水時(shí)，熱泵C.O.P為2.58），以及采暖負(fù)荷較大，兩項(xiàng)因素會(huì)導(dǎo)致上述費(fèi)用加大30%-35%。例如北京地區(qū)冬季會(huì)增加約5元/m2運(yùn)行費(fèi)。

2、濟(jì)南，北緯36.41。，采暖室外設(shè)計(jì)溫度-7℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度同京津地區(qū)。

末端裝置

采暖熱負(fù)荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補(bǔ)熱W元

設(shè)備投資加大35%時(shí)

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(jì)

87993

82605

25990

10.369

3.451

10.781

如末端采用風(fēng)機(jī)盤管需加大運(yùn)行費(fèi)25-30%。

3、鄭州，北緯34.43。，采暖設(shè)計(jì)外溫-5℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度同京津地區(qū)。

末端裝置

采暖熱負(fù)荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補(bǔ)熱W元

設(shè)備投資加大35%時(shí)

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(jì)

76931

73066

8.64

1.545

9.109

上表說(shuō)明在鄭州等緯度較低的采暖地區(qū)，用電補(bǔ)熱的運(yùn)行費(fèi)用與加大熱泵機(jī)組的情況相差不多，例如一臺(tái)6000W的機(jī)組若采用地板供暖+電補(bǔ)熱時(shí)，可供125米2，每米2的冬季采暖費(fèi)為10.185元。

4、蘭州，北緯36.03。，采暖室外設(shè)計(jì)溫度-11℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度同京津地區(qū)。

末端裝置

采暖熱負(fù)荷W/m2

熱泵供熱量W/m2

C．O．P

耗電量W元

電補(bǔ)熱W元

設(shè)備投資加大35%時(shí)

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(jì)

163436

128709

38757

15.471

34727

13.89

19.726

由表可見(jiàn)，對(duì)于比北京寒冷的蘭州地區(qū)，用電補(bǔ)熱的采暖費(fèi)用比較高(29.361元/m2,較地板高出近10元/m2)，不如加大設(shè)備。如采用風(fēng)機(jī)盤管,其運(yùn)行費(fèi)可能達(dá)到26元/m2（如用電補(bǔ)則為39元/m2）。

綜上所述，下表為我國(guó)北方幾個(gè)城市采用風(fēng)冷熱泵采暖的運(yùn)行費(fèi)用比較

采暖末端方式

北京、天津

濟(jì)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(bǔ)

17.48元/m2

13.82元/m2

10.19元/m2

29.36元/m2

風(fēng)機(jī)盤管（大熱泵）

17.5元/m2

13.5元/m2

11.4元/m2

26.6元/m2

風(fēng)機(jī)盤管+電補(bǔ)

22.7元/m2

17.3元/m2

12.7元/m2

39.6元/m2

參見(jiàn)表一，北京地區(qū)各種采暖方式運(yùn)行費(fèi)用總結(jié)如下

方式

燃煤

燃?xì)?/p>

燃油

電暖氣、電熱膜

風(fēng)冷熱泵+風(fēng)盤

風(fēng)冷熱泵+地板

熱轉(zhuǎn)化效率

55%

75%

85%

100%

300%

34s0%、采暖負(fù)荷降15%

運(yùn)行費(fèi)用(元/m2)

13.4

28.5

44.3

52.8

17.6

13.45

可見(jiàn)，風(fēng)冷熱泵地板采暖系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的清潔采暖系統(tǒng)。

五、結(jié)論

1、在黃河流域利用風(fēng)冷熱泵供暖無(wú)論從節(jié)能、環(huán)保、安全、方便使用還是經(jīng)濟(jì)上都是合理的。愈是寒冷地區(qū)采用適當(dāng)加大設(shè)備配以地板采暖的經(jīng)濟(jì)性愈高。

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

3、同樣的熱泵機(jī)組，末端分別采用地板采暖和風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，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(yùn)行費(fèi)相差30-35%。愈是寒冷地區(qū)愈明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2001年10月施行

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