北京建筑大学 胡繁昌 胡文举 张帅 杨茜
摘 要：随着环保意识的日益增强，农村冬季供暖问题逐渐成为了人们关注的对象。老式的燃煤锅炉不仅取暖效果差，而且污染大。本文提出用空气源热泵加散热器的供暖模式来代替原有的锅炉供暖。通过理论分析和实际测试两个方面来研究这一模式的实际操作性，测试对象为北京海淀某农宅，使用空气源热泵作为热源。得出室外温度变化曲线、机组进出口水温变化曲线、机组COP变化曲线。经过分析，该模式实际上是可行的，运行效果良好。
关键词：供暖；空气源热泵；散热器；测试
0 引言
随着我国人民居住条件的改善，对生活热水的需求量迅速上升。环境保护意识的增强，促进了空气源热泵热水器的发展。这种以生产55℃生活热水为目的的产品，在我国广东、浙江一带发展很快，并且有逐渐向北方发展的趋势。随着南方冬季采暖问题的提出，有的厂家开始研究和生产在冬季用于房间采暖的空气源热泵热水系统。而这一趋势，也在影响着华北寒冷地区的冬季采暖。[1]
近几年来，我国多地遭遇严重雾霾天气，PM2.5持续“爆表”，北京地区尤为严重。雾霾中的可吸入颗粒物进入人体呼吸道后，可能引发人体呼吸道和心血管疾病，严重者甚至会导致死亡。而空气源热泵是一种高效的清洁能源，以电能驱动，可将低品位能源转换为高品位能源，具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点。[2]北京农村“煤改电”的工作中，空气源热泵作为一种清洁能源被大力推广。
如今“节能减排”已经成为全社会高度关注的话题，农村地区的节能潜力很大。以农村每户为单位来看农村住宅能耗的变化，没有明显的变化。目前，北方农村地区普通农村住宅采暖系统大都仍采用燃煤锅炉+室内暖气片或者电锅炉+室内暖气片的系统形式，由一家一户的小型燃煤炉或电锅炉生产高温热水，然后输送给室内暖气片，以满足室内温度条件需求。目前在原有基础上进行供热系统的改造是非常困难的。如果采用由电驱动的空气源热泵直接取代燃煤锅炉，而且室内采暖系统不改造或只进行尽可能少的改造，将是一个非常经济、极易推广的北方地区燃煤锅炉供暖热源替代方案，将很好的改善北京地区的空气问题。[3]
1 研究情况
1.1 研究对象参数
该测试农宅位于北京海淀郊区，其室外设计温度为-9℃，室内设计温度为18℃，农宅的建筑平面图如图1所示，此次的模拟对象以该农宅的客厅为主，客厅的整体尺寸是6m×4.5m×3m，北墙与室外相连，西墙东墙与采暖房间相连。围护结构为普通混凝土，墙面内粉刷，东西两侧为卧室，墙体厚度约370mm，外墙贴有约50mm 的保温板，门窗皆采用铝合金材料，建筑整体保温性能良好，并且在建筑顶部装有玻璃顶棚，用空气源热泵作为热源。
图1 农宅建筑平面图
1.2 空气源热泵的理论分析
空气源热泵热水器（机组）是运用逆卡诺循环原理，通过热泵做功使热媒（冷媒）产生物理相变（液态– 气态–液态）利用往复循环相变过程中不间断吸热与放热的特性，由吸热装置（蒸发器）吸取低温热源空气中的热量，通过专用热水交换器（冷凝器）向冷水中不断放热，使水逐渐升温，达到制热水的目的。制热过程中的电热能量转换效率最高可达450% 以上。热泵只需要消耗一小部分的电能满足空气压缩机和风机等设备做功，就可将处于低温环境空气中的热量转移到高温环境下的热水。空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、单向阀、电磁阀、冷凝压力调节水阀、储水箱等几部分组成。[4]
冬季供暖时，工质经过蒸发器，从室外空气中吸收热量，工质蒸发后经过压缩机压缩，变成高温高压气体，在冷凝器中向热水放出热量，经节流阀节流后再次进行循环。制取的热水进入室内散热器系统进行循环，不断向室内释放热量，从而对建筑物取暖。其工作原理图见图2。
图2 空气源热泵供暖原理图
1.3 热源选择
该测试农宅中采用热源是的是清华同方人工环境有限公司研发制造的分体式强热型空气源热泵机组，型号为HSYR-DG-15C(D)E，机组的名义制热量为14.2kW，机组内置１台循环水泵，额定流量为2m3/h，额定扬程为12m，水泵额定功率为400W。室内采暖的热媒仍然为热水，由于低温空气源热泵能提供的热水不超过50 ℃，属于低温热水。
1.4 散热器分析
由于低温空气源热泵提供的热水温度不超过50℃，根据空气源热泵低温水的特性和用户热负荷的需要，不改变散热器类型情况下应适当增加散热器片数。散热器的散热量应当满足室内的热负荷需求。[5]
该式中，Q为散热器散热量（W）；K为散热器传热系数（W/(m2·K)）；F为散热面积（m2）；tpj为散热器进口水的平均温度（℃）；tn为室内温度（℃）。
本次测试中，在六个房间、室外以及进出口水处分别布置测点，并且安装了温度自记仪，每10min记录一次数据，自记仪精度为±0.3℃。为了研究测试期内空气源热泵－散热器供暖系统供热性能及其对室内环境的影响，分别采用热量表、电量测量仪和温度传感器对系统的供热量、机组耗电量及室内外温度进行测量。所选择热量表型号为JYRL-25，精度2级，每隔1h记录一次数据，可自动测量水流量、供回水温度、瞬时热量及总热量。耗电量采用W400型智能电量测量仪测量，精度±0.4%，每隔1h记录一次数据。[6]
2 测试结果及分析
2.1 室外温度变化
测试期间，该地的室外温度波动见图3，从图3 中可以看出，测试时期为北京地区冬季最冷时段。实测最高温度为19.3℃，最低温度-10.4℃，查询北京市气象台提供的数据，测试期间最低温度为-8℃，最高温度为12℃。并且通过比对可知二者的变化趋势大致相同，但实测的温度普遍高于气象台提供的数据，这可能与现场室外温度测试仪器的摆放位置距离建筑物的远近、遮阳方式等因素有关。气象台发布的室外温度由建于空旷场地的气象观测站测得，使得二者之间数值不一致，故实验测试过程的数据更高些。
图3 测试时间的北京地区室外温度统计图
2.2 机组进出口水温变化
室外温度与机组进出口水温测试结果见图4。从图4 的供回水温度变化曲线图可以看出，随室外温度的变化，供回水温度的变化很小。通过对比清华同方人工环境有限公司在北京密云司马台新村冬季采暖项目，供回水温度变化很小的原因是系统采用了控制回水温度范围的控制策略，回水的温度范围可根据住户的舒适度要求自行设定上下限，因此，该系统通过间歇运行可以保持回水温度随室外温度变化的波动性较小。
图4 测试时间的室外温度与机组进出口水温的对比统计图
2.3 机组COP变化
室外温度与机组COP 值测试结果见图5。根据图5 可以看出，整个测试期间供回水温差基本都维持在1~2℃之间，存在着“小温差”运行的问题，这样的运行不节能，会造成实际水流量比需要的水量大，使水系统的电耗大大增加。出现这样的原因一般是水泵选型不当造成的。图5 中出现两次明显的供水温度变化，是由于对机组回水水温进行调控所产生的。
图5 测试时间的室外温度与机组运行COP 统计图
3 结论
本文结合北京市农宅采暖现状，提出空气源热泵代替燃煤锅炉并增加末端散热器片数的供暖方式，建立某农宅的建筑模型，通过理论分析和实际测试两个方面来研究这一方案的可行性，经过分析，该方案理论上是可行的，并且实际运行效果良好，满足农村住宅的室内温度环境的需要。改造后的空气源热泵－散热器供暖系统基本上能满足室内热舒适环境的要求，房间温度大部分时间保持在16~18℃；与传统散热器供暖系统相比，空气源热泵－散热器系统供回水温度低，散热器和水换热温差小，供回水温差小，需要较大的室内换热面积，循环水泵耗功较多；在测试期内，虽然采用水泵不间断运行控制策略降低了供暖系统的COP，但是经调试优化后，系统的COP维持在2.5以上且随着室外温度的升高而升高，比原电供暖系统具有很大的节能优势。
参考文献
[1] 李素花,代宝民,马一太. 空气源热泵的发展及现状分析[J]. 制冷技术,2014,(01):42–48.
[2] 王建民. 基于北京地区的空气源热泵能耗分析及节能改造[D]. 天津：天津大学,2012.
[3] 杨茜,李德英,张帅,王梦圆. 北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用[J]. 建筑节能,2015(11):100–104.
[4] 耿浩,慈鹏. 空气源热泵热水机组工作原理及特点[J]. 科技传播,2011(09):72+157.
[5] 贺平,孙刚,王飞. 供热工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
[6] 张帅,胡文举,李德英,杨茜,王梦圆. 空气源热泵-散热器供暖系统用于北京地区某农村住宅的实测分析[J]. 暖通空调,2015(08):80–83+79.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期。
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