一、引言

人類社會的迅猛發(fā)展，煤、油、氣等石化能源的大量使用和過度開采，造成了環(huán)境的污染和能源緊缺，環(huán)境污染和能源緊缺問題已成為威脅人類生存的頭等大事，對清潔能源的開發(fā)利用特別是對太陽能空氣能的開發(fā)利用尤為重要。

近年來一些太陽能熱水設備的生產(chǎn)廠家對利用集熱管收集太陽光的熱能采暖作了一些探討，但冬季光照時間短、集熱管的占地面積太大，設備投資又太大，加之夏季太多的熱水又無法利用，很難大面積地推廣使用。

太陽能的另一種形式就是空氣能。陽光的熱能釋放在空氣中，空氣中就存在著大量的我們不能直接利用的“低品位”的能量，如果我們把它“提取”出來轉化成熱水進行采暖，它又不需要太陽光的直射，它的安裝不受采光面的限制，這種設備就是利用空氣能的有效工具——超低溫空氣源熱泵。

這種空氣源熱泵歐洲多年來用于采暖、制冷、制熱水方面。經(jīng)過多年的運行效果證明它在制冷采暖制熱水方面，運行穩(wěn)定可靠，并且節(jié)能環(huán)保。

為說明問題，現(xiàn)以最北部的沈陽案例進行分析，以供讀者參考。

二、工程概況

1、工程簡介

   該建筑坐落在遼寧省沈陽市東陵區(qū)南塔街，是2002年建成的節(jié)能住宅（商住兩用），上下兩層，建筑面積為230㎡，一樓辦公室面積80㎡，車庫30㎡，二樓住宅，120㎡。磚混結構、中空玻璃塑鋼門窗，外墻450㎜厚空心磚，內墻4厘米苯板保溫。整個小區(qū)采用電采暖的形式。小區(qū)的冬季的入住率不足50%。這個用戶以往冬季電采暖的費用是：二樓4200元左右，室溫13-16℃，冬季的采暖費用相當于35元/㎡；一樓4500元左右，白天室溫13-15℃，晚上室溫7-9℃，采暖費相當于41元/㎡。

室外主機安裝照片

二樓南臥室照片

二樓北臥室照片

二樓大廳照片

一樓照片

2.設計要求

  沈陽夏季按60天制冷，冬季152天采暖設計。設計參數(shù)參照下表

表一. 空調室外計算參數(shù)

表二. 空調室內計算參數(shù)

3.熱負荷的設計依據(jù)

由于沈陽屬于嚴寒地區(qū)，熱泵設計冷熱負荷時，以冬季的熱負荷為設計依據(jù)，在一般的民用住宅當中，只要冬季設計的熱負荷滿足采暖的需要，這臺機器就可以滿足夏季的制冷需要。

熱負荷是指在最寒冷的條件下，機組提供的熱能可以滿足建筑物對熱能的需求。

熱負荷的設計依據(jù)主要根據(jù)《民用建筑節(jié)能設計標準》JGJ26-95

在這個標準當中，沈陽計算采暖期的天數(shù)為152天，在這個采暖期當中室外平均氣溫是-5.7℃，節(jié)能建筑在這個平均氣溫的條件下的耗能指標是21.2w/㎡（這個耗熱指標僅僅是計算采暖期間運行費用的依據(jù)，不能作為熱負荷的設計依據(jù)），節(jié)能建筑在-19℃的耗能指標是40.9w/㎡,那么建筑物在一天24小時當中所消耗的熱能是981.6kwh/㎡。根據(jù)熱泵的工作特點，熱泵應在14個小時之內連續(xù)工作所產(chǎn)生的熱能大于建筑物的這個耗熱量，因此，熱負荷是981.6/14=70w/㎡.

4.空氣源熱泵的選型依據(jù)

二樓設備選型的依據(jù)

因二樓建筑面積是120平方米，該住宅在-19℃的耗熱指標是70*120=8.4kw.因超低溫空氣源熱泵在-19℃環(huán)境溫度下的能效比為1：1.8（出水溫度45℃）。因此，主機選用超低溫空氣源熱泵機組一臺。

技術參數(shù)

備注：制熱量是在45℃出水的情況下。

從表中可以看出在環(huán)境溫度-19℃的情況下，機組的發(fā)熱量只有6.7kw，不能滿足這個住宅的這時的耗熱指標（8.4kw）。因此，要配備輔助電加熱8.4-6.7=1.7kw。

因此，二樓住宅的熱泵選型是：輔助電加熱的功率為2kw。

一樓設備選型的依據(jù)

因一樓實際供暖的面積只有80平方米，另外的30平方米是車庫不需要供暖。因此選用低溫空氣源熱泵1臺，考慮到一樓是辦公室，主要的供暖時間是在白天，不加輔助電加熱也能滿足建筑物的最大的熱能需求，因此一樓在設計中沒有設計安裝輔助電加熱。

5.冬季運行費用的計算依據(jù)

冬季運行費用的計算依據(jù)是《民用建筑節(jié)能設計標準》JGJ26-95。

建筑物采暖期每天的平均耗能是21.2*24=508.8kwh/㎡.

一個采暖期的耗能是508.8*152=77.3kwh/㎡.

機組在采暖期平均溫度-5.7℃情況下的能效比為1：2.5（出水溫度45℃）。

所以，機組的耗能是77.3/2.5=30.9 kwh/㎡.

沈陽的民用電價是0.5元/kwh。

因此，冬季采暖期間的運行費用是30.9*0.5=15.45元/㎡（建筑面積）。

二樓120平方米冬季的采暖費用是15.45*120=1854元，一樓80平方米冬季的采暖費用是80*15.45=1236元。一二樓總計的采暖費用是3090元。

6.系統(tǒng)構成及工作原理

一樓和二樓分別是兩個獨立的系統(tǒng)。

一樓末端安裝的是明裝的風機盤管，這套系統(tǒng)可以完成冬季采暖、夏季制冷、一年四季提供生活熱水（機組在20℃的情況下制50℃的衛(wèi)生熱水350升/小時）。

二樓末端安裝的是暖氣片，這套系統(tǒng)可以完成冬季采暖、一年四季提供生活熱水。

一樓安裝示意圖

二樓安裝示意圖

6.1熱水系統(tǒng)

這個用戶的熱泵主機安裝的是熱水優(yōu)先型，即無論任何季節(jié)系統(tǒng)都是優(yōu)先制熱水。

開機后機組先自動進入制熱水的模式，開啟電動三通閥的熱水系統(tǒng)，同時電自動關閉空調系統(tǒng)，循環(huán)水在水泵的作用下自動進入保溫承壓水箱中循環(huán)制熱水，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定的溫度時（如45℃），機組自動停止制熱水，電動三通閥關閉制熱水循環(huán)系統(tǒng)，同時開啟空調系統(tǒng)，這時熱泵產(chǎn)生的冷（夏季）、熱（冬季）水進入末端循環(huán)制冷（夏季）和采暖（冬季）。

當用戶使用熱水時，自來水從承壓水箱的底部自動補入，當水箱中的水溫低于所需要的設定溫度時，機組又自動進入制熱水的模式運行。

低溫型機組在春、夏、秋三個季節(jié)中，制100L的50℃熱水大約需要20分鐘，冬季大約需要35分鐘左右。這個用戶每天需要的衛(wèi)生熱水量不足100L，因此，在實際運行中每天只有一次優(yōu)先制熱水的過程，對采暖和制冷沒有任何不利的影響。

根據(jù)這個用戶的實際使用測得，熱泵每產(chǎn)100L 50℃的熱水消耗的電能是1kwh，電費是0.5元(冬季略高一些、夏季略低一些)。

承壓保溫水箱的作用:

a.儲存一定量的熱水。

b.具備系統(tǒng)的自動排氣功能，通過熱水口的排放可以排放系統(tǒng)中的氣體，以保證系統(tǒng)的正常循環(huán)。

c.具備系統(tǒng)的膨脹水箱的作用，機組在任何模式下運行時，這個水箱都起到了緩沖膨脹水箱的作用。

d.輔助電加熱，輔助電加熱就安裝在這個水箱中，當機組冬季發(fā)熱量不足時，機組就可用自動輸出信號啟動輔助電加熱，以提高系統(tǒng)的制熱量。

6.2制冷系統(tǒng)

以一樓為例說明

開機后系統(tǒng)自動進入優(yōu)先制熱水的模式，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定溫度時，系統(tǒng)自動進入制冷的模式。

主機制冷量為10.8kw，末端配備FP—170明裝風機盤管2臺，根據(jù)房間制冷的需要，2臺可以同時開啟，也可以開啟一臺。當房間的溫度達到設定的溫度時，風機盤管自動停止工作，主機自動檢測末端的循環(huán)水溫自動調整制冷量，以達到節(jié)能的目的。熱泵的制冷效果和使用方法與普通的中央空調一致。末端各個房間的溫度都可以由用戶自己設定掌握。

6.3采暖系統(tǒng)

 以二樓為例說明

熱泵的供暖的使用方法與燃氣、燃煤、電鍋爐的方法一致，它不像空調那樣隨時使用隨時開啟，在冬季必須每天都開啟一定的時間，以確保室內有足夠的溫度使室內不結冰，同時在使用時房間能迅速達到需要的溫度（否則在房間溫度較低的情況下，即使較長時間地啟動采暖設備，房間也很難達到所需要的溫度）。

開機后系統(tǒng)自動進入優(yōu)先制熱水的模式，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定溫度時，系統(tǒng)自動進入制熱采暖模式。

主機制熱量為11.9kw（環(huán)境溫度7度時的發(fā)熱量），末端配備暖氣片5組，設定系統(tǒng)的回水溫度為45℃，當回水溫度達到這個設定值時，主機自動停止工作，當回水溫度低于37℃（8℃溫差）時，主機自動開啟運行。

暖氣片安裝數(shù)量的確定：

暖氣片是安裝在70℃以上的熱水采暖的場合的，而超低溫空氣源熱泵的最高出水溫度只有50℃，如把暖氣片安裝在熱泵采暖中必須增加暖氣片的數(shù)量（散熱面積），才能保證末端的散熱量。根據(jù)計算和實際經(jīng)驗，暖氣片的數(shù)量至少要增加50%才能滿足熱泵采暖的需要，如暖氣片的數(shù)量增加100%就可以使熱泵供暖的出水溫度降至40℃。沈陽的這個用戶的暖氣片的數(shù)量就比其他設施供暖暖氣片的數(shù)量增加了50%。

冬季的使用方法：

根據(jù)氣象資料統(tǒng)計，最低氣溫一般都是在凌晨3-4點的時間段中出現(xiàn)，沈陽2009年和2010年冬季的最低氣溫都達到了-30℃，每年-20℃的氣溫都超過了30天。西萊克機組的最低適用環(huán)境溫度是-25℃，如果讓機組在這個溫度之下運行，就超出了它的適用范圍并使發(fā)熱量不足，因此，讓熱泵在白天氣溫較高時運行，躲開2-3小時的最低氣溫段運行，這樣不僅可以提高熱泵的性能，而且拓展了熱泵的使用范圍（使用區(qū)域）。

這個用戶熱泵具體的運行時間是：

11月上午10點——下午18點

12月——1月早7點——晚間22點

2月——4月上午10點——下午18點

沈陽12月至1月份是最寒冷的月份，-25℃以下的最低氣溫也是出現(xiàn)在這兩個月份中，晚間在出現(xiàn)-25℃以下的最低氣溫的時候就啟動輔助電加熱設備。

上述時間只是熱泵設定的工作時間段，并不是熱泵每天的連續(xù)工作時間段，熱泵在這個時間段運行中，當循環(huán)水溫達到設定的溫度時熱泵自動停止工作。

這個用戶的室溫是：白天18--22℃，晚間22--16℃.

2009年11月1日至2010年4月5日這個用戶一樓和二樓熱泵運行費用總和是2400元，比理論計算的還要低一些（可能與一樓不常開啟熱泵有關）。

2010年11月1日至2011年1月20日，熱泵運行的總費用是1600元，預計到采暖期結束熱泵的運行總費用3000元左右（與理論計算相近）。

三、結論

從兩年來這個用戶的運行實際情況看，超低溫空氣源熱泵在采暖、制冷、制熱水方面，系統(tǒng)設計科學合理、設備運行穩(wěn)定可靠。超低溫空氣源熱泵應用于采暖、制冷、制熱水方面充分體現(xiàn)了它的節(jié)能環(huán)保的特性。

在制熱水方面，它的電消耗是電熱水器的1/4，與電熱水器相比節(jié)能75%。

在采暖方面，它的電消耗是電暖氣的1/2.5,即是電采暖費用的40%，與電采暖相比節(jié)能60%（沈陽地區(qū)）。它與燃氣鍋爐相比，運行費用節(jié)省30%（沈陽地區(qū)），同時熱泵在運行中的二氧化碳的排放量是零。沈陽的這個用戶如果使用燃氣鍋爐采暖，每個采暖期的二氧化碳排放量大約為2.85噸，熱泵的使用壽命大約是20多個采暖期，在設備使用的壽命內，熱泵可以至少減少二氧化碳的排放量是57噸。

在制冷方面，它的制冷效果、運行費用與普通的中央空調相似，但普通的中央空調不具備采暖和制熱水的功能，從性價比的角度來看，更應該向用戶推薦使用超低溫空氣源熱泵。

 通過對嚴寒地區(qū)熱泵的使用實際情況分析，可以得出：熱泵更適合在寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)使用，在這些地區(qū)使用不僅更加節(jié)能，同時充分發(fā)揮了熱泵的制冷的功能。這兩個地區(qū)包含了我國10多個省份，整個面積大約占據(jù)了我國總面積的1/3。可以預言，熱泵的推廣使用將為這些地區(qū)人們的采暖制冷的方式增添嶄新的內容，將在節(jié)能減排利用自然能源方面作出突出的貢獻。