一、引言

人類社會(huì)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(duì)清潔能源的開發(fā)利用特別是對(duì)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(shè)備的生產(chǎn)廠家對(duì)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(shí)間短、集熱管的占地面積太大，設(shè)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(zhuǎn)化成熱水進(jìn)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(shè)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(yùn)行效果證明它在制冷采暖制熱水方面，運(yùn)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(jìn)行分析，以供讀者參考。

二、工程概況

1、工程簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)、中空玻璃塑鋼門窗，外墻450㎜厚空心磚，內(nèi)墻4厘米苯板保溫。整個(gè)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(gè)用戶以往冬季電采暖的費(fèi)用是：二樓4200元左右，室溫13-16℃，冬季的采暖費(fèi)用相當(dāng)于35元/㎡；一樓4500元左右，白天室溫13-15℃，晚上室溫7-9℃，采暖費(fèi)相當(dāng)于41元/㎡。

室外主機(jī)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(shè)計(jì)要求

  沈陽夏季按60天制冷，冬季152天采暖設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)參照下表

表一. 空調(diào)室外計(jì)算參數(shù)

表二. 空調(diào)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

3.熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)

由于沈陽屬于嚴(yán)寒地區(qū)，熱泵設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷時(shí)，以冬季的熱負(fù)荷為設(shè)計(jì)依據(jù)，在一般的民用住宅當(dāng)中，只要冬季設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷滿足采暖的需要，這臺(tái)機(jī)器就可以滿足夏季的制冷需要。

熱負(fù)荷是指在最寒冷的條件下，機(jī)組提供的熱能可以滿足建筑物對(duì)熱能的需求。

熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)主要根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26-95

在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，沈陽計(jì)算采暖期的天數(shù)為152天，在這個(gè)采暖期當(dāng)中室外平均氣溫是-5.7℃，節(jié)能建筑在這個(gè)平均氣溫的條件下的耗能指標(biāo)是21.2w/㎡（這個(gè)耗熱指標(biāo)僅僅是計(jì)算采暖期間運(yùn)行費(fèi)用的依據(jù)，不能作為熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)依據(jù)），節(jié)能建筑在-19℃的耗能指標(biāo)是40.9w/㎡,那么建筑物在一天24小時(shí)當(dāng)中所消耗的熱能是981.6kwh/㎡。根據(jù)熱泵的工作特點(diǎn)，熱泵應(yīng)在14個(gè)小時(shí)之內(nèi)連續(xù)工作所產(chǎn)生的熱能大于建筑物的這個(gè)耗熱量，因此，熱負(fù)荷是981.6/14=70w/㎡.

4.空氣源熱泵的選型依據(jù)

二樓設(shè)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(biāo)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(jī)選用超低溫空氣源熱泵機(jī)組一臺(tái)。

技術(shù)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(jī)組的發(fā)熱量只有6.7kw，不能滿足這個(gè)住宅的這時(shí)的耗熱指標(biāo)（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(shè)備選型的依據(jù)

因一樓實(shí)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(tái)，考慮到一樓是辦公室，主要的供暖時(shí)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(shè)計(jì)中沒有設(shè)計(jì)安裝輔助電加熱。

5.冬季運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算依據(jù)

冬季運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算依據(jù)是《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ26-95。

建筑物采暖期每天的平均耗能是21.2*24=508.8kwh/㎡.

一個(gè)采暖期的耗能是508.8*152=77.3kwh/㎡.

機(jī)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(jī)組的耗能是77.3/2.5=30.9 kwh/㎡.

沈陽的民用電價(jià)是0.5元/kwh。

因此，冬季采暖期間的運(yùn)行費(fèi)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(fèi)用是15.45*120=1854元，一樓80平方米冬季的采暖費(fèi)用是80*15.45=1236元。一二樓總計(jì)的采暖費(fèi)用是3090元。

6.系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

一樓和二樓分別是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。

一樓末端安裝的是明裝的風(fēng)機(jī)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(jī)組在20℃的情況下制50℃的衛(wèi)生熱水350升/小時(shí)）。

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(gè)用戶的熱泵主機(jī)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(jī)后機(jī)組先自動(dòng)進(jìn)入制熱水的模式，開啟電動(dòng)三通閥的熱水系統(tǒng)，同時(shí)電自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，循環(huán)水在水泵的作用下自動(dòng)進(jìn)入保溫承壓水箱中循環(huán)制熱水，當(dāng)保溫承壓水箱中的水溫達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)（如45℃），機(jī)組自動(dòng)停止制熱水，電動(dòng)三通閥關(guān)閉制熱水循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)開啟空調(diào)系統(tǒng)，這時(shí)熱泵產(chǎn)生的冷（夏季）、熱（冬季）水進(jìn)入末端循環(huán)制冷（夏季）和采暖（冬季）。

當(dāng)用戶使用熱水時(shí)，自來水從承壓水箱的底部自動(dòng)補(bǔ)入，當(dāng)水箱中的水溫低于所需要的設(shè)定溫度時(shí)，機(jī)組又自動(dòng)進(jìn)入制熱水的模式運(yùn)行。

低溫型機(jī)組在春、夏、秋三個(gè)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(gè)用戶每天需要的衛(wèi)生熱水量不足100L，因此，在實(shí)際運(yùn)行中每天只有一次優(yōu)先制熱水的過程，對(duì)采暖和制冷沒有任何不利的影響。

根據(jù)這個(gè)用戶的實(shí)際使用測(cè)得，熱泵每產(chǎn)100L 50℃的熱水消耗的電能是1kwh，電費(fèi)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(chǔ)存一定量的熱水。

b.具備系統(tǒng)的自動(dòng)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(jī)組在任何模式下運(yùn)行時(shí)，這個(gè)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(gè)水箱中，當(dāng)機(jī)組冬季發(fā)熱量不足時(shí)，機(jī)組就可用自動(dòng)輸出信號(hào)啟動(dòng)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(jī)后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入優(yōu)先制熱水的模式，當(dāng)保溫承壓水箱中的水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入制冷的模式。

主機(jī)制冷量為10.8kw，末端配備FP—170明裝風(fēng)機(jī)盤管2臺(tái)，根據(jù)房間制冷的需要，2臺(tái)可以同時(shí)開啟，也可以開啟一臺(tái)。當(dāng)房間的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管自動(dòng)停止工作，主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)末端的循環(huán)水溫自動(dòng)調(diào)整制冷量，以達(dá)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(diào)一致。末端各個(gè)房間的溫度都可以由用戶自己設(shè)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?xì)?、燃煤、電鍋爐的方法一致，它不像空調(diào)那樣隨時(shí)使用隨時(shí)開啟，在冬季必須每天都開啟一定的時(shí)間，以確保室內(nèi)有足夠的溫度使室內(nèi)不結(jié)冰，同時(shí)在使用時(shí)房間能迅速達(dá)到需要的溫度（否則在房間溫度較低的情況下，即使較長(zhǎng)時(shí)間地啟動(dòng)采暖設(shè)備，房間也很難達(dá)到所需要的溫度）。

開機(jī)后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入優(yōu)先制熱水的模式，當(dāng)保溫承壓水箱中的水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入制熱采暖模式。

主機(jī)制熱量為11.9kw（環(huán)境溫度7度時(shí)的發(fā)熱量），末端配備暖氣片5組，設(shè)定系統(tǒng)的回水溫度為45℃，當(dāng)回水溫度達(dá)到這個(gè)設(shè)定值時(shí)，主機(jī)自動(dòng)停止工作，當(dāng)回水溫度低于37℃（8℃溫差）時(shí)，主機(jī)自動(dòng)開啟運(yùn)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(chǎng)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(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(gè)用戶的暖氣片的數(shù)量就比其他設(shè)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(jì)，最低氣溫一般都是在凌晨3-4點(diǎn)的時(shí)間段中出現(xiàn)，沈陽2009年和2010年冬季的最低氣溫都達(dá)到了-30℃，每年-20℃的氣溫都超過了30天。西萊克機(jī)組的最低適用環(huán)境溫度是-25℃，如果讓機(jī)組在這個(gè)溫度之下運(yùn)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(shí)運(yùn)行，躲開2-3小時(shí)的最低氣溫段運(yùn)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(gè)用戶熱泵具體的運(yùn)行時(shí)間是：

11月上午10點(diǎn)——下午18點(diǎn)

12月——1月早7點(diǎn)——晚間22點(diǎn)

2月——4月上午10點(diǎn)——下午18點(diǎn)

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(gè)月份中，晚間在出現(xiàn)-25℃以下的最低氣溫的時(shí)候就啟動(dòng)輔助電加熱設(shè)備。

上述時(shí)間只是熱泵設(shè)定的工作時(shí)間段，并不是熱泵每天的連續(xù)工作時(shí)間段，熱泵在這個(gè)時(shí)間段運(yùn)行中，當(dāng)循環(huán)水溫達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)熱泵自動(dòng)停止工作。

這個(gè)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(gè)用戶一樓和二樓熱泵運(yùn)行費(fèi)用總和是2400元，比理論計(jì)算的還要低一些（可能與一樓不常開啟熱泵有關(guān)）。

2010年11月1日至2011年1月20日，熱泵運(yùn)行的總費(fèi)用是1600元，預(yù)計(jì)到采暖期結(jié)束熱泵的運(yùn)行總費(fèi)用3000元左右（與理論計(jì)算相近）。

三、結(jié)論

從兩年來這個(gè)用戶的運(yùn)行實(shí)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(shè)計(jì)科學(xué)合理、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。超低溫空氣源熱泵應(yīng)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(fèi)用的40%，與電采暖相比節(jié)能60%（沈陽地區(qū)）。它與燃?xì)忮仩t相比，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省30%（沈陽地區(qū)），同時(shí)熱泵在運(yùn)行中的二氧化碳的排放量是零。沈陽的這個(gè)用戶如果使用燃?xì)忮仩t采暖，每個(gè)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(gè)采暖期，在設(shè)備使用的壽命內(nèi)，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(yùn)行費(fèi)用與普通的中央空調(diào)相似，但普通的中央空調(diào)不具備采暖和制熱水的功能，從性價(jià)比的角度來看，更應(yīng)該向用戶推薦使用超低溫空氣源熱泵。

 通過對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)熱泵的使用實(shí)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(shí)充分發(fā)揮了熱泵的制冷的功能。這兩個(gè)地區(qū)包含了我國(guó)10多個(gè)省份，整個(gè)面積大約占據(jù)了我國(guó)總面積的1/3?？梢灶A(yù)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(nèi)容，將在節(jié)能減排利用自然能源方面作出突出的貢獻(xiàn)。