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專題：分戶低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設計（一）
本期簡介：分戶低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設計針對農(nóng)村“煤改空氣源熱泵”中的分戶式選用低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的困惑，全面介紹空氣源+地暖、空氣源+暖風機、空氣源+散熱器系統(tǒng)中的主機選型、水泵選型、管網(wǎng)設計、末端設計等技巧和方法。本文篇幅較長，將相關內(nèi)容分為三期連載，本篇為笫一期內(nèi)容，敬請關注下期。
一、概述
在“煤改清潔能源”的大潮下，空氣源熱泵成為政府推廣的重要清潔能源形式。2018年6月7日，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《2018～2019年藍天保衛(wèi)戰(zhàn)重點區(qū)域強化督查方案》，提出堅決打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，2018年以“2+26”及汾渭平原11個冬季清潔取暖城市的燃煤替代為重點。今年上半年，“2+26”及汾渭平原11個冬季清潔取暖城市紛紛出臺了相應的政策，其中空氣源熱泵得到了政府的大力支持。
針對農(nóng)村“煤改空氣源熱泵”分戶式選用低溫空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中的困惑，全面掌握空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中的主機選型、水泵選型、管網(wǎng)設計、末端設計等技巧和方法。
空氣源熱泵供暖系統(tǒng)不是單純的安裝一臺熱泵，它涉及到制熱(空氣源熱泵設備)、輸送系統(tǒng)(包含循環(huán)水泵、蓄水箱、補水系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、控制系統(tǒng))、末端散熱系統(tǒng)(地面輻射供暖、散熱器、暖風機)等。因此，將空氣源熱泵供暖系統(tǒng)稱之為技術含量高、涉及面廣、責任心強、服務周期長等諸多特點于一身的綜合性系統(tǒng)。
另外，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)不盡于將制熱設備、輸送系統(tǒng)及末端的產(chǎn)品材料組合起來，還得根據(jù)不同的戶型尤其是農(nóng)村地區(qū)，分戶式“煤改空氣源熱泵”大部分是既有建筑，外圍護保溫性能差，不同的房屋布局、朝向、保溫要求、散熱末端，都需要不同的設計方案，難以一刀切的搞標準化。
因此，要重設計，要求一戶一設計。同時重視施工、調(diào)試、驗收及售后服務等大量的維保工作(三年、六年)。還要深刻理解空氣源熱泵供暖“要裝得起，用得起”的深刻含義。為此，圍繞設計、設備選型、施工安裝、末端等問題談幾點自己的看法。
二、熱負荷計算是基礎，只有執(zhí)行正確的基礎數(shù)據(jù)才能保證系統(tǒng)設計正確
熱負荷計算與外圍護建筑有關，外圍護建筑因素包括：外墻、屋頂保溫材料的熱阻;外門、窗的選型;外墻高度、外門、窗的面積;外門、外窗開啟沖入冷風的耗熱量。
熱負荷損耗應與房間面積有關，外墻多，外門、外窗尺寸大，房間面積大，熱損耗大，熱量用得多，反之則小。
準確測量戶內(nèi)有效的取暖面積，根據(jù)每一住戶的取暖面積認真測量，制作平面圖，做到“一戶一設計”，科學認真計算戶內(nèi)供暖實際熱負荷。
三、室外氣象資料與室內(nèi)設計參數(shù)
室外氣象資料應根據(jù)《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(GB 50019-2015)、附錄A室外空氣設計參數(shù)采用，或《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(GB 50736-2012)、附錄A室外空氣設計參數(shù)進行選用。由于我國地理面積較大，各地氣溫相差較大，為設計用室外空氣計算參數(shù)，應從兩本規(guī)范附錄A中與建設地地理和氣象條件接近的氣象站中選取。
1、選用室外空氣設計參數(shù)(以北京市為例)
冬季室外采暖(平原)-7.9℃，冬季室外采暖計算溫度(山區(qū))延慶-13℃，密云-11℃。建議：延慶、密云、門頭溝等山區(qū)，室外設計參數(shù)應與平原有所不同。室外設計參數(shù)密云地區(qū)-10℃;延慶地區(qū)-12℃左右。
2、選用室內(nèi)空氣設計參數(shù)
根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》(GB 50736)和《住宅設計規(guī)范》(GB 50096)，對流散熱器供暖的室內(nèi)設計溫度，嚴寒和寒冷地區(qū)主要房間應采用18℃～24℃(最低設計溫度：臥室、起居室和衛(wèi)生間18℃，廚房15℃)。采用地面輻射供暖時，則應比上述溫度低2℃取值進行負荷計算;同時對地面散熱量計算表時，“室內(nèi)空氣溫度”也應是低2℃的地面供暖的“室內(nèi)計算溫度”。
室內(nèi)溫度為18℃時，每增加1℃，能耗可能要增加5%～10%，每平方米一個采暖季增加1～2元左右。
四、空氣源+地暖、空氣源+暖風機、空氣源+散熱器的主機選型方法
1、空氣源熱泵主機選型要求
1)空氣源熱泵主機選型應與空氣源熱泵功能有關
冬季采暖：產(chǎn)熱水45℃，也可產(chǎn)60℃高溫水，供回水溫差3℃～5℃;夏季空調(diào)：產(chǎn)冷水7℃，回水溫度12℃，供回水溫差5℃;一年四季提供45℃生活熱水。
2)空氣源熱泵獨有兩個缺點
特點一：北方地區(qū)冬季制熱時怕低環(huán)境溫度，環(huán)境溫度越低，制熱效果越差，能效比(COP)越低。
特點二：蒸發(fā)器冬季結霜問題。
a、冬季結霜，這不但導致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降，還將對壓縮機等重要部件產(chǎn)生不良影響(如冰堵)，嚴重時將損壞壓縮機，使系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)。
b、結霜還將使機組運行費用增加。為了對空氣源熱泵結霜除霜所帶來的損失進行量化分析，有研究提出了不同地區(qū)、不同使用情況下的平均結霜除霜損失系數(shù)的概念，平均結霜除霜損失系數(shù)越大的地區(qū)，應用空氣源熱泵越不經(jīng)濟。
c、設計選型時應根據(jù)當?shù)厝谒獣r間采用融霜修正系數(shù)。
2、如何選擇熱泵類型及空氣源熱泵機組
1)選擇熱泵類型
選擇熱泵類型非常重要，有的工程由于將熱泵類型選錯，造成長期壓縮機工作不停機，運行費用高但室內(nèi)溫度難以滿足設計要求。目前冬季選擇熱泵類型共有三個標準：低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組(GB/T 25127);冷水(熱泵)機組(GB/T 18430);空氣源熱泵熱水器(GB/T 21362)。以上三個標準是有區(qū)別的，應引起重視。
低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組(GB/T 25127)的暫行標準為《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵(冷水)機組》(GB/T 25127.1-2010)、《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組 第2部分：戶用及類似用途的熱泵(冷水)機組》(GB/T 25127.2-2010)。低溫熱泵的制熱名義工況，空氣側(cè)溫度為-12℃;適用于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖。應用于低環(huán)境溫度的場景。
冷水(熱泵)機組(GB/T 18430)風冷熱泵的標準為《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 第1部分：工商業(yè)用和類似用途的冷水(熱泵)機組》(GB/T 18430.1-2007)、《蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組 第2部分：戶用和類似用途的冷水(熱泵)機組》(GB/T 18430.2-2008)。風冷熱泵的制熱名義工況，空氣側(cè)溫度為7℃;風冷熱泵適用于夏季供冷，而風冷熱泵制熱時的所有設計工況都是在0℃以上。不適用于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖。風冷熱泵用于常溫的場景。
空氣源熱泵熱水器(GB/T 21362)側(cè)重于熱水，不適用于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)冬季采暖。
另外，低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組包括冷水(熱泵)機組和多聯(lián)機組。目前現(xiàn)行的有關國家標準有《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組 第2部分：戶用及類似用途的熱泵(冷水)機組》(GB/T 25127.2-2010)和《低環(huán)境溫度空氣源多聯(lián)式熱泵(空調(diào))機組》(GB/T 25857-2010)。兩個標準規(guī)定的名義工況為室外側(cè)溫度均為-12℃;前者名義工況供水溫度為41℃、單位名義制冷量時的水流量為0.172m3/(h•kW)，名義工況的COP不低于2.1、IPLV(H)不低于2.4;后者是針對多聯(lián)機的直接蒸發(fā)式室內(nèi)機供暖的系統(tǒng)制定的，供熱側(cè)的名義工況是室溫為20℃，不適用于熱水機組;因此，對于本規(guī)程的熱水供熱系統(tǒng)，應遵循的標準為前者。
總之，以上三個標準存在四個不同，即產(chǎn)品依據(jù)標準不同、產(chǎn)品應用場景與運行方式不同、產(chǎn)品設計條件不同、所用核心零部件不同。
區(qū)別一：產(chǎn)品依據(jù)標準不同
低溫熱泵制熱時主要設計工況都是在0℃以下，而風冷熱泵制熱時的所有設計工況都是在0℃以上。
區(qū)別二：產(chǎn)品應用場景與運行方式不同
低溫熱泵應用于低環(huán)境溫度的場景，風冷熱泵用于常溫的場景。低溫熱泵主要功能就是采暖，并且絕大部分也是這么應用的;風冷熱泵側(cè)重于制冷，兼顧制熱。低溫熱泵的末端主要是地暖、散熱器，還有風機盤管等;風冷熱泵的末端基本都是風機盤管。
地暖、散熱器的運行特征是小流速大溫差，風機盤管的運行特征是小溫差大流量。所以低溫熱泵與風冷熱泵的設計理念不同，風冷熱泵是以末端為風機盤管為前提，兩器配得太小，水泵配得太大，沒有考慮地暖的運行特征。所以用傳統(tǒng)風冷熱泵帶地暖節(jié)能優(yōu)勢不明顯。
區(qū)別三：產(chǎn)品設計條件不同
兩者的設計條件不同，即設計工況不同，我們以名義工況為例來說明。名義工況是產(chǎn)品銘牌上標示的額定制熱量(制冷量)測定時的工況，一般就是機組最普遍、最常用的工作狀態(tài)點。
看兩者各自標準中規(guī)定的設計條件，低溫熱泵的制熱名義工況，空氣側(cè)溫度為-12℃;風冷熱泵的制熱名義工況，空氣側(cè)溫度為7℃。低溫熱泵制熱時主要設計工況都是在0℃以下，而風冷熱泵制熱時的所有設計工況都是在0℃以上。
區(qū)別四：所用核心零部件不同
低溫熱泵所用壓縮機為熱泵專用低溫噴氣增焓壓縮機，風冷熱泵采用的是普通壓縮機。低溫熱泵除傳統(tǒng)的空調(diào)四大件(壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、蒸發(fā)器)外，一般還會增加中間經(jīng)濟器或閃蒸器來給噴氣增焓壓縮機提供低溫低壓的冷媒噴氣。
之所以風冷熱泵在低溫下不能用，而低溫熱泵則沒問題，就是因為低溫熱泵采用了噴氣增焓技術。這么來說，一般熱泵機組在環(huán)境溫度很低時，蒸發(fā)溫度很低，導致蒸發(fā)壓力很低，所以壓縮機吸氣壓力低、冷媒循環(huán)量小，制熱量也就很小。
低溫熱泵加了經(jīng)濟器或閃蒸器，將一部分冷媒蒸氣導入壓縮機，提高吸氣壓力，增大冷媒循環(huán)量，制熱量也就增大了;同時經(jīng)過經(jīng)濟器或閃蒸器的主冷媒受到了過冷，增大了換熱焓差，也使得制熱量增大了，故稱為噴氣增焓。
本文作者：鄧有源