风冷热泵采暖应用管理论文

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摘要：由于环保要求的提高,我国北方越来越多的城市限制燃煤采暖,随之而来何种清洁节能的采暖系统可替代燃煤采暖成为关系到国计民生的紧要课题。本文通过对三种风冷热泵机组低温（-6～-16℃）性能的测试，发现采用地板采暖时，由于地板所需水温较低，C.O.P可以在3.0以上，比风机盘管供暖节省30-35%。选择低温性能优异的风冷热泵机组，并适当考虑功率大一些，在我国大部分北方地区，均可以满足采暖要求，达到明显节能、环保的效果。风冷热泵结合地板采暖将是替代燃煤采暖的最经济的清洁采暖系统。

关键词：风冷热泵地板采暖COP

一、我国北方地区面临的采暖问题

环境保护与节约能源正挑战我国的供暖热源。各种传统采暖方式都存在不同的缺陷：

1、燃煤锅炉采暖污染严重，必须改变。

2、集中供热收费制度正在改革，但即使解决了分户计量问题，也还存在着系统网络如何避免水力与热力的失调问题，除非彻底解决自动化，否则，很难实现用户自主调节使用,并缴纳相应的费用。

3、使用燃气炉采暖，一是用户支出费用高，二是仍存在污染问题。据北京市节能办公室对用这种热源分户采暖的住宅小区进行测试，证明氮氧化物明显超标，甚至还存在安全隐患。

4、直接用电取暖（如：电暖气、电热膜、电锅炉等），由于燃料的利用率太低，运行费用很高，所以，在国标中明确规定一般情况不允许采用[1]。

表一：几种常用能源冬季采暖费用比较

方式

燃料价格

热转化效率

燃料热值

产生1KWH热所需费用

北京地区运行费用

特点

燃煤集中供热

280元/吨

55%

5000wh/kg

0.102元/KWH

13.4元/m2

污染严重、费用低

燃气

1.7元/m3

75%

10500wh/m3

0.216元/KWH

28.5元/m2

轻微污染、费用较高

燃油

3000元/吨

85%

10500wh/kg

0.336元/KWH

44.3元/m2

轻微污染、费用高

电暖气、电热膜

0.4元/度

100%

1000wh/度

0.4元/KWH

52.8元/m2

无污染、费用最高

热泵

0.4元/度

300%

1000wh/度

0.133元/KWH

17.6元/m2

无污染、费用低

注：根据气象资料，求得北京地区冬季采暖负荷按132KWH/m2计算

另一方面，随着人民生活质量的提高，空调制冷的普及率大大提高，如果能创造冷暖合一的人工环境设施，将具有环保、节能的双重意义。

风冷热泵是一种无需水源，只与空气换热的电驱动供冷暖设施。空气随处可得，用之不尽。因此，采用风冷热泵在更广阔的地域供冷暖可以达到保护环境、节约能源、方便管理、安全使用乃至美观的诸多目的，是众人企盼的。

但是，风冷热泵在寒冷地区（采暖设计温度-5～-15℃范围）能否用于采暖？在学术界一直是众人存疑的，为此，必须明确回答以下几个问题，即：

1、什么样的热泵可以在上述气候下运行？

2、在上述的低温天气下，热泵的供热量下降多少？出风或出水的温度最高达到了多少度？其功效比为多少？

3、除霜状况如何？给供热量带来多大影响？

4、与哪种采暖末端结合可以达到供暖的目的？

5、在我国采暖地区使用的经济性如何？及与其他采暖方式的比较。

下面就上述问题加以阐述。

二、风冷热泵的低温性能

为揭示风冷热泵的低温性能，北京清华索兰环能技术研究所建立了低温模拟实验室，于2001年8月对以下三种有代表性的热泵机组进行了人工气候下的试验，三种机组是：

A.索兰中低温压缩机的热泵试验机组（以下称A型）

B.某著名公司热泵机组（以下称B型）

C.索兰现产机组（以下称C型）

测试结果摘要于表二

机组类型

A

B

C

额定功率（KW）

8

8

6

模拟外温-6～-8℃

出风或出水温度（℃）

33～38

31.5～39.25,42～45

供热量（W）

8000

43263756

供热量下降百分数%

2840

耗电量（W）

220v3122

12191388

C.O.P

2.56

3.52.58

外温-9～-10℃

出风或出水温度（℃）

28-38

29～3332～40

供热量（W）

3516

38373489

供热量下降百分数%

57

3642

耗电量（W）

2860

11121219

C.O.P

1.23

3.452.86

外温-11～-16℃

出风或出水温度（℃）

33～37

41～4646～48

供热量（W）

7075

43693663

供热量下降百分数%

15

45.455

耗电量（W）

3089

33003480

C.O.P

2.19

1.331.05

测试结果说明：

1、测试的三种风冷热泵在室外温度为-5～-15℃的寒冷天气下，出风或出水温度皆可满足一般房屋供暖要求，尤其是低温地板辐射供暖，前提是机组出力与负荷匹配。即热泵机组选型时需将额定出力比设计负荷选大一些，否则，在出力不足时需加电补热，所选机组扩大的百分数应视地区冬季气候而定。

2、不同压缩机在相同的蒸发、冷凝温度、压力下（实验中监测温度、压力）表现出的性能不同，即供热量和耗功率不同，A最好，C次之，B较差。说明A更适合北方供暖用，需尽快定型生产。

3、关于冲霜对供热量的影响：首先，北方地区冬季气候干燥，决定了冲霜问题不严重；其次，不少产品的冲霜过程都有较大的改进，完成动作一次的时间都很短，实验中观察，对于一个惯性较大的供暖水系统，水温的变化不大。第三，在外温愈低时，空气中的绝对含湿量愈小，冲霜的时间间隔变得很长。

三、风冷热泵供暖的末端装置

1、与低温辐射地板相结合

辐射供暖是一种卫生条件与舒适条件都比较高的一种供暖方式，地板辐射供暖比天花板供暖更合理。

由于人体在地板辐射供暖的房间中，能从接触、辐射及对流多方面进行热交换，所以，不少权威性资料指出，在达到人体同等舒适的条件下，室内空气温度可以比设计温度低2-3℃，采暖负荷可降低15%左右，因此它又是一种节能的采暖装置。

此外，它的突出优点是可以也必须利用低品位热媒，并具有较大的蓄热性，在满足舒适性的要求下，其表面温度不得超过24-26℃[2]。这一点为利用风冷热泵采暖提供了可能性。

以北京地区为例，其供暖设计温度为-9℃，住宅连续供暖的热负荷为52W/m2，地板供暖的室内设计温度为16℃，由公式[2]

TEP=Tn+9(q1/100)0.909

式中：TEP--地板表面平均温度，℃

Tn--室温，℃

q1--地板向上的散热量，即房间的热负荷W/m2

TEP=16+9(52/100)0.909=16+4.96=20.96℃

结果与[2]指出的20.12℃相近。根据[2]，有下列热阻值：

①由加热管道内的水至水泥地板表面的平均热阻为0.0746m2℃/W

②实木地板层热阻为0.1m2℃/W

③地板砖层热阻为0.02m2℃/W

④复合木地板层热阻为0.046m2℃/W

⑤辐射地板向室内空气的传热热阻为0.107m2℃/W。

将上述热阻组合，并以北京地区住宅供暖负荷52W/m2为例进行计算，得出以下结果：

①采用地板砖的辐射供暖设计水温需25-28℃；

②采用复合木地板的辐射供暖设计水温需27-30℃；

③采用实木地板的辐射供暖设计水温需29-33℃。

考虑到使用的盘管材料壁厚不同等因素，上述温度应适当提高1-2℃。

上述地板中敷射管道直径为Ф16/14，间距为150-200mm。

由表二的数据不难看出，在我国北方寒冷地区采用风冷热泵时，以上出水温度皆可满足，并且其功效比皆可在3.0左右，节电60%以上。

2、与风机盘管相结合：

一般出风温度为38-40℃即可。从实验数据看，风冷热泵在北方大部分地区也是可行的，它的前提也是将机组选型时选大一些（约40%），或采用电补热。

四、风冷热泵供暖的经济性分析

选取北方寒冷地区几个大城市的气象数据，对风冷热泵供暖的成本进行分析如下：

1、京津地区北纬39.1-39.95。，采暖室外设计温度-9℃，室内设计温度：地板+16℃，热风+18℃，热泵的性能采用表二中的C组数据，电价0.4元/度

末端装置

采暖热负荷W/m2

热泵供热量W/m2

C．O．P

耗电量W/元

电补热W/元

设备投资加大40%时

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

总计

112490

97628.2

2899311.536

5.9426

13.453

由上可见，若采用电补热，年运行费为17.478元/m2，而设备投入加大40%，则年采暖运行费为13.45元/m2。

例如，一台8000W热泵机组采用地板采暖，供110平方米，则采暖季的运行费为13.45元/m2，而如果选6000W的热泵机组，虽初投资少0.26万，但冬季运行费为17.478元/m2，每年要多花443.8元，5年后就不合算了，况且，电补热需加大用户电容量，也是需要考虑的。

当末端采用风机盘管送热风时，则由于出风温度较高，COP下降（参见表二，例如室外温度为-7℃时，产生35℃热水时，热泵C.O.P为3.5，产生45℃热水时，热泵C.O.P为2.58），以及采暖负荷较大，两项因素会导致上述费用加大30%-35%。例如北京地区冬季会增加约5元/m2运行费。

2、济南，北纬36.41。，采暖室外设计温度-7℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置

采暖热负荷W/m2

热泵供热量W/m2

C．O．P

耗电量W元

电补热W元

设备投资加大35%时

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

总计

87993

82605

25990

10.369

3.451

10.781

如末端采用风机盘管需加大运行费25-30%。

3、郑州，北纬34.43。，采暖设计外温-5℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置

采暖热负荷W/m2

热泵供热量W/m2

C．O．P

耗电量W元

电补热W元

设备投资加大35%时

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

总计

76931

73066

8.64

1.545

9.109

上表说明在郑州等纬度较低的采暖地区，用电补热的运行费用与加大热泵机组的情况相差不多，例如一台6000W的机组若采用地板供暖+电补热时，可供125米2，每米2的冬季采暖费为10.185元。

4、兰州，北纬36.03。，采暖室外设计温度-11℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置

采暖热负荷W/m2

热泵供热量W/m2

C．O．P

耗电量W元

电补热W元

设备投资加大35%时

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

总计

163436

128709

38757

15.471

34727

13.89

19.726

由表可见，对于比北京寒冷的兰州地区，用电补热的采暖费用比较高(29.361元/m2,较地板高出近10元/m2)，不如加大设备。如采用风机盘管,其运行费可能达到26元/m2（如用电补则为39元/m2）。

综上所述，下表为我国北方几个城市采用风冷热泵采暖的运行费用比较

采暖末端方式

北京、天津

济南

郑州

兰州

地板（大热泵）

13.45元/m2

10.78元/m2

9.11元/m2

19.73元/m2

地板+电补

17.48元/m2

13.82元/m2

10.19元/m2

29.36元/m2

风机盘管（大热泵）

17.5元/m2

13.5元/m2

11.4元/m2

26.6元/m2

风机盘管+电补

22.7元/m2

17.3元/m2

12.7元/m2

39.6元/m2

参见表一，北京地区各种采暖方式运行费用总结如下

方式

燃煤

燃气

燃油

电暖气、电热膜

风冷热泵+风盘

风冷热泵+地板

热转化效率

55%

75%

85%

100%

300%

34s0%、采暖负荷降15%

运行费用(元/m2)

13.4

28.5

44.3

52.8

17.6

13.45

可见，风冷热泵地板采暖系统是最经济的清洁采暖系统。

五、结论

1、在黄河流域利用风冷热泵供暖无论从节能、环保、安全、方便使用还是经济上都是合理的。愈是寒冷地区采用适当加大设备配以地板采暖的经济性愈高。

2、热泵机组的低温性能是有差异的，对于以采暖为主的寒冷地区，应当注意选择。对于性能良好的机组在配地板采暖时，由于出水温度低（25-35℃），冬季大部分时间制热效率高于3.0。

3、同样的热泵机组，末端分别采用地板采暖和风机盘管时，由于前者可接受的水温较后者低10℃左右，热泵C.O.P将相差20-30%，加上地板采暖2-3℃等效温降，使得两种末端的运行费相差30-35%。愈是寒冷地区愈明显。

参考文献

[1]《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中华人民共和国行业标准2001年10月施行

[2]《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》北京市标准2000北京