风冷热泵采暖在我国北方地区的应用

风冷热泵采暖在我国北方地区的应用风冷热泵采暖在我国北方地区的应用 作者 李元哲教授 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 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 kg0 102元 KWH 13 4元 m2污染严重 费用低 燃气1 7元 m375 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 k g 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ABC 额定功率 KW 886 出风或出水温度 33 38 31 5 39 25 42 4 5 供热量 W 8000 4326 3756 供热量下降百分数 0 28 40 耗电量 W 220v 3122 1219 1388 模拟外温 6 8 C O P2 56 3 5 2 58 出风或出水温度 28 3829 33 32 40 供热量 W 35163837 3489 供热量下降百分数 5736 42 耗电量 W 28601112 1219 外温 9 10 C O P 1 233 45 2 86 出风或出水温度 33 3741 46 46 48 供热量 W 70754369 3663 供热量下降百分数 1545 4 55 外温 11 16 耗电量 W 30893300 3480 C O P2 191 33 1 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 由加热管道内的水至水泥地板表面的平均热阻为 0 0746 m2 W 实木地板层热阻为 0 1m2 W 地板砖层热阻为 0 02m2 W 复合木地板层热阻为 0 046m2 W 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 采用地板砖的辐射供暖设计水温需 25 28 采用复合木地板的辐射供暖设计水温需 27 30 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 16 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 10 以下 6708 4024 831341 0 5366 1 0730 893 7 10 10404 6762 63 22113 0 845 1 45661 303 4 7 28474 19931 83 45862 2 345 3 4163 349 地板 每米 2 4 66904669043 419677 7 871 07 871 总计11249097628 2 28993 11 536 5 942613 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 7 10 9258 60183 218800 75 2 32401 2961 157 4 7 19245 138573 456602 26 4 53882 1552 264 地板 每 米2 4 62730627303 41845 0 7 38 7 36 总计8799382605 2599 0 10 3 69 3 45110 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 7 10 816353063 21 6580 6 53 28 57 1 4 22 1 020 4 7 360125933 40 8100 3 24 10 08 0 4 03 0 423 地板 每米 2 4 65167651673 41 918 6 7 6 6 7 66 总计7693173066 8 6 4 1 5 459 109 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 10 17083102503341 6 1 36 6 683 3 2 7 33 2 277 7 10 41976 272853 2852 6 3 3 41 0 146 91 5 8 76 5 241 4 7 45011 324083 4953 1 3 81 2 132 03 5 2 81 5 295 地板 每米 2 4 58766587663 4172 84 6 94 3 6 913 总计163436128709 387 57 15 4 71 347 27 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 m210 78元 m29 11元 m219 73元 m2 地板 电补17 48元 m213 82元 m210 19元 m229 36元 m2 风机盘管 大热 泵 17 5元 m213 5元 m211 4元 m226 6元 m2 风机盘管 电补22 7元 m217 3元 m212 7元 m239 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 52 817 613 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