金洪文,孫 妍, 馬 喆,吳宏偉 ,蔣 娜

(1.長春工程學(xué)院，長春 130012; 2.吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心,長春 130012; 3.赫特福德大學(xué),英國;4.長春電力設(shè)計有限公司，長春 130012)

嚴寒地區(qū)占據(jù)中國國土面積 27%，截止2014年，其城鎮(zhèn)建筑供暖面積達126億，其中污染嚴重的分散燃煤供暖面積占比高達30%左右.嚴寒地區(qū)供暖能耗不僅需要滿足嚴寒天氣所需大量熱負荷，還需要補充通過圍護結(jié)構(gòu)散失大約40%的能耗，為此需要消耗大量的煤炭資源進行供暖.同時，以燃煤為主用發(fā)電或供暖的化石能源在開采過程中會造成土地損壞、水資源污染、溫室效應(yīng)加劇，霧霾天氣頻繁等生態(tài)環(huán)境失衡.

2013年，國務(wù)院下發(fā)全面整治燃煤小鍋爐計劃，加快推進集中供熱、“煤改氣”、“煤改電”工程建設(shè).國家“十三五”規(guī)劃中提出：“實施以電代煤、以氣代煤，率先使用太陽能、地?zé)崮堋⒖諝饽艿惹鍧嵞茉刺峁┕?、供冷服?wù)”，以壓減燃煤消費，防治大氣污染、提高可再生能源消費比例等方面要求.

近年來，長江流域及其以南地區(qū)等夏暖冬冷區(qū)已廣泛采用空氣源熱泵作為供暖及供熱水系統(tǒng)運行，隨著空氣源熱泵性能不斷完善，在北方很多地區(qū)也得到應(yīng)用.北方地區(qū)室外采暖計算溫度一般在-20℃～-26℃之間，常規(guī)R410A的制冷劑熱泵機組運行較佳的室外氣溫條件在-5 ℃左右[1].隨著室外氣溫的降低，空氣源熱泵的制熱量和運行能效呈下降趨勢，蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜帶來制熱能力下降等問題突顯出來.因此，很多品牌的空調(diào)廠家都已研發(fā)出適用于低溫環(huán)境的CO2空氣源熱泵，以CO2作為制冷劑工質(zhì)的熱泵，能夠?qū)崿F(xiàn)超低溫蒸發(fā)吸熱，室外溫度條件在-20 ℃時可達到出水溫度為35 ℃左右，平均COP值2.5左右.且CO2的ODP=0，GWP=1.同時，東北地區(qū)電資源過剩也為空氣源熱泵應(yīng)用提供便利條件.

本文以敦化高速公路服務(wù)區(qū)(西區(qū))建筑為例，對CO2低溫空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用進行分析.

1 氣候條件

敦化市位于吉林省東部山區(qū)，長白山腹地，屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候，春天短.采暖季平均氣溫-4.6 °C，最高溫度23.3 °C，最低溫度-31.3°C.對2015年10月25日～2016年4月10日敦化國家基準(zhǔn)氣候觀測站(位置E 128°12′，N 43°22′,海拔高度524.9 m)氣象觀測，采暖季氣溫區(qū)間分布小時數(shù)如表1，采暖季月平均干球溫度、相對濕度如表2.

表1敦化市采暖季節(jié)各月氣溫區(qū)間分布小時數(shù)(h)

溫度區(qū)間/℃日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04總計t≥52564---148101338-5≤t<511728882-271073411441106-15≤t<-518271357230406146-1428-25≤t<-15-6047249016840-1200t<-25--3445--52

表2敦化市采暖季月平均干球溫度(tg)、相對濕度(φ)

日 期日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04干球溫度/°C5.6-5.1-10.7-16.4-11-1.36.6相對濕度/%53676959585750

由表1可知：敦化市供暖總時長為4 154 h，室外氣溫≥-15℃的時長為2 872 h，占總供暖時長的69.1%；室外氣溫≥-5℃的時數(shù)為1 444 h，占總供暖時長的34.7%.從室外氣溫區(qū)間分布情況看，敦化市供暖期內(nèi)絕大多數(shù)時間里采用空氣源熱泵進行供暖，可在較高的能效下運行.

2 工程概況

本次測試地點為敦化高速公路服務(wù)區(qū)(西區(qū))綜合服務(wù)樓，屬于框架結(jié)構(gòu)節(jié)能型建筑，設(shè)有餐廳、包廂、廚房、冷庫、客房、辦公室等區(qū)域.供熱面積為2 922.5 m2，末端采用地面輻射采暖.因工程地處偏遠，無法接入市政供暖系統(tǒng)或燃氣管道，常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)很難滿足全天候供熱的要求，地源熱泵初投資費用高，綜合考慮增設(shè)管道造價、輸送熱損失、投資費用以及節(jié)能環(huán)保等要求，提出使用采用以電為動力的CO2空氣源熱泵供熱[2]. 采用5臺CO2空氣源熱泵，三用兩備，每臺空氣源熱泵名義制熱量為100 kW，輸入功率為37 kW.循環(huán)水泵型號為IRG-80-160，其額定功率為7.5 kW，流量為50 m3/h.

3 供熱能力分析

2017年1月7日～12日期間，采用型號DT3891G的 “多路溫度巡檢儀熱電偶記錄儀”對供水、回水主管道、室外及室內(nèi)溫度進行連續(xù)測量記錄.測試期間三臺CO2空氣源熱泵連續(xù)供熱，測量數(shù)據(jù)時長為138 h，且測試期間空氣源熱泵所提供熱量滿足冬季采暖室內(nèi)計算溫度18℃(實際室內(nèi)溫度達到20℃左右).室外溫度、CO2空氣源熱泵提供熱量數(shù)據(jù)如圖1所示，此系統(tǒng)采用智能控制系統(tǒng)，當(dāng)提供熱量滿足設(shè)定要求，自動降低供水溫度，通過改變制冷劑流量，致使輸出的熱量減少，最大限度減少能耗.

利用熱量公式計算熱泵提供熱量.

Q=G×cp×Δt/3.6

(1)

其中:Q為CO2空氣源熱泵提供熱量，kW；G為循環(huán)水流量，kg/s；cp為比熱容，kJ/(kg·℃)；Δt為供回水溫差，℃.

Q=G×cp×Δt/3.6=50×4.18×4.5/3.6=260.76kW

CO2空氣源熱泵測試期間平均供熱量為260.76 kW，日平均提供熱量260.76×24=6 258.24 kW.

圖1 CO2 空氣源熱泵供熱量隨室外氣溫變化情況

4 結(jié)霜除霜分析

1月10號10：30～19:00為機組除霜期間，共計6 h30 min.測試期間，CO2空氣源熱泵供回水溫差增大2倍，并且經(jīng)計算除霜期間平均產(chǎn)生404.1kW熱量，達到除霜目的同時保證了室內(nèi)環(huán)境溫度保持在20 ℃左右.如圖2所示，除霜前期需較多熱量，隨時間推移，所需熱量逐漸減少.

圖2 CO2空氣源熱泵除霜期供熱量隨天氣變化情況

據(jù)資料顯示，空氣源結(jié)霜與室外空氣條件有密切關(guān)聯(lián)，室外干球溫度tg和相對濕度φ是影響空氣源熱泵結(jié)霜效率的重要參數(shù)，且結(jié)霜范圍溫度在-12.8℃≤tg≤5℃.當(dāng)溫度tg>-5.8℃時，不考慮結(jié)霜；當(dāng)溫度-5℃85%時，結(jié)霜嚴重；當(dāng)tg<-5℃時，結(jié)霜速率減慢；當(dāng)tg<-5.8℃、φ<67%時，不發(fā)生結(jié)霜；當(dāng)tg<-12.8℃時，不發(fā)生結(jié)霜[3].

由表1可初步得知：敦化市供暖期內(nèi)室外空氣平均相對濕度多數(shù)均在相對濕度界限以下，少數(shù)室外空氣狀態(tài)點落入結(jié)霜區(qū)且極少部分落入嚴重結(jié)霜區(qū).由表4可知：落入結(jié)霜區(qū)的時數(shù)達到373 h，占供暖總時數(shù)的0.08%；落入嚴重結(jié)霜區(qū)的時數(shù)達到230 h，占供暖總時數(shù)的0.05%，其余各月出現(xiàn)嚴重結(jié)霜現(xiàn)象平均每月2～5天，出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象平均每月4～9天.

表3敦化市采暖季各月結(jié)霜所占小時數(shù)(h)

除霜情況日期(年/月)2015/102015/112015/122016/012016/022016/032016/04總計結(jié) 霜-13510487650-373嚴重結(jié)霜-9238-3367-230

敦化作為典型的嚴寒地區(qū)，結(jié)霜時間短.而超低溫空氣源熱泵除霜化霜可根據(jù)程序設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在除霜期運行時間內(nèi)，間隔每20 min進行一次除霜，每次除霜時間2 min(除凈)；按24 h運行計算即124 min，總計大約2.4 h.敦化市連續(xù)結(jié)霜期約為6～14 d，既最多除霜為34 h小于運行期的20%，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn).且供熱期間因除霜所消耗的總電量不大0.6 kW/m2，僅消耗少量能源即可滿足除霜要求且不影響室內(nèi)環(huán)境溫度需求.

5 熱泵供熱電耗及運行費用對比分析

5.1 電耗

敦化高速公路服務(wù)區(qū)西區(qū)互感器比為120，每天9：00記錄電表讀數(shù)，如表2所示，根據(jù)電表記錄可知每天耗電量約為20×120=2 400 kW .

對CO2空氣源熱泵機組在-20 ℃的低溫下能效比計算：

求得COP平均值為2.6，即1 kW的電量可以產(chǎn)生2.6 kW的熱量，相比與直接電采暖更加經(jīng)濟節(jié)能.

5.2 運行費用

按照吉林省峰、平、谷電價計算，峰電價時間段為7：30-11：30、17：00-21：00共8個小時，低谷電價時間段為22：00-5：00共計7個小時，其他為平電價時間段.平電價為0.525元，峰電價乘150%，谷電價乘50%.根據(jù)實測數(shù)據(jù)，以高速公路服務(wù)區(qū)西區(qū)日平均提供熱量6258.24 kW作為計算基準(zhǔn)，取多種能源形式進行對比分析，結(jié)果如表5所示.

表4熱泵用電情況

日期(年/月)測試時間2017/01/072017/01/082017/01/092017/01/102017/01/112017/01/12電表讀數(shù)/(kW·h-1)108411051126114611691188

表5四種能源單位時間運行費用對比

熱源方式空氣源熱泵直接電采暖燃氣采暖燃煤采暖能源類別電能電能天然氣化石能源能源消耗量2400kW6258.24kW633.1m30.76t(標(biāo)煤)能源單價按吉林省電價按吉林省電價2.67元/m31170元/t運行費用/元12603285.581690.60899.58每平方運行費用0.43元/(d·m2)1.12元/(d·m2)0.57元/(d·m2)0.20元/(d·m2)

注：國家環(huán)保政策不允許，因此不具備以煤為能源供暖條件.

6 投資回收期

因本工程地處高速公路段，無法利用集中供熱和燃氣采暖，故以電鍋爐采暖進行對比分析.相同條件下，300 kW電熱儲能初投資費用約為27萬元，名義制熱量為100 kW空氣源熱泵初投資費用約為24萬元，五臺兩備三用共需120萬元.相對于電鍋爐系統(tǒng)計算靜態(tài)投資回收年限為：

經(jīng)上述計算可知，CO2空氣源熱泵機組供熱所需運行費用約0.43元/(d·m2)，系統(tǒng)投資回收年限短，嚴寒地區(qū)采暖季節(jié)周期長，需采暖地區(qū)面積基數(shù)大，整個采暖季節(jié)省費用的總量非?？捎^[4].

7 結(jié) 語

綜上所述，通過對典型嚴寒地區(qū)敦化地區(qū)氣象資料及實際應(yīng)用的研究，得出CO2空氣源熱泵機組作為一種新型環(huán)保設(shè)備，能夠在-20 ℃的低溫下正常運行，平均COP值可達到2.6，比燃氣、直接用電供熱都節(jié)能，比集中供熱費用高，但是如果綜合環(huán)境效益和社會效益來看，采用CO2空氣源熱泵機組比燃煤供熱要好.目前CO2空氣源熱泵機

組應(yīng)用正處在起步階段，不能完全替代以燃煤為主的集中供熱形式，但對于地處偏遠或有環(huán)保要求區(qū)域的中小型建筑適合采用CO2空氣源熱泵機組供熱.如果條件允許，可配備太陽能等多種形式的供熱系統(tǒng)與空氣源熱泵協(xié)同運行，將大大減少運行費用.

[1] 何務(wù)華. R410A制冷劑在多聯(lián)機應(yīng)用的優(yōu)缺點[J]. 制冷,2006(1):72-74.

[2] 茅靳豐,竇文平,韓 旭. 高原嚴寒地區(qū)觀察哨樓連續(xù)式太陽能供暖系統(tǒng)[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005(1):63-66.

[3] 姜益強,姚 楊,馬最良.空氣源熱泵結(jié)霜除霜損失系數(shù)的計算[J].暖通空調(diào),2000,30(5):24-26.

[4] 金洪文,高 杲,畢見勝. 空調(diào)型新風(fēng)換氣系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可行性研究[J]. 長春工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2015(1):8-11,24.