王 強(qiáng) 中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司工程師

我國(guó)能源儲(chǔ)備量較大，但由于我國(guó)龐大的人口數(shù)量，人均占有量較低，所以開發(fā)新型環(huán)保能源及可再生能源具有重大意義。冷暖輻射地板系統(tǒng)具備節(jié)能降耗、舒適性強(qiáng)等特點(diǎn)，而空氣源熱泵系統(tǒng)能夠解決寒冷天氣、陰天等環(huán)境條件下的熱量供給不足問(wèn)題，構(gòu)建冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 冷暖系統(tǒng)

冷暖輻射地板系統(tǒng)利用高溫冷水作為冷媒、低溫?zé)崴鳛闊崦剑柚孛鏄前迳系乃槭炷吝M(jìn)行地板溫度控制，從而形成可制熱或制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。主要分為室外地能收集系統(tǒng)(也就是俗稱的埋地?fù)Q熱器)、熱泵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和熱能使用終端系統(tǒng)。冷暖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于其兼顧了輻射供冷暖的特點(diǎn)，進(jìn)行獨(dú)特的氣候控制，不會(huì)出現(xiàn)污濁空氣對(duì)流，增加居住的舒適感。地表淺層地?zé)豳Y源的溫度常年較為穩(wěn)定,且冬季比地上的溫度高,夏季比地上的溫度低,能夠有效調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，且采暖室內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況較為均勻，是一種天然的熱泵熱源和空調(diào)冷源。由于冷暖系統(tǒng)是將輻射作為供冷暖的主要方式，實(shí)際溫度會(huì)出現(xiàn)冬高夏低的情況，在建筑采暖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可進(jìn)行3 ～4 ℃的適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整，這也能夠帶來(lái)25%左右的節(jié)能效益。在冷暖系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)時(shí)，要考慮到土壤與水資源使用的成本差異，事先調(diào)查好當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)，防止超出地下水抽取負(fù)荷,不僅無(wú)法完成尾水回灌，更會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞[1]。

1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵系統(tǒng)是一種將空氣作為熱泵低位熱源，進(jìn)而構(gòu)建建筑熱循環(huán)的熱泵系統(tǒng)，如圖1所示，其優(yōu)勢(shì)在于空氣資源“取之不盡”，且不會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)支出?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)雖然會(huì)消耗一定的高位能，但所供應(yīng)的冷熱量是消耗高位能與吸取低位能熱量的總和。相較于傳統(tǒng)太陽(yáng)能直接供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于其集熱器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，建造成本較低，具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。不過(guò)空氣源熱泵系統(tǒng)受環(huán)境的影響較為明顯，尤其在氣溫及熱流密度較低的地區(qū),空氣供能明顯不足，無(wú)法滿足人們?nèi)粘９┡蛏a(chǎn)生活的熱水需求[2]。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理示意圖

將空氣源熱泵系統(tǒng)中的冷熱源合一，不需要設(shè)置單獨(dú)的冷凍機(jī)房，也不需要燃燒供應(yīng)系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成影響。將收集到的空氣，以熱能的形式儲(chǔ)存在蓄熱器中進(jìn)行蓄能，并傳遞到保溫水箱中，以達(dá)到蓄熱的目的。在能源使用環(huán)節(jié)，若此階段的能源溫度不能使水溫維持在穩(wěn)定狀態(tài)，可以適當(dāng)配合輔助供熱系統(tǒng)，發(fā)揮其向蓄能水池供熱的功能。需要注意的是，空氣的溫度受季節(jié)、地域環(huán)境的影響較為明顯，單位熱容量較小，尤其在北方冬季，容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障。當(dāng)空氣源熱泵供能到達(dá)恒定值時(shí)，保溫水箱中的水溫與系統(tǒng)出水水溫之間的溫差較低，熱泵系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)效果較差，此時(shí)要停止機(jī)組運(yùn)行并進(jìn)行除霜處理。

2 別墅的冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)安裝可行性分析

2.1 冷暖系統(tǒng)可行性分析

不同季節(jié)環(huán)境條件下，冷暖系統(tǒng)的進(jìn)水溫度要求也不同，冬季低溫環(huán)境下進(jìn)水溫度要控制在50 ～70 ℃；而夏季高溫環(huán)境下進(jìn)水溫度則應(yīng)控制在15 ～25 ℃。系統(tǒng)自身存在著極高的熱惰性，實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)可以采用間歇運(yùn)行的方式，即在冬季高溫或夏季低溫時(shí)段運(yùn)行，保障用戶使用需求的同時(shí)，降低系統(tǒng)耗能。就熱泵自身角度而言，其制熱性能系數(shù)大于1，提供的熱量會(huì)永遠(yuǎn)大于消耗的功，其熱泵循環(huán)公式為逆卡諾循環(huán)：

式（1）中，εh為熱泵制熱性能系數(shù)，Th為高溫?zé)嵩礈囟?，Ta為低溫?zé)嵩礈囟取?/p>

根據(jù)公式可知，熱泵熱源溫度與系統(tǒng)供熱溫度之間的溫差直接影響著系統(tǒng)制熱性能，其制冷系數(shù)也會(huì)受到供水溫度的影響。通過(guò)提高熱泵運(yùn)行效率，能夠有效降低冷暖系統(tǒng)的運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的供熱目標(biāo)。

2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)可行性分析

環(huán)境溫度是影響空氣源熱泵系統(tǒng)工作效率的主要因素，所以其多適用于我國(guó)長(zhǎng)江及黃河流域，在部分低溫條件下，其供熱性能會(huì)受到較大影響。因此，進(jìn)行空氣源熱泵系統(tǒng)的可行性分析，就需要強(qiáng)調(diào)在低溫條件下的工作性能升級(jí)措施。

其一，節(jié)流裝置設(shè)計(jì)。空氣源熱泵冷水機(jī)組多采用熱力膨脹閥作為節(jié)流裝置，其受環(huán)境溫度影響較為明顯，在零下5 ℃的環(huán)境下，膨脹閥同熱泵系統(tǒng)之間的匹配性降低，整個(gè)系統(tǒng)的供熱效果會(huì)減少60%以上；在零下15 ℃的環(huán)境下，整個(gè)空氣源熱泵系統(tǒng)已基本失去供熱效果。對(duì)此，可以選擇反應(yīng)靈敏度好、控制精準(zhǔn)度高的電子膨脹閥，它能夠有效保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。同時(shí)契合壓縮機(jī)與室外換風(fēng)機(jī)，應(yīng)用變頻技術(shù)，提高電子膨脹閥在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。

其二，壓縮機(jī)裝置設(shè)計(jì)。合理使用壓縮機(jī)能夠有效提高低溫狀態(tài)下空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果，在室外條件符合工況標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可選擇1 級(jí)的壓縮運(yùn)行模式：當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度過(guò)高，由2 臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行制冷；當(dāng)內(nèi)部環(huán)境溫度過(guò)低，由2 臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行串聯(lián)雙級(jí)壓縮運(yùn)行供熱。實(shí)際施工環(huán)節(jié)中，應(yīng)選擇保溫性能較好的材料，能夠有效降低壓縮機(jī)的熱輻射，增強(qiáng)低溫環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱能力，緩解潤(rùn)滑油粘稠、蒸發(fā)壓力小等不利因素的影響效果。

其三，室外機(jī)結(jié)霜問(wèn)題設(shè)計(jì)?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，室外機(jī)吸熱量不足是造成供熱性能下降的主要原因，因此完善室外機(jī)結(jié)霜問(wèn)題設(shè)計(jì)，對(duì)于提高系統(tǒng)工作強(qiáng)度有著重要意義?？梢詾槭彝鈾C(jī)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速檔，在正常環(huán)境狀態(tài)下使用低速運(yùn)行檔，在低溫環(huán)境條件下使用高速運(yùn)行檔，結(jié)合親水處理技術(shù)，降低凝結(jié)水及風(fēng)阻力的影響，進(jìn)而提高室外機(jī)的空氣流量，增強(qiáng)系統(tǒng)供熱效果。針對(duì)室外機(jī)結(jié)霜問(wèn)題，可以在將融霜電磁閥串聯(lián)到系統(tǒng)高、低壓之間，在融霜環(huán)境下打開系統(tǒng)電磁閥，輸送25%左右的流量到低壓側(cè)進(jìn)行壓制，并建立起能夠推動(dòng)高溫氣體流動(dòng)的系統(tǒng)高壓，快速去霜后持續(xù)完成熱循環(huán)，保證空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱水平[3]。

2.3 冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)

以某別墅施工建設(shè)項(xiàng)目的供冷暖系統(tǒng)為例，該項(xiàng)建筑項(xiàng)目位于陜西省寶雞市太白縣太白大道與湯峪二路交叉口東南角，建筑總面積約為33153.62 m2，一共有26棟商業(yè)綜合樓，據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)?shù)叵募咀罡邷囟葹?7 ℃，冬季最低溫度為零下10℃。項(xiàng)目結(jié)合冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，在夏天進(jìn)行制冷時(shí)，空調(diào)回水經(jīng)過(guò)換熱器把溫度傳給加熱水箱，加熱生活用水的同時(shí)，也降低空調(diào)回水溫度。而在冬天，空氣源熱泵系統(tǒng)提供熱量供給，當(dāng)空調(diào)回到正常水溫時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)冷暖系統(tǒng)。冬季空氣源熱泵提供的熱水溫度剛好滿足地板輻射冷暖系統(tǒng)的進(jìn)水溫度要求，而夏季則適當(dāng)提高進(jìn)水溫度，為聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行提供條件。其工作原理為：室外溫度較高時(shí)，不同的冷暖系統(tǒng)進(jìn)水溫度與機(jī)組COP 值成正相關(guān)，并隨著冷凝器溫度降低，機(jī)組COP 值增大，達(dá)到制冷效果。室外溫度較低時(shí)，若不用空氣源熱泵作為輔助熱源的條件下，冷暖系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，使得機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的溫度維持在1 ℃左右，此時(shí)機(jī)組COP 值較低，借助空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)供熱溫度在21 ℃以上，機(jī)組COP 值在4.1 以上，實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)熱效果。

需要注意的是，由于當(dāng)?shù)乜諝鉂穸容^大，在夏季采用冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行別墅地板供冷作業(yè)時(shí)，可能因?yàn)楣┧疁囟冗^(guò)低出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。在實(shí)際安裝環(huán)節(jié)，要結(jié)合施工環(huán)境的氣候條件，調(diào)整系統(tǒng)工作效率，必要時(shí)可增設(shè)除濕裝置或增強(qiáng)新風(fēng)系統(tǒng)工作效率來(lái)增強(qiáng)供冷量，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

3 結(jié)論

在建筑項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，冷暖系統(tǒng)及空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)較為明顯，構(gòu)建冷暖系統(tǒng)和空氣源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)，能夠發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。將其應(yīng)用于別墅工程中，能夠有效增強(qiáng)室內(nèi)供冷暖性能，滿足別墅用戶對(duì)其功能性、節(jié)能性、舒適性等方面的要求。