空氣源熱泵直凝系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)供暖適應(yīng)性的研究

錢 浩

沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院（110168）

我國夏熱冬冷地區(qū)處于我國寒冷地區(qū)和炎熱地區(qū)之間的“中間區(qū)域”，人口約為5.5億，面積180萬m2左右。該地區(qū)建筑供暖能耗近年來不斷增長，住宅類建筑能耗從1996年至2007年已增長超過5倍。根據(jù)我國能耗和碳排放的相關(guān)政策，該地區(qū)供暖能耗控制勢(shì)在必行[1]。近年來，夏熱冬冷地區(qū)的供暖成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。夏熱冬冷地區(qū)在長江中下游及其周圍地區(qū)，氣候特點(diǎn)是夏季酷暑，冬季嚴(yán)寒，晝夜低溫，年降雨量大，日照值低。這地區(qū)特別是北部和南部，由于地理分布廣泛，天氣條件的差異也較大。夏熱冬冷地區(qū)不屬于集中供熱地區(qū)，近年來，人們使用了很多自己的取暖方式，但這些都不能滿足人們的需求。這部分地區(qū)的家庭如果不能負(fù)擔(dān)得起能源，也不能有效地利用能源，將極大地增加能源消耗[2]。在我國北方寒冷地區(qū)，冬季供暖已經(jīng)形成了集中式供暖和分散式供暖的多種技術(shù)路線。而南方夏熱冬冷地區(qū)的能源種類、氣候特點(diǎn)、地形地貌、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及居民生活習(xí)慣等與北方寒冷地區(qū)截然不同，完全照抄照搬北方寒冷地區(qū)冬季供暖的技術(shù)路線是不可行的。因此選擇更適合夏熱冬冷地區(qū)的供暖系統(tǒng)顯得尤為重要，南方夏熱冬冷地區(qū)在冬季供暖須充分考慮環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排，綜合考慮南方地區(qū)各種因素，探索解決南方夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖問題的綜合技術(shù)路線[3]。

1 夏熱冬冷地區(qū)供暖現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)，空調(diào)在家庭中的普及率逐年上升，熱泵空調(diào)在夏熱冬冷地區(qū)占有相當(dāng)大的比例，成為最重要的家用電器之一。目前國內(nèi)夏熱冬冷地區(qū)家庭供暖主要采用家用空氣源熱泵空調(diào)器、戶式空調(diào)機(jī)、地面輻射供暖、區(qū)域供熱及電熱器[4]。

夏熱冬冷地區(qū)分布地域?qū)拸V，冬季供暖是必要的，但是將整個(gè)區(qū)域捆綁在一起進(jìn)行集中供暖并不合理，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驙顩r、生活習(xí)慣，采用適合的供暖方式。從區(qū)域能源特點(diǎn)及能耗狀況的角度分析，集中供暖并不是夏熱冬冷地區(qū)冬季供暖的最佳選擇，應(yīng)采用將當(dāng)?shù)刭Y源如太陽能、地?zé)岬惹鍧嵞茉醇吧顝U熱余熱等與熱泵技術(shù)相結(jié)合的供熱模式[5]。

2 空氣源熱泵直凝供暖系統(tǒng)

我國由于受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的制約，在人體熱舒適和建筑室內(nèi)熱環(huán)境的研究起步較晚。我國橫跨五個(gè)氣候區(qū),具有典型的“夏熱冬冷區(qū)”和“嚴(yán)寒地區(qū)”,給熱舒適研究提供了優(yōu)越的氣象條件。但是與國外相比,我國在這方面的研究工作缺乏系統(tǒng)性,到目前為止還沒有針對(duì)我國的成熟的熱舒適標(biāo)準(zhǔn),在過去相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，研究工作的重點(diǎn)都集中在溫度這個(gè)單一的熱環(huán)境因素上，而沒有注意到人體熱舒適其實(shí)是多個(gè)熱環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果[6]。隨著國內(nèi)對(duì)人體熱舒適和建筑室內(nèi)熱環(huán)境研究的不斷深入，人們?cè)谶@方面的理解和認(rèn)識(shí)也在逐步深化,出現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的專家學(xué)者，同時(shí)也發(fā)表了一系列高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文，所有這些都為接下來的研究工作指明了方向。

吳錦京從舒適性方面入手，對(duì)空氣源熱泵直接地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了分時(shí)段間歇供暖的試驗(yàn)研究，引入操作溫度來分析室內(nèi)熱舒適性，同時(shí)對(duì)連續(xù)性和間歇性供暖模式下的能耗進(jìn)行了對(duì)比分析[7]。王恩丞等人對(duì)空氣源熱泵聯(lián)合低溫?zé)崴匕骞┡到y(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，分析了技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的可行性[8];胡軍等人對(duì)低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究,證明間歇供暖運(yùn)行模式既能達(dá)到供暖要求又能節(jié)電[9]。為進(jìn)一步探究空氣源熱泵直凝系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的適用性，文章探討了直凝式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)的特點(diǎn)與形式。

2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

直凝式空氣源熱泵采暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的低溫?zé)崴嘏到y(tǒng)相比，主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:制冷劑直接進(jìn)入地暖盤管內(nèi)進(jìn)行冷凝相變傳熱，其熱量傳遞能力為水的10倍、單位質(zhì)量熱媒傳熱效率更高[10]；地板采暖屬于輻射供暖，因此其屬于最舒適的一種供暖方式，可以均勻地表的溫度，給人一種腳溫頭涼的舒適感覺。除此之外，還不會(huì)造成空氣的污濁，保證室內(nèi)空氣的潔凈。其最大的功能就是可以促進(jìn)人體血液的循環(huán)、促進(jìn)人體新陳代謝。

無需二次換熱，減少了能量傳遞環(huán)節(jié)和傳熱濕差浪費(fèi)，提高能源效率；無需循環(huán)水、風(fēng)管等輸送系統(tǒng)，也不需要增加其他的換熱設(shè)備，減少了設(shè)備一次投資的運(yùn)行能耗；穩(wěn)定性高，地板輻射是依靠地板結(jié)構(gòu)層傳遞熱量的，由于結(jié)構(gòu)層具有儲(chǔ)熱作用，使得地表散熱量更加均勻。地板輻射供熱介質(zhì)可以利用空氣能、太陽能、地?zé)崮苣酥翉U熱等多種形式的熱源；地板福射采暖直接制冷劑作為熱媒，盤管內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)水垢等問題；如果關(guān)閉了地板采暖設(shè)備，也不必?fù)?dān)心室內(nèi)變涼，因?yàn)槠涞臒嵝?yīng)很穩(wěn)定，溫度變化也會(huì)非常的緩慢。因此，在夜晚睡眠的時(shí)候，可以將地板采暖設(shè)備關(guān)閉，這樣還能夠節(jié)約電能。

2.2 系統(tǒng)形式

基于直凝式空氣源地板輻射采暖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，接下來具體介紹一下系統(tǒng)原理、形式和適用性?？諝庠礋岜弥蹦┡到y(tǒng)原理是逆卡諾循環(huán)，低溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹機(jī)構(gòu)節(jié)流處理后變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊簯B(tài)制冷劑，進(jìn)入空氣交換機(jī)中蒸發(fā)吸熱，從空氣中吸收大量的熱量；蒸發(fā)吸熱后的制冷劑以氣態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑。此時(shí)制冷劑中所蘊(yùn)藏的熱量分為兩部分:一部分是從空氣中吸收的熱量，一部分是輸入壓縮機(jī)中的電能在壓縮制冷劑時(shí)轉(zhuǎn)化成的熱量；放熱后的制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入膨脹機(jī)構(gòu)，節(jié)流降壓，如此不間斷進(jìn)行循環(huán)。在此供熱過程中，熱量先傳遞給地面，再以地面為散熱面對(duì)屋內(nèi)進(jìn)行輻射散熱，并利用地板自身結(jié)構(gòu)的層次，使地表溫度升高，熱量由下至上進(jìn)行傳遞，達(dá)到供暖的目的。這樣的熱量傳遞過程使得室內(nèi)溫度隨高度的增加而降低，使人體的熱舒適感更高。

該系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是空氣源熱泵室外機(jī)組和室內(nèi)的地盤管（如圖1所示）。室外機(jī)組主要包括壓縮機(jī)，蒸發(fā)器和節(jié)流裝置，傳統(tǒng)裝置中的冷凝器由室內(nèi)地盤管代替[11]。

圖1 直凝式泵空氣源地板輻射采暖系統(tǒng)

3 結(jié)語

南方地區(qū)的供暖近年來引起大家普遍關(guān)注，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)的供暖問題，提出了一種新型的供暖系統(tǒng)空氣源熱泵直凝的供暖系統(tǒng)，我國不少學(xué)者已對(duì)其供暖效果、運(yùn)行方式進(jìn)行了分析，文章淺析了空氣源熱泵直凝供暖系統(tǒng)的原理及冷凝特性，作為一種新型的供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前為止還未有相關(guān)規(guī)范出臺(tái)，仍然存在一些問題，如缺乏相關(guān)的施工規(guī)范，系統(tǒng)優(yōu)化和控制策略有待完善。