趙曉雷 田思瑤 單永明

摘? 要：為解決原北方供暖方式耗能大、二氧化碳排放量大的問題，以大連市某供暖面積為13000m2的鑄造車間為例，介紹了一套可應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)的綠色分體式螺桿空氣源熱泵機(jī)組，著重闡明了該空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下仍具有水系統(tǒng)防凍、減少熱能損失、噪音低、組裝安裝靈活的特點(diǎn)，將機(jī)組與北方常用的四種供暖方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，結(jié)果表明：其具有節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用較少的優(yōu)勢(shì)。該機(jī)組設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供參考，有利于清潔的空氣源熱泵在北方深入推廣。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;分體式;鑄造車間;供暖空調(diào);北方地區(qū)

引言

近年來，伴隨國(guó)家十三五實(shí)施“煤改電”政策、提出碳達(dá)峰碳中和“雙碳”目標(biāo)等措施積極推進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排工作，我國(guó)居民對(duì)環(huán)境要求的逐漸提高和環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)。北方在冬季時(shí)具有集中供暖的優(yōu)勢(shì)，但是這種供暖方式常采用燃燒化石能源產(chǎn)熱，存在污染嚴(yán)重、碳排放量極高和產(chǎn)熱效率低等問題[1]，因此急需被取代[2]。

空氣源熱泵就是十分具有可行性的替代方法之一?？諝庠礋岜美蒙倭侩娔?，將空氣中的熱能通過壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮躘3]?？諝庾鳛闊嵩?，具有無用量限制，且熱量補(bǔ)充迅速的優(yōu)點(diǎn)[4]。與燃燒煤炭相比，空氣源熱泵的碳排放量低，具有高效節(jié)能、應(yīng)用靈活等顯著優(yōu)勢(shì)[5-6]，但是空氣源熱泵的制熱量受環(huán)境影響較大[7]。北方冬季環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)組存在制熱量減小、壓縮機(jī)排氣溫度較高、潤(rùn)滑油粘度增大以及電機(jī)過熱等問題[8-9]。本文結(jié)合本公司鑄造車間新增熱泵供暖系統(tǒng)的運(yùn)行情況，介紹了一套可用于北方寒冷地區(qū)的空氣源熱泵機(jī)組，為暖通工程師研究和應(yīng)用空氣源熱泵提供參考。

1 項(xiàng)目概況

公司鑄造車間位于遼寧省大連市，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016表4.1.2及附錄A.0.1[10]，大連市屬寒冷A區(qū)，供暖室外計(jì)算溫度-9.0℃，空調(diào)室外計(jì)算溫度-16.3℃。

查詢歷史天氣，可得出近五年來大連市的冬季最低氣溫及天數(shù)如圖1所示，其中2016年冬季氣溫最低，為-17℃。

2 系統(tǒng)介紹

針對(duì)大連地區(qū)該鑄造車間，對(duì)分體式空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行選型計(jì)算分析。供熱面積共計(jì)13000m2，單臺(tái)室內(nèi)機(jī)制熱輸入功率190kW，COP2.92，名義制熱量570kW，單臺(tái)室外機(jī)冷凝器的風(fēng)量為26000m3/h。經(jīng)過熱負(fù)荷計(jì)算后，得出選用兩臺(tái)室內(nèi)機(jī)和四臺(tái)室外機(jī)組合的設(shè)計(jì)方案。機(jī)組的制熱量共計(jì)1140kW，風(fēng)量104000m3/h。室內(nèi)機(jī)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、四通閥等部件組成，室外機(jī)主要由冷凝器和膨脹閥組成。機(jī)組的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。制熱運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫高壓制冷劑氣體，經(jīng)四通閥排放至水側(cè)換熱器，與循環(huán)水進(jìn)行熱交換，將熱量排放到水中，循環(huán)水達(dá)到需求溫度與室內(nèi)空氣進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)制熱目的。而高溫高壓的液態(tài)冷媒，在通關(guān)過電子膨脹閥節(jié)流形成低溫低壓的氣液混合物，與空氣進(jìn)行熱交換，吸收空氣中的熱量，回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)。

3 分體式熱泵的應(yīng)用特點(diǎn)

由于普通熱泵在環(huán)境溫度為-10℃及以下的工況下，存在制熱量下降、冷凝器易結(jié)霜的問題[11]。本機(jī)組制熱運(yùn)行環(huán)境溫度最低可達(dá)到-35℃，可在嚴(yán)寒地區(qū)使用，有利于空氣源熱泵的應(yīng)用與推廣。

3.1水系統(tǒng)防凍

冬季若將與蒸發(fā)器換熱的水箱放置于室外，若機(jī)組發(fā)生意外斷電，水循環(huán)水管內(nèi)的水將迅速凝結(jié)成冰，堵塞管路。該項(xiàng)目將水箱放置于室內(nèi)，熱泵機(jī)組和水箱之間的連接管路均處于室內(nèi)，大連冬季平均室外氣溫約為-10～-5℃，將水路布置與室內(nèi)，對(duì)預(yù)防水系統(tǒng)防凍事故具有顯著效果。

3.2 散熱少

大連冬季室外平均溫度較低，機(jī)組運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)和油分處溫度約為70～80℃。將機(jī)組中壓縮機(jī)、油分及其他高溫部件放在室內(nèi)，可顯著減小容器內(nèi)與環(huán)境的溫差，減小零部件消耗和浪費(fèi)大量熱能，提高換熱效率。

3.3 噪音低

空氣源熱泵的噪音主要來自于壓縮機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械噪音和由壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起的鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的噪音，以及冷凝器的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)力噪音采用分體式設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)放在室內(nèi)機(jī)房，相當(dāng)于在噪音源的四周加建一個(gè)隔音間，可有效降低噪音值。

3.4 安裝組裝靈活

該系統(tǒng)將室外機(jī)放置于廠房外空曠處。若機(jī)房外空間比較緊湊或無空曠平地，也可將室外機(jī)組放在房頂或其他任意就近空曠處，與體積較大的一體機(jī)相比，分體式機(jī)組具有體積較小、安裝靈活的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用 2個(gè)室內(nèi)機(jī)和4個(gè)室外機(jī)的組合方案，而本室內(nèi)機(jī)最多可實(shí)現(xiàn)16個(gè)機(jī)組組合的方案?？筛鶕?jù)供暖需求自由組合室外室內(nèi)機(jī)組，機(jī)組應(yīng)用范圍廣，組裝方便。

3.5 經(jīng)濟(jì)性

空氣源熱泵利用少量的電能，從空氣中獲得熱能實(shí)現(xiàn)供熱目的，是目前較為高效、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)選供暖方式。按照大連市供暖期125天，每日供暖12小時(shí)，電價(jià)按照2022年峰谷平電價(jià)計(jì)算，常用的四種供暖方式與空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)保性能的對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。從表1中可以得出：以該鑄造廠為供熱對(duì)象，空氣源熱泵每年比電加熱供暖方式節(jié)約78.8%，比燃油鍋爐節(jié)約74.2%，比燃?xì)忮仩t節(jié)約61.6%，比燃煤鍋爐節(jié)約39.5%。采用空氣源熱泵供暖年能源費(fèi)用明顯遠(yuǎn)低于電加熱、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t。雖然與燃煤鍋爐的費(fèi)用相差較小，但是燃煤鍋爐供暖方式污染嚴(yán)重、早已被列為淘汰之列。因此空氣源熱泵也具有優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性，是清潔環(huán)保供暖方式的首選方案之一。

4 結(jié)語

本文以大連市某鑄造車間供暖項(xiàng)目為例，介紹了一種分體式螺桿空氣源熱泵機(jī)組，分析了將水箱及高溫部件放置于室內(nèi)后，可有效避免安全隱患，顯著減小由于北方冬季室外低環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組換熱的影響，擴(kuò)大機(jī)組的應(yīng)用范圍，為設(shè)計(jì)人員提供參考意義。通過對(duì)比五種供暖方式的運(yùn)行費(fèi)用，得出結(jié)論：空氣源熱泵具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保節(jié)能性。為其在北方的進(jìn)一步應(yīng)用提供有利的理論支持。

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作者簡(jiǎn)介：

趙曉雷（1984.4--），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，中級(jí)工程師，主要從事冷熱系統(tǒng)技術(shù)研究與應(yīng)用方面工作。