胡繁昌，李德英，張 帥，楊 茜
北京建筑大學
摘 要
對北京地區某農宅安裝空氣源熱泵采暖系統來進行測試。根據測試后的結果，發現了空氣源熱泵所存在的一些問題。本文先從理論分析該系統的運行原理，然后分別探討了系統能耗較高、系統COP 較低、系統噪音以及系統結霜問題，并且對這些問題提出了相應的改進措施。
關鍵詞
供暖；空氣源熱泵；測試；改進
0 引 言
隨著我國人民居住條件的改善，對生活熱水的需求量迅速上升。環境保護意識的增強，促進了空氣源熱泵熱水器的發展。這種以生產55℃ 生活熱水為目的的產品，在我國廣東、浙江一帶發展很快，并且有逐漸向北方發展的趨勢。隨著南方冬季采暖問題的提出，有的廠家開始研究和生產在冬季用于房間采暖的空氣源熱泵熱水系統。而這一趨勢，也在影響著華北寒冷地區的冬季采暖[1]。
近幾年來， 我國多地遭遇嚴重霧霾天氣，PM2.5 持續“爆表”，北京地區尤為嚴重。霧霾中的可吸入顆粒物進入人體呼吸道后，可能引發人體呼吸道和心血管疾病，嚴重者甚至會導致死亡。而空氣源熱泵是一種高效的清潔能源，以電能驅動，可將低品位能源轉換為高品位能源，具有高效節能、綠色環保、安全可靠等優點。北京農村“煤改電”的工作中，空氣源熱泵作為一種清潔能源被大力推廣。
空氣源熱泵是眾多熱泵技術中的一種，它以電能為驅動，夏季以室外空氣作為冷源，將冷量由系統輸送至室內；冬季以室外空氣為熱源，將熱量由系統輸送至室內。
北京在我國屬于典型的冬冷夏熱型天氣，空氣源熱泵在北京應用時夏天是比較可行的，但是由于其受天氣的影響冬天在北京使用時節能效果不明顯、能耗不是很低，加熱效果不是很好，同時機組在溫度過低的情況下十分易壞，易結霜。雖然空氣源熱泵存在以上缺陷，但是其性能優點也是相當明顯的，比如其節能環保，尤其是其節水性能特別適合北京，其結構系統簡單，易安裝維護，無需機房，除投資少的特點，比較適合小型工程或者改造工程。正是鑒于此，應該對空氣源熱泵開展研究，進一步研究完善空氣源熱泵系統，解決相關問題，使之在適應北京的氣候條件下，使機組的效率不斷提高，更好地滿足北京地區冬夏季空調運行的需求，給北京的節能環保真正的帶來實惠[2]。
1 研究對象
1.1 研究對象參數
該測試農宅位于北京海淀郊區，其室外設計溫度為-9℃，室內設計溫度為18℃，農宅的建筑平面圖如圖1 所示，此次的模擬對象以該農宅的客廳為主，客廳的整體尺寸是6m×4.5m×3m，北墻與室外相連，西墻東墻與采暖房間相連。圍護結構為普通混凝土，墻面內粉刷，東西兩側為臥室，墻體厚度約370mm，外墻貼有約50mm 的保溫板，門窗皆采用鋁合金材料，建筑整體保溫性能良好，并且在建筑頂部裝有玻璃頂棚，用空氣源熱泵作為熱源。
圖1 農宅建筑平面圖
1.2 空氣源熱泵的理論分析
空氣源熱泵熱水器（機組）是運用逆卡諾循環原理，通過熱泵做功使熱媒（冷媒）產生物理相變（液態—氣態—液態）利用往復循環相變過程中不間斷吸熱與放熱的特性，由吸熱裝置（蒸發器）吸取低溫熱源空氣中的熱量，通過專用熱水交換器（冷凝器）向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。制熱過程中的電熱能量轉換效率最高可達450% 以上。熱泵只需要消耗一小部分的電能滿足空氣壓縮機和風機等設備做功，就可將處于低溫環境空氣中的熱量轉移到高溫環境下的熱水。空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流裝置、過濾器、儲液罐、單向閥、電磁閥、冷凝壓力調節水閥、儲水箱等幾部分組成[3]。
冬季供暖時，工質經過蒸發器，從室外空氣中吸收熱量，工質蒸發后經過壓縮機壓縮，變成高溫高壓氣體，在冷凝器中向熱水放出熱量，經節流閥節流后再次進行循環。制取的熱水進入室內散熱器系統進行循環，不斷向室內釋放熱量，從而對建筑物取暖。其工作原理圖見圖2。
圖2 空氣源熱泵供暖原理圖
1.3 設備選擇
該測試農宅中采用熱源是的是清華同方人工環境有限公司研發制造的分體式強熱型空氣源熱泵機組，型號為HSYR–DG–15C(D)E，機組的名義制熱量為14.2kW，機組內置１臺循環水泵，額定流量為2m3/h，額定揚程為12m，水泵額定功率為400W。室內采暖的熱媒仍然為熱水，由于低溫空氣源熱泵能提供的熱水不超過50℃，屬于低溫熱水。
為了研究測試期內空氣源熱泵—散熱器供暖系統供熱性能及其對室內環境的影響，分別采用熱量表、電量測量儀和溫度傳感器對系統的供熱量、機組耗電量及室內外溫度進行測量。所選擇熱量表型號為JYRL–25，精度2 級，每隔1h 記錄一次數據，可自動測量水流量、供回水溫度、瞬時熱量及總熱量。耗電量采用W400 型智能電量測量儀測量，精度±0.4%，每隔1h記錄一次數據[4]。
2 測試系統問題及探討
2.1 系統能耗較高
測試期間室外氣溫波動較大，最低氣溫為-5℃左右，最高氣溫為10℃ 左右，整個測試期間平均氣溫為1℃ 左右。根據測試數據計算可得耗熱量指標為24.16W/m2。查閱北京市三步節能標準知，第一步節能的采暖設計熱指標為25.3W/m2，第二步節能的采暖設計熱指標為20.6W/m2。因此可知本次測試中已經達到第一步的節能標準，但是離第二步的節能標準還有一定距離。
雖然本次測試中已經對該農宅做過節能保溫等措施，但是建筑耗熱量指標仍然較大。分析其原因，是因為只是給建筑物外墻做了保溫措施，而屋頂和門窗并沒有進行改造，并且有部分圍護結構為老式磚墻，保溫性能差。庭院頂部的玻璃雖然具有一定溫室效應的效果，但是由于采用的是單層玻璃，傳熱系數仍然較大。該建筑物靠近山區附近，所處地區在冬季時多風，冷風滲透和冷風侵入耗熱量大。
因此，為了減少建筑物的耗熱量指標，降低建筑物的能耗，必須采取有效的節能措施。除了對墻體做保溫措施以外，對屋頂及門窗等圍護結構也要進行保溫措施，把單層玻璃改為雙層保溫玻璃，減少散熱量。并且應該減少門窗開啟的時間。
2.2 系統COP 較低
經過測試后分析可知，整個系統的平均COP 在2 左右。探其原因，是由于水泵的選型不合理，輸配能耗過大，使得系統的COP 降低，從而增加了能耗。
空氣源熱泵熱水機組選型不當是最容易出現的問題，當所選熱泵機組總制熱能力過小時，就會造成小馬拉大車現象，既容易因機組負荷過重造成機組故障又不能滿足使用要求；當所選熱泵機組總制熱能力過大時，又會造成投資浪費[5]。解決這個問題的辦法就是根據用戶的特點合理選型。在滿足不超壓的前提下，保證每個房間的供水量。其次要為水泵做好變頻，可以讓用戶自己調節，從而達到節能的目的。另外，盡量采取措施來增大供回水溫度差，實現系統大溫差、小流量的運行方式。
2.3 系統噪音
根據本次所測試農宅主人反映，該系統在運行的過程中，存在一定的噪音問題。尤其在晚上的時候，影響人們休息。
空氣源熱泵供暖系統在運行過程中產生的噪音，既有設備自身的原因，也有安裝工藝的原因。對于設備本身來說，噪音可能從空氣源熱泵的主機上發出或者管路系統的震動而發出。檢查此次測試對象供熱系統后發現主要是室內水體的流動聲，也就是水流在循環過程中產生的噪音。這種情況通常是由于管道內出現了氣體，導致水在管內不能暢流引起；對于安裝工藝方面來說，安裝方法的不正確以及安裝位置不合適也會產生噪聲。在安裝空氣源熱泵供暖系統的過程中，機器如果安裝得不牢固，機器的穩定性不足，就會產生噪音。另外，如果機器的底部沒有放置減震墊，或者減震墊的材質、厚度、牢固度和放置位置不能起到減震效果，也會產生噪音。
本次測試系統中，通過排出管道內的氣體以及清除管道內的雜質，同時在管道系統中增加減震材料，使得建筑內的系統噪音明顯減小，降低了對住戶工作、休息的影響。
2.4 系統結霜問題
結霜是空氣源熱泵在供暖季運行過程中不可避免的關鍵問題。當室外換熱器表面溫度低于環境空氣的露點及冰點溫度時，空氣源熱泵機組就會結霜，并逐漸封堵氣流通道，降低空氣流量，增大換熱熱阻，導致制冷劑蒸發不充分、制冷劑流量降低、吸氣壓力降低、排氣溫度升高、制熱量衰減等一系列問題，甚至會引起壓縮機低壓報警停機及損壞事故，影響空氣源熱泵的運行[6]。目前，國內很多學者對于空氣源熱泵的結霜控制措施及除霜技術做了許多的研究工作。
對于空氣源熱泵在寒冷地區工作不穩定的情況，大多可以采用輔助熱源鍋爐等，在空氣源熱泵無法正常工作時替代其向室內供暖，也可以作為空氣熱源使用的低溫熱源，化霜設備等。但此種方法不夠經濟合理，同時也存在一定的一次能源的使用，對環境造成了壓力，加大了經濟支出。
3 結 論
本文結合北京市某農宅采暖現狀，提出空氣源熱泵代替燃煤鍋爐的供暖方式，建立某農宅的建筑模型，通過理論分析和實際測試兩個方面來探討空氣源熱泵供暖技術存在的問題：
（1）系統能耗較高。對屋頂及門窗等圍護結構要進行保溫措施，把單層玻璃改為雙層保溫玻璃等其他措施，來減少散熱量，降低系統的能耗。
（2）系統的COP較低。對此需要合理的選型相應的機組，另外，通過改進來實現系統大溫差、小流量的運行方式。
（3）系統噪音。可通過排出管道內的氣體以及清除管道內的雜質，同時在管道系統中增加減震材料來使得噪音的影響減弱。
（4）系統結霜。當空氣源熱泵在寒冷地區工作時，會出現不穩定、結霜等問題，大多可以采用輔助熱源鍋爐等，在空氣源熱泵無法正常工作時代替其向室內供暖。
參考文獻
[1] 李素花, 代寶民, 馬一太. 空氣源熱泵的發展及現狀分析[J].制冷技術,2014,(01):42–48.
[2] 王建民. 基于北京地區的空氣源熱泵能耗分析及節能改造[D]. 天津：天津大學,2012
[3] 耿浩, 慈鵬. 空氣源熱泵熱水機組工作原理及特點[J]. 科技傳播,2011,(09):72+157.
[4] 張帥, 胡文舉, 李德英, 楊茜, 王夢圓. 空氣源熱泵-散熱器供暖系統用于北京地區某農村住宅的實測分析[J]. 暖通空調,2015,(08):80–83+79.
[5] 賀海建. 淺析空氣源熱泵熱水機組應用常見問題及對策[J]. 鐵路節能環保與安全衛生,2011,(02):72–76.
[6] 王偉, 劉景東, 孫育英, 吳旭, 白曉夏, 朱佳鶴.空氣源熱泵在北京地區全工況運行的關鍵問題及應對策略[J]. 暖通空調,2017,(01):20–27.
