空气源热泵:用在寒冷地区节能吗

转载来源:中国建设报 2011-12-08 记者 陈进周



记    者:有人称,空气源热泵适用于以长江流域为主的冬冷夏热地区,而在北方寒冷地区则不适用。因为空气源热泵受室外气温的影响较大,尤其是在低温环境下,其压缩机性能将会受到很大影响,使用起来就不节能。这种说法正确吗?

李教授:事实上,实践已证明,空气源热泵在北方寒冷地区是可以使用的。关键是要选对机组、配置合理的末端系统,再加以正确的使用方法,空气源热泵的运行情况将非常良好。

记     者:以何种末端系统与空气源热泵配套比较适宜?

李教授:应采用何种末端系统,首先要看其舒适度如何。在现有的采暖方式中,地面低温热水辐射采暖(简称“水地暖”)系统是舒适度比较理想的一种。

人体的热舒适度与室内空气温度、包围人体的围护结构内表面的平均温度成正比。当采用水地暖系统供暖时,包围人体的围护结构内表面的平均温度会提高,相应地,人体热舒适度也会提高。实验证明,在人体热舒适范围内,人体热舒适度的等效温度可以比室内空气温度低2℃~3℃并维持人体的热平衡,加之以水地暖系统供暖时,热量自下而上传递,符合人体生理需求,因而这种供暖方式近年来在我国推广较快。它与空气源热泵相配套也最相宜。
 
记     者:水地暖末端系统与空气源热泵组合系统的舒适性有多高?
 
李教授:
在设计整个采暖系统时,首先要确保系统在不同室温和不同供暖负荷下,能使室内空气由下向上形成对流,以供给房间足够的散热量,保持室内舒适。

计算水地暖末端系统与空气源热泵组合系统的舒适性,首先需要测量地板上表面温度和非加热表面的平均温度,以便计算地板表面向上的对流量和辐射散热量。

以1996年建设部颁布的《民用建筑节能设计标准》中给出的民用多层住宅中地暖系统的运行参数为参照标准,针对以空气源热泵为热源设备、具有不同地板结构的水地暖系统,我们进行过详细的有关人体舒适度的计算。

通过计算可知,当室内空气温度为18℃时,人体热舒适度等效温度为17.76℃;当外温为-9℃时,室内人体热舒适度等效温度为17.47℃,皆满足舒适性要求。地板表面的平均温度最高为25.22℃,符合有关标准中地表温度小于26℃~28℃的要求。

总体来说,采用水地暖系统采暖期间,地板表面所需达到的温度都不高。需要说明的是,由于房屋的热惰性及地板的蓄热性比较大,以某阶段平均室外温度为准来讨论热泵的运行工况也具有参考价值。

记    者:空气源热泵的供水温度应该设多高才能使室内保持良好的舒适性?

李教授:水地暖系统以水盘管为放热部件,其供水温度与地板表面温度,水至地板表面的热阻及盘管向下的热阻有关,一般取向下的传热为水盘管散热量的10%~15%设置其下部的热阻,而向上的热阻又与水盘管内的流量、直径、材料、壁厚、间距、覆盖层厚度及装饰面层的物性有关。

为计算水地暖系统所需供水温度,我们也针对三种具有不同的典型地板条件的地暖系统进行了详细计算。

这三种地板条件为:陶瓷面砖厚8mm、豆石混凝土填充层厚5cm,d20/16(外直径/内直径,单位毫米)PEX水盘管、间距200mm,称Ⅰ型(当无面砖时为Ⅱ型),装配式薄型地板,d10/8的PE-RT管,间距5cm,填充水泥砂浆厚15mm,上铺15mm实木地板,称Ⅲ型。根据相应的公式计算可知,由水至地面的温差最大是Ⅰ型,即有陶瓷砖的地暖系统。其次是Ⅲ型,即无表层的厚型地暖系统,而Ⅱ型最小。在采暖设计温度下,Ⅰ型地暖系统的供回水平均温度不过32℃。如果供回水温差为5℃,则供水温度不超过35℃。所以,使用空气源热泵为热源的水地暖系统时,供水温度可设置在30℃~35℃之间。而水量则以供回水温差小于5℃为宜,以使地表面温度均匀。

记    者:空气源热泵在北京等寒冷地区的实际使用效果究竟如何呢?

李教授:空气源热泵在北京等寒冷地区的运行情况非常好,这从它与中央空调的对比中就可以看出。空气源热泵与中央空调的工作原理一样,但是中央空调(这里指以风机盘管为末端装置的中央空调)是以外温5℃~7℃,供水温度42℃~45℃为标准工况。一些中央空调产品还要求其工作外温最低为-5℃。因为如果外温再低,压缩机的工作压差就会超过标准值(14kg/c㎡)。而空气源热泵不同,当北京地区最冷月平均温度为-4.6℃,采暖负荷为54w/㎡时,在符合相关标准的节能建筑中,若采用空气源热泵为热源的水地暖系统,其平均供水温度只要33℃~34℃就可以保证室内的舒适度。

更多的人可能比较关心在北京地区平均气温最冷的阶段(平均气温-15℃),空气源热泵的运行情况怎样的问题。其实,由中国家电所在2002年给出的测试结果已经证明,空气源热泵在此环境下的运行情况良好。

记    者:空气源热泵在北京等寒冷地区使用时,它的能效比有多大?

李教授:2005年颁布的《公共建筑节能设计标准》(DBJ 01-621-2005)提出,冬季温度达到空调设计最低温度(北京地区为-9.8℃),若热泵的能效比低于1.8时,则不宜采用。然而,在北京地区,空气源热泵整个采暖季的能效比都远远高于这个最低能效值。这已经在2002年被国家权威机构检测证实。

2002年,该机构对北京市天鸿集团建设的曙光花园甲区11号405室住宅进行了采样测试。该住宅建筑面积为88㎡,西南向中间层,外墙200mm混凝土内5cm聚苯板保温板、单框双安外窗,地暖系统采用PB管、间距200mm、采暖设计负荷3101W。实铺水地暖系统面积约为60㎡,在西向窗下安装2.5HP空气源热泵热水机组为热源。

测试从1月23日开始,至2月6日结束,测试期间室外温度稳定。从所得数据分析机组的运行工况:该15天日平均室外气温为3℃左右,室温为20℃左右。采暖负荷约为27W/㎡~28W/㎡,每平方米地板向上散热量为40W左右,总耗电量为260.5KWh,供热量总计6615KWh,折合计算,每平方米一个采暖季耗电29.4KWh。其间,热泵供暖系统的能效比为2.53,供水温度最高33℃。如果仅计空气源热泵,则其COP(能量与热量之间的转换比率,简称能效比)在2.6~2.7之间。

这次测试相当准确地证明了有关机构2007年给出的结论,即上铺有陶瓷砖的水地暖系统与空气源热泵组合系统,其全冬季能效比大于2.2,可节电60%。