空气源热泵供暖工程设计要点分析

1 引言

空气源热泵作为热泵技术的一种系统形式，有着使用成本低、易操作、供暖效果好、安全等多重优势。与水、地源热泵相比，其无需配置复杂的取水、回灌或土壤换热系统和专用机房，保证供暖功效的同时兼顾节能环保[1-2]。在北京市推进农村“煤改清洁能源”，河北省“美丽乡村建设”等过程中，空气源热泵作为清洁能源供暖技术，得到了重点推广应用。除京津冀地区外，山西、辽宁等省市也已将空气源热泵作为替代燃煤供暖的重要技术手段进行试点推广[3]。

国内外对于空气源热泵机组本身的研究主要致力于提升名义工况下空气源热泵性能参数，并已收到显著成效。在实际运行中，尤其在低温高湿环境下运行，机组频繁结霜、误除霜、运行不稳定、能效低等技术问题，影响了空气源热泵供暖系统的实际运行效果，限制了空气源热泵在低温高湿环境下的应用与推广。针对这些技术问题，由中国建筑科学研究院有限公司牵头负责的国家重点研发计划“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”项目已正式立项，对空气源热泵有效抑霜、高效控霜关键技术及低温空气源热泵设备开发等工作开展研究[4]。

除空气源热泵机组本身性能以外，空气源热泵供暖系统的设计对其实际运行效果和节能性有较大影响。近年来，空气源热泵作为供暖系统的热源得到广泛应用，但实测发现，空气源热泵的装机容量普遍偏大。一些严寒和寒冷地区的公共建筑，以及北京农村地区煤改电中的部分农宅空气源热泵供暖工程的空气源热泵机组容量超过建筑实际所需热负荷的30%，部分项目甚至超过了50%。不仅造成工程投资偏大，也降低了运行效率，从而增加了运行成本。

当前我国关于空气源热泵供暖系统已有部分国家标准，但这些标准都立足于标准工况下对空气源热泵机组本身的性能评价，而缺少适用于不同气候条件的设计方法[5]，使得空气源热泵供暖工程实际运行效果参差不齐，制约了空气源热泵供暖技术的工程应用和推广。本文根据我国严寒和寒冷地区的气候特性，从空气源热泵机组的全生命周期成本出发，研究适用我国空气源热泵供暖工程的最经济平衡点温度计算方法，用于确定空气源热泵机组和辅助热源承担热负荷的比例，为空气源热泵供暖工程设计规程编制提供指导和依据，保证系统运行效果的同时提高系统的经济性和节能性，推动其在我国不同地区的应用。

2 经济平衡点温度

热泵负荷等于建筑负荷时的室外温度称为平衡点温度，即机组制热量曲线与建筑热负荷的交点。当室外温度高于平衡点温度时，热泵供热有余，需要对机组进行调节，使机组提供的热量尽可能接近建筑物的热负荷。当室外温度低于平衡点温度时，热泵供热量不足，不足部分由辅助热源提供。平衡点温度过低，则选用的辅助热源较小，甚至可以不加辅助热源。但选取的空气源热泵容量将会过大，长期在部分负荷下运行，运行效率降低。如平衡点温度选的过高，则所需辅助热源过大，亦不利于节能。因此，合理确定平衡点温度对于选择热泵容量的大小及其运行的经济效益和节能效果都有极大的影响。

3 经济平衡点计算方法

平衡点温度指热泵负荷等于建筑负荷时的室外温度，即机组制热量曲线与建筑热负荷的交点。对于预设温度Tb，其对应的全生命期函数LCC 可表示为LCC=f(Tb)。空气源热泵最经济平衡点温度为全生命期函数LCC 最小值所对应的平衡点温度。

4 典型城市计算结果及分析

笔者采用上述最经济平衡点计算方法对严寒与寒冷地区典型城市的最经济平衡点温度进行了计算。严寒地区选取大同、哈尔滨、呼和浩特、沈阳、乌鲁木齐、西宁、长春等七个城市，寒冷地区选取天津、北京、郑州、济南、太原、石家庄等六个城市，计算条件及结果详见表1，与国家标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中各城市规定相比，严寒地区最经济平衡点温度较之供暖室外计算温度高2~9℃，与冬季空调室外计算温度相比高4~13℃；寒冷地区最经济平衡点温度较之供暖室外计算温度高1~2℃，与冬季空调室外计算温度相比高1~4℃。可见若以最经济平衡点温度作为供暖负荷的设计参数，对于冬季供暖用的空气源热泵的选型将不同程度减小设备容量，降低设备投资，提高设备满负荷使用率，从而实现空气源热泵系统的全生命周期费用降到最低。

5 结论

本文归纳了适用于严寒和寒冷地区的最经济平衡点温度计算方法，以合理确定空气源热泵机组和辅助热源承担热负荷的比例，提高供暖期内空气源热泵机组运行效率，降低辅助能源消耗。以上最经济平衡点计算方法已在工程建设协会标准《空气源热泵供暖工程技术规程》[6] 得到应用，可为我国不同地区空气源热泵供暖工程设计提供指导和依据，保证系统运行效果的同时提高系统的经济性和节能性，推动其在我国不同地区的应用

表1 不同气候分区部分城市的平衡点温度

参考文献

[1] 李元哲, 于涛, 陈天侠. 空气源热泵地板供暖系统在北方寒冷地区应用的节能性与适用性[J]. 暖通空调,2012, 42(02): 62-65.

[2] 李素花, 代宝民, 马一太. 空气源热泵的发展及现状分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(01): 42-48.

[3] 白晓夏, 孙育英, 王伟, 刘景东, 吴旭. 北京地区空气源热泵低温工况下运行性能的实测研究[J]. 建筑科学,2017, 33(10): 53-59+164.

[4] JingdongLiu, YuyingSun, WeiWang, JiaheZhu. Performance evaluation of air source heat pump under unnecessary defrosting phenomena for nine typical cities in China[J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 74:385-398.

[5] 王如竹, 张川, 翟晓强. 关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考[J]. 制冷技术, 2014,34(01): 32-41.

[6] T/CECS 564-2018, 空气源热泵供暖工程技术规程[S].

作者简介：何涛 (1974-)，男，硕士，教授级高级工程师

作者

中国建筑科学研究院有限公司国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）李博佳路宾何涛张昕宇

天津大学环境科学与工程学院郑万冬

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