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风冷热泵采暖在我国北方地区的应用
风冷热泵采暖在我国北方地区的应用
摘要:
由于环保要求的提高,我国北方越来越多的城市限
制燃煤采暖 ,随之而来何种清洁节能的采暖系统可替代燃煤
采暖成为关系到国计民生的紧要课题。
本文通过对三种风冷
热泵机组低温(-6~-16℃)性能的测试,发现采用地板采暖
时,由于地板所需水温较低,C.O.P 可以在 3.0 以上,比风机
盘管供暖节省 30-35%。
选择低温性能优异的风冷热泵机组,
并适当考虑功率大一些,在我国大部分北方地区,均可以满
足采暖要求,达到明显节能、环保的效果。
风冷热泵结合地
板采暖将是替代燃煤采暖的最经济的清洁采暖系统。
关键词:
风冷热泵地板采暖 COP 一、我国北方地区面临的采暖问题
环境保护与节约能源正挑战我国的供暖热源。
各种传统
采暖方式都存在不同的缺陷:
1、燃煤锅炉采暖污染严重,必须改变。
2、集中供热收费制度正在改革,但即使解决了分户计量
问题,也还存在着系统网络如何避免水力与热力的失调问题,
1
除非彻底解决自动化,否则,很难实现用户自主调节使用,并
缴纳相应的费用。
3、使用燃气炉采暖,一是用户支出费用高,二是仍存在
污染问题。
据北京市节能办公室对用这种热源分户采暖的住
宅小区进行测试,证明氮氧化物明显超标,甚至还存在安全
隐患。
4、直接用电取暖(如:
电暖气、电热膜、电锅炉等),
由于燃料的利用率太低,运行费用很高,所以,在国标中明
确规定一般情况不允许采用[1]。
表一:
几种常用能源冬季采
暖费用比较方式燃料价格热转化效率燃料热值产生 1KWH 热所
需费用北京地区运行费用特点燃煤集中供热280 元 / 吨
55%5000wh/kg0.102 元/KWH13.4 元/m2 污染严重、费用低燃气
1.7 元/m375%10500wh/m30.216 元/KWH28.5 元/m2 轻微污染、
费用较高燃油 3000 元/吨 85%10500wh/kg0.336 元/KWH44.3
元 /m2 轻 微 污 染 、 费 用 高 电 暖 气 、 电 热 膜 0.4 元 / 度
100%1000wh/度 0.4 元/KWH52.8 元/m2 无污染、费用最高热泵
0.4 元/度 300%1000wh/度 0.133 元/KWH17.6 元/m2 无污染、
费用低注:
根据气象资料,求得北京地区冬季采暖负荷按
132KWH/m2 计算另一方面,随着人民生活质量的提高,空调制
冷的普及率大大提高,如果能创造冷暖合一的人工环境设施,
2
将具有环保、节能的双重意义。
风冷热泵是一种无需水源,只与空气换热的电驱动供冷
暖设施。
空气随处可得,用之不尽。
因此,采用风冷热泵在
更广阔的地域供冷暖可以达到保护环境、节约能源、方便管
理、安全使用乃至美观的诸多目的,是众人企盼的。
但是,风冷热泵在寒冷地区(采暖设计温度-5~-15℃范
围)能否用于采暖?
在学术界一直是众人存疑的,为此,必
须明确回答以下几个问题,即:
1、什么样的热泵可以在上述气候下运行?
2、在上述的低温天气下,热泵的供热量下降多少?
出风
或出水的温度最高达到了多少度?
其功效比为多少?
3
3、除霜状况如何?
给供热量带来多大影响?
4、与哪种采暖末端结合可以达到供暖的目的?
5、在我国采暖地区使用的经济性如何?
及与其他采暖方
式的比较。
下面就上述问题加以阐述。
二、风冷热泵的低温性能
为揭示风冷热泵的低温性能,北京清华索兰环能技术研
究所建立了低温模拟实验室,于 2001 年 8 月对以下三种有代
表性的热泵机组进行了人工气候下的试验,三种机组是:
A.索兰中低温压缩机的热泵试验机组(以下称 A 型)
B.某著名公司热泵机组(以下称 B 型)
C.索兰现产机组(以下称 C 型)测试结果摘要于表二机
组类型 ABC 额定功率(KW)886 模拟外温-6~-8℃出风或出水
温 度 ( ℃ ) 33 ~ 3831.5 ~ 39.25,42 ~ 45 供 热 量 ( W )
4
800043263756 供 热 量 下 降 百 分 数 %02840 耗 电 量 ( W )
220v312212191388C.O.P2.563.52.58 外温 -9~-10℃出风或
出水温度(℃)28-3829~3332~40 供热量(W)351638373489
供 热 量 下 降 百 分 数 %573642耗 电 量 ( W )
286011121219C.O.P1.233.452.86 外温 -11~-16℃出风或出
水温度(℃)33~3741~4646~48 供热量(W)707543693663
供 热 量 下 降 百 分 数 %1545.455耗 电 量 ( W )
308933003480C.O.P2.191.331.05 测试结果说明:
1、测试的三种风冷热泵在室外温度为 -5~-15℃的寒冷
天气下,出风或出水温度皆可满足一般房屋供暖要求,尤其
是低温地板辐射供暖,前提是机组出力与负荷匹配。
即热泵
机组选型时需将额定出力比设计负荷选大一些,否则,在出
力不足时需加电补热,所选机组扩大的百分数应视地区冬季
气候而定。
2、不同压缩机在相同的蒸发、冷凝温度、压力下(实验
中监测温度、压力)表现出的性能不同,即供热量和耗功率
不同,A 最好,C 次之,B 较差。
说明 A 更适合北方供暖用,
需尽快定型生产。
3、关于冲霜对供热量的影响:
首先,北方地区冬季气候
5
干燥,决定了冲霜问题不严重;其次,不少产品的冲霜过程
都有较大的改进,完成动作一次的时间都很短,实验中观察,
对于一个惯性较大的供暖水系统,水温的变化不大。
第三,
在外温愈低时,空气中的绝对含湿量愈小,冲霜的时间间隔
变得很长。
三、风冷热泵供暖的末端装臵
1、与低温辐射地板相结合
辐射供暖是一种卫生条件与舒适条件都比较高的一种供
暖方式,地板辐射供暖比天花板供暖更合理。
由于人体在地板辐射供暖的房间中,能从接触、辐射及
对流多方面进行热交换,所以,不少权威性资料指出,在达
到人体同等舒适的条件下,室内空气温度可以比设计温度低
2-3℃,采暖负荷可降低 15%左右,因此它又是一种节能的采
暖装臵。
6
此外,它的突出优点是可以也必须利用低品位热媒,并
具有较大的蓄热性,在满足舒适性的要求下,其表面温度不
得超过 24-26℃[2]。
这一点为利用风冷热泵采暖提供了可能
性。
以北京地区为例,其供暖设计温度为 -9℃,住宅连续供
暖的热负荷为 52W/m2,地板供暖的室内设计温度为 16℃,由
公式[2]
TEP=Tn+9(q1/100)0.909
式中:
TEP--地板表面平均温度,℃
Tn--室温,℃
q1--地板向上的散热量,即房间的热负荷 W/m2
7
TEP=16+9(52/100)0.909=16+4.96=20.96 ℃
结果与[2]指出的 20.12℃相近。
根据[2],有下列热阻值:
① 由加热管道内的水至水泥地板表面的平均热阻为
0.0746m2℃/W
②实木地板层热阻为 0.1m2℃/W
③地板砖层热阻为 0.02m2℃/W
④复合木地板层热阻为 0.046m2℃/W
⑤辐射地板向室内空气的传热热阻为 0.107m2℃/W。
将上述热阻组合,并以北京地区住宅供暖负荷 52W/m2 为
例进行计算,得出以下结果:
①采用地板砖的辐射供暖设计水温需 25-28℃;
②采用复合木地板的辐射供暖设计水温需 27-30℃;
8
③采用实木地板的辐射供暖设计水温需 29-33℃。
考虑到使用的盘管材料壁厚不同等因素,上述温度应适
当提高 1-2℃。
上述地板中敷射管道直径为 Ф16/14,间距为 150-200mm。
由表二的数据不难看出,在我国北方寒冷地区采用风冷
热泵时,以上出水温度皆可满足,并且其功效比皆可在 3.0
左右,节电 60%以上。
2、与风机盘管相结合:
一般出风温度为 38-40℃即可。
从实验数据看,风冷热泵
在北方大部分地区也是可行的,它的前提也是将机组选型时
选大一些(约 40%),或采用电补热。
四、风冷热泵供暖的经
济性分析
选取北方寒冷地区几个大城市的气象数据,对风冷热泵
供暖的成本进行分析如下:
1、京津地区北纬 39.1-39.95。
,采暖室外设计温度-9℃,
9
室内设计温度:
地板 +16℃,热风+18℃,热泵的性能采用表
二中的 C 组数据,电价 0.4 元/度末端装臵采暖热负荷 W/m2
热泵供热量 W/m2C.O.P 耗电量 W/元电补热 W/元设备投资加
大40% 时 地 板 ( 每 米2 ) -10℃ 以 下
67084024.8313410.53661.0730.893-7
-10℃104046762.63.221130.8451.45661.303-4
~
~
-7℃2847419931.83.458622.3453.4163.349-4 ℃6690466904
3.4196777.87107.871总计
11249097628.22899311.5365.942613.453
由上可见,若采用电补热,年运行费为 17.478 元/m2,
而设备投入加大 40%,则年采暖运行费为 13.45 元/m2。
例如,一台 8000W 热泵机组采用地板采暖,供 110 平方
米,则采暖季的运行费为 13.45 元/m2,而如果选 6000W 的热
泵机组,虽初投资少 0.26 万,但冬季运行费为 17.478 元/m2,
每年要多花 443.8 元,5 年后就不合算了,况且,电补热需加
大用户电容量,也是需要考虑的。
10
当末端采用风机盘管送热风时,则由于出风温度较高,
COP 下降(参见表二,例如室外温度为 -7℃时,产生 35℃热
水时,热泵 C.O.P 为 3.5,产生 45℃热水时,热泵 C.O.P 为
2.58 ),以及采暖负荷较大,两项因素会导致上述费用加大
30%-35%。
例如北京地区冬季会增加约 5 元/m2 运行费。
2、济南,北纬 36.41。
,采暖室外设计温度-7℃,室内设
计温度同京津地区。
末端装臵采暖热负荷 W/m2 热泵供热量
W/m2C.O.P 耗电量 W 元电补热 W 元设备投资加大 35%时地板
(每米2)-7~
-10℃925860183.218800.75232401.2961.157-4
~
-7℃19245138573.456602.26453882.1552.264-4 ℃62730627
303.4184507.387.36
87993826052599010.3693.45110.781
总 计
如末端采用风机盘管需加大运行费 25-30%。
11
3、郑州,北纬 34.43。
,采暖设计外温-5℃,室内设计温
度同京津地区。
末端装臵采暖热负荷W/m2 热泵供热量
W/m2C.O.P 耗电量 W 元电补热 W 元设备投资加大 35%时地板
(每米2)-7~
-10℃816353063.21.6580.65328571.4221.020-4
~
-7℃360125933.40.8100.32410080.4030.423-4 ℃651676516
73.41.91867.667.66 总计 76931730668.641.545
9.109
上表说明在郑州等纬度较低的采暖地区,用电补热的运
行费用与加大热泵机组的情况相差不多,例如一台 6000W 的
机组若采用地板供暖+电补热时,可供 125 米 2,每米 2 的冬
季采暖费为 10.185 元。
4、兰州,北纬 36.03。
,采暖室外设计温度-11℃,室内
设计温度同京津地区。
末端装臵采暖热负荷 W/m2 热泵供热量
W/m2C.O.P 耗电量 W 元电补热 W 元设备投资加大 35%时地板
(每米 2)-10℃1708310250334161.36668332.7332.277-7 ~
-10℃41976272853.2852633.410146915.8765.241-4
~
12
-7℃45011324083.495313.812132035.2815.295-4 ℃5876658
7663.4172846.9436.913总计
1634361287093875715.4713472713.8919.726
由表可见,对于比北京寒冷的兰州地区,用电补热的采
暖费用比较高(29.361 元/m2,较地板高出近 10 元/m2),不如
加大设备。
如采用风机盘管,其运行费可能达到 26 元/m2(如
用电补则为 39 元/m2)。
综上所述,下表为我国北方几个城市采用风冷热泵采暖
的运行费用比较采暖末端方式北京、天津济南郑州兰州地板
(大热泵)13.45 元/m210.78 元/m29.11 元/m219.73 元/m2
地板+电补 17.48 元/m213.82 元/m210.19 元/m229.36 元/m2
风机盘管(大热泵)17.5 元/m213.5 元/m211.4 元/m226.6 元
/m2 风机盘管+电补 22.7 元/m217.3 元/m212.7 元/m239.6 元
/m2 参见表一,北京地区各种采暖方式运行费用总结如下方式
燃煤燃气燃油电暖气、电热膜风冷热泵 +风盘风冷热泵 +地板
热转化效率 55%75%85%100%300%34s0%、采暖负荷降 15%运行
费用(元/m2)13.428.544.352.817.613.45
可见,风冷热泵地板采暖系统是最经济的清洁采暖系统。
五、结论
13
1、在黄河流域利用风冷热泵供暖无论从节能、环保、安
全、方便使用还是经济上都是合理的。
愈是寒冷地区采用适
当加大设备配以地板采暖的经济性愈高。
2、热泵机组的低温性能是有差异的,对于以采暖为主的
寒冷地区,应当注意选择。
对于性能良好的机组在配地板采
暖时,由于出水温度低( 25-35℃),冬季大部分时间制热效
率高于 3.0。
3、同样的热泵机组,末端分别采用地板采暖和风机盘管
时,由于前者可接受的水温较后者低 10℃左右,热泵 C.O.P
将相差 20-30%,加上地板采暖 2-3℃等效温降,使得两种末
端的运行费相差 30-35%。
愈是寒冷地区愈明显。
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参考文献
[1]《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中华人民共
和国行业标准 2001 年 10 月施行
[2]《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》北京市标准
2000 北京感谢参加试验的人员:
陈国强黎建来陈天锡
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