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嚴(yán)寒地區(qū)“空氣源熱泵+電鍋爐”“暖氣片改造”“蓄熱水箱”等3難題的解決
近幾年，空氣源熱泵在北方市場得到了大量的應(yīng)用，不僅是農(nóng)村煤改電市場，在商業(yè)采暖和集中供暖領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多，而且在地域上應(yīng)用范圍也越來越廣，逐步向東北等嚴(yán)寒地區(qū)推進。但空氣源熱泵應(yīng)用于大型熱泵采暖項目遇到的難題也不少。
例如嚴(yán)寒地區(qū)如何保證空氣源熱泵主機穩(wěn)定、高效運行?在改造舊小區(qū)暖氣片項目時如何合理設(shè)計系統(tǒng)?非節(jié)能建筑如何更加合理利用水箱蓄熱……這些問題都制約了空氣源熱泵在北方地區(qū)推進進程。
熱泵商學(xué)院金牌講師王言明針對大型熱泵采暖項目中的常見難題提出了自己的解決方法，下面一起來學(xué)習(xí)下。
常見難題1：嚴(yán)寒地區(qū)熱源主機如何選擇?
空氣源熱泵受環(huán)境溫度的影響比較大，溫度越低，能效和穩(wěn)定性也越差。目前，空氣源熱泵采暖市場主要還是以華北市場為主寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用并不是很多。但是，嚴(yán)寒地區(qū)的市場容量非常大，對空氣源熱泵來說是一個必須要拿下的市場。
那么空氣源熱泵如何實現(xiàn)在嚴(yán)寒地區(qū)穩(wěn)定高效地運行呢?建議用空氣源熱泵+電鍋爐的多能源組合方式，利用峰谷電政策，讓空氣源熱泵在白天溫度高的時候工作，而晚上谷電段用電鍋爐來工作。
這樣做有什么好處?因為最低氣溫段都是在凌晨，也就3～4個小時，而-25℃以下的氣溫也基本都在這個時間段。在白天，即使是嚴(yán)寒地區(qū)，冬天也很少有-20℃的天氣。晚上的時候空氣源熱泵不工作，只用電鍋爐工作，就可以保證采暖系統(tǒng)的正常運行。
而且，電鍋爐還有個優(yōu)勢，就是運行的時候沒有噪音。晚上谷電段的電價一般不到白天電價的一半，這就相當(dāng)于電鍋爐的COP達(dá)到了2.0以上，其實跟熱泵運行耗能沒多大區(qū)別。
而白天空氣源熱泵運行的時候，溫度都在-20℃以上，平均溫度可以達(dá)到-5℃以上，空氣源熱泵的COP可以達(dá)到2.5以上。這樣配置的結(jié)果是，空氣源熱泵主機配置小，初投資降低，而且運行也更加可靠。那么，這樣的系統(tǒng)主機如何選型?先看空氣源熱泵主機的選型。
嚴(yán)寒地區(qū)冬季白天的平均溫度在-5℃以上，那么空氣源熱泵就可以按環(huán)境溫度-5℃時的制熱量來計算。我們先計算建筑的總熱負(fù)荷，用單位面積的熱負(fù)荷指標(biāo)乘以建筑物的總建筑面積，然后根據(jù)空氣源熱泵主機在-5℃的制熱量多少，來確定需要采配置多少臺。
舉個例子：沈陽10000平小區(qū)采暖，假如是節(jié)能建筑，給定的熱負(fù)荷指標(biāo)為60w/㎡，那么總熱負(fù)荷即：10000㎡×60w/㎡=600kw;如果是用25P的空氣源熱泵主機，在-5℃下的制熱量大概在50kw，輸入功率大約為24kw，則需要25P機的臺數(shù)為600kw/50kw=12臺。
再看電鍋爐的選型。因為晚上谷電段只有電鍋爐在工作，所以電鍋爐要滿足整個建筑的供暖需求。建筑的總熱負(fù)荷不變，還是600kw，則需要電鍋爐的制熱功率為600kw。
這里要說明一下，雖然空氣源熱泵主要是白天工作，但應(yīng)該要滿足主機能在-25℃環(huán)境下正常工作，確保系統(tǒng)在遇到極端溫度時能夠運行。另外潤滑油、電氣元件，包括導(dǎo)線都要耐低溫。導(dǎo)線如果不耐低溫，溫度低的時候可能就裂了，這樣機器的運行就會出現(xiàn)問題。而如果是一般的潤滑油，在溫度低的時候會凝固，這樣一來電機就轉(zhuǎn)不起來，所以潤滑油也需要耐低溫。電氣元件也是如此，在采購時要向廠家說明。
常見難題2：老舊小區(qū)暖氣片如何改造?
空氣源熱泵能不能帶暖氣片采暖是很多人都像問的問題，一個很大的原因就是這樣的項目非常多。答案肯定是可以的，如果可以根據(jù)熱源來設(shè)計暖氣片系統(tǒng)，就更加沒有問題，增加相應(yīng)的暖氣片數(shù)量就行。這里要重點說的是另外一種比較常見的情況，那就是末端系統(tǒng)不變，只改熱源主機，這個是有難度的。
根據(jù)《GB50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，暖氣片采暖有這么兩個條件：
暖氣片需要供水溫度50～75℃，供回水溫差大于20℃;
鍋爐熱源經(jīng)二次換熱后，二次管網(wǎng)的供水溫度50～60℃(嚴(yán)寒地區(qū)大于70℃ )，供回水溫差大于15℃。
這兩個特點給空氣源熱泵帶來了很大的難題：首先，空氣源熱泵在低溫環(huán)境下產(chǎn)50℃以上的熱水，能效比較低，不利于機組的正常運行;其次，熱泵供回水的溫差只有5℃，如溫差要達(dá)到15℃以上，肯定會影響運行穩(wěn)定的。老舊小區(qū)暖氣片改造項目市場是大量存在的，那么遇到這樣的項目如何改造呢?我們還是采用電鍋爐+空氣源熱泵的形式。
(1)無峰谷電的系統(tǒng)方案及主機選型
首先，來看沒有峰谷電時，如何設(shè)計系統(tǒng)和進行主機選型。
綜合能效及工作能力方面，空氣源熱泵一般提供50℃以下的熱水，再高的時候用電鍋爐來提升溫度。如果暖氣片的供回水溫度是55℃/35℃(二次管網(wǎng)的供水溫度是50～60℃，可以滿足，也滿足暖氣片20℃的供回水溫差)，那么可以用兩臺空氣源熱泵主機串聯(lián)，把水溫從35℃提升至50℃，這樣每臺主機的進出水溫差只有7.5℃，而50℃之后再用電鍋爐提升到55℃。(如上圖所示)
這樣一來，空氣源熱泵是在低溫段(35℃～50℃)工作，能效比較高，也有利于運行穩(wěn)定而且還可以解決暖氣片需要高溫水、大溫差的問題。
系統(tǒng)問題解決了，再看主機如何選型。空氣源熱泵是把35℃的水加熱到50℃，而電鍋爐是把50℃的水加熱到55℃，這個過程中空氣源熱泵的制熱量占3/4，電鍋爐的制熱量占1/4。那么，空氣源熱泵主機的臺數(shù)=(工程的總熱負(fù)荷*3/4)/熱泵在計算溫度下的制熱功率;而電鍋爐的制熱功率=工程的總熱負(fù)荷*1/4。
舉個例子：西安10000平的老舊小區(qū)，單位面積熱負(fù)荷為60w/㎡，那么建筑的總熱負(fù)荷為600kw，25P空氣源熱泵在-5℃(查《全國主要城市采暖期耗熱量指標(biāo)和采暖設(shè)計熱負(fù)荷指標(biāo)》，西安采暖室外計算溫度為-5℃)的制熱功率是50kw，所以選擇25P機的臺數(shù)為(600kw*3/4)/50kw=9臺，考慮到是每兩臺串聯(lián)，空氣源熱泵主機的臺數(shù)只能是雙數(shù)，要么8臺，要么10臺，這里為保險起見選擇10臺。
選好了空氣源熱泵主機，再確定電鍋爐的制熱功率。電鍋爐只負(fù)責(zé)50℃～55℃的升溫，占總制熱量的1/4，那么電鍋爐的制熱功率=工程的總熱負(fù)荷*1/4=600kw*1/4=150kw。但考慮到維修、備用還有極端天氣等因素，電鍋爐建議至少選300kw，可以設(shè)置幾個檔，一般情況下用150kw就可以了。
(2)有峰谷電的系統(tǒng)方案及主機選型
上面是沒有峰谷電時的做法，接下來看下有峰谷電如何設(shè)計系統(tǒng)方案和進行主機選型。
有峰谷電，讓電鍋爐在晚上谷電段工作，讓空氣源熱泵在白天能效高的時候工作，無疑是最好的方式。白天非谷電價時間段空氣源熱泵運行，兩臺熱泵主機串聯(lián)產(chǎn)45～50℃的熱水(白天溫度要求低)，供回水溫差15℃;晚上谷電時間段電鍋爐運行，產(chǎn)70～80℃的熱水，晚間循環(huán)水供水溫度50～70℃，供回水溫差15～20℃。
既然空氣源熱泵只是白天工作，那么主機的選型根據(jù)冬季白天的平均溫度來計算就可以了。比如在寒冷地區(qū)，冬季白天的平均溫度在0℃以上，空氣源熱泵按環(huán)境溫度0℃時的制熱量計算;嚴(yán)寒地區(qū)冬季白天的平均溫度在-5℃以上，空氣源熱泵就按環(huán)境溫度-5℃時的制熱量計算。
以北京10000平小區(qū)采暖(有外墻保溫)為例，給定的熱負(fù)荷指標(biāo)為45w/㎡，則總熱負(fù)荷為450kw，25p空氣源熱泵在0℃的制熱量在60kw左右，那么需要的25P機的臺數(shù)=450kw/60kw≈8臺。
電鍋爐因為晚上獨立工作，制熱功率和總熱負(fù)荷相同，則需要配備制熱功率為450kw的電鍋爐一臺。
常見難題3：如何利用峰谷電水箱蓄熱?
如果是節(jié)能建筑，用建筑墻體去蓄熱是很好的方式，但如果不是節(jié)能建筑，墻體蓄熱就不合適了，這時候可以考慮用水箱來蓄熱，利用峰谷電價，在晚上谷電段的時候來加熱水箱。而晚上給水箱蓄熱時，最好用電鍋爐來制熱，而不是用空氣源熱泵，因為電鍋爐可以制更高水溫的熱水，儲存的熱量更多。如果用空氣源熱泵來蓄熱，在同等的蓄熱量下，水箱的容積要大上好幾倍。
那么，蓄熱水箱的容積又如何計算呢?可以先計算每1噸水的蓄熱量，然后根據(jù)建筑需要的蓄熱量來確認(rèn)。
假如最后蓄的是95℃的高溫水，在晚間谷電價的時間段中，空氣源熱泵先把蓄熱水箱中的水溫從35℃提升到50℃上，然后再用電鍋爐把水溫提升到95℃，這樣總共提升了60℃的溫差。1kg水加熱1℃是1千卡，提升60℃即60千卡，則1噸水(容積1立方米)的蓄熱量的60*1000=60000千卡。換算一下，則1噸水的蓄熱量=60*1.16=69.6kwh(注：1000千卡≈1.16kWh)。
具體的計算可以以西安1000平非節(jié)能建筑為例，按單位面積的熱負(fù)荷為60w/㎡計算，則總熱負(fù)荷為60kw。如果晚上谷電段有8小時，那么就可以儲存8小時的熱能，則需要的水箱容積為：60kw*8h/69.6kwh=6.9噸，所以水箱的容積約7噸。
可以計算下如果只用空氣源熱泵來蓄熱，需要多大容積的水箱。空氣源熱泵只能蓄15℃的溫差，1噸水(容積1立方米)的蓄熱量=15*1.16=17.4kwh，則需要的水箱容積為60kw*8h/17.4kwh=27.6噸，也就是說需要一個28噸的蓄熱水箱。一個28噸的水箱，加上保溫和外包裝，體積達(dá)到了30噸，放在建筑屋頂承重受不了，放在地面占地面積太大，所以僅僅用熱泵來蓄熱是很難實現(xiàn)的，最好是配合電鍋爐。
水箱容積確定了，那么蓄好的95℃熱水我們怎么用?不同的末端對水溫是有要求的，特別是地暖，國家要求地暖水溫不能超過60℃。這時候就需要用一個二次循環(huán)系統(tǒng)，如上圖所示。
舉個例子，末端要求水溫是55℃，那么開始是空氣源熱泵來加熱，把35℃的水加熱到50℃，然后電鍋爐開始工作，熱泵停止運行，由電鍋爐把水溫提升至95℃。這時候蓄熱水箱的水溫是95℃，而末端要求的進回水溫度是55℃/35℃，那么，在水箱和末端之間要有一個混水裝置。
小工程用混水器就行了，安裝一個溫度調(diào)節(jié)閥，類似于熱泵系統(tǒng)里面的熱力膨脹閥，當(dāng)水溫高的時候減少流量，水溫低時加大流量，讓溫度一致;大工程可以用板式換熱器，裝一個變頻水泵，水泵的轉(zhuǎn)速由溫度來控制，也可以實現(xiàn)溫度的均衡輸出。
這里可能有人會有疑問：在電鍋爐工作的時候，空氣源熱泵是不工作的，低環(huán)境溫度下設(shè)備會不會被凍?其實不用擔(dān)心，因為空氣源熱泵主機都有防凍功能，而且循環(huán)水還在里面流動，只要不斷電是不會被凍的。