分體式空氣源熱泵在北方某鑄造車間中的應用

趙曉雷 田思瑤 單永明

摘? 要：為解決原北方供暖方式耗能大、二氧化碳排放量大的問題，以大連市某供暖面積為13000m2的鑄造車間為例，介紹了一套可應用于北方寒冷地區的綠色分體式螺桿空氣源熱泵機組，著重闡明了該空氣源熱泵在低環境溫度下仍具有水系統防凍、減少熱能損失、噪音低、組裝安裝靈活的特點，將機組與北方常用的四種供暖方式進行經濟性對比分析，結果表明：其具有節能、運行費用較少的優勢。該機組設計為設計人員提供參考，有利于清潔的空氣源熱泵在北方深入推廣。

關鍵詞：空氣源熱泵;分體式;鑄造車間;供暖空調;北方地區

引言

近年來，伴隨國家十三五實施“煤改電”政策、提出碳達峰碳中和“雙碳”目標等措施積極推進國家節能減排工作，我國居民對環境要求的逐漸提高和環保意識的不斷增強。北方在冬季時具有集中供暖的優勢，但是這種供暖方式常采用燃燒化石能源產熱，存在污染嚴重、碳排放量極高和產熱效率低等問題[1]，因此急需被取代[2]。

空氣源熱泵就是十分具有可行性的替代方法之一?？諝庠礋岜美蒙倭侩娔?，將空氣中的熱能通過壓縮后轉化為高溫熱能[3]?？諝庾鳛闊嵩?，具有無用量限制，且熱量補充迅速的優點[4]。與燃燒煤炭相比，空氣源熱泵的碳排放量低，具有高效節能、應用靈活等顯著優勢[5-6]，但是空氣源熱泵的制熱量受環境影響較大[7]。北方冬季環境溫度較低時，機組存在制熱量減小、壓縮機排氣溫度較高、潤滑油粘度增大以及電機過熱等問題[8-9]。本文結合本公司鑄造車間新增熱泵供暖系統的運行情況，介紹了一套可用于北方寒冷地區的空氣源熱泵機組，為暖通工程師研究和應用空氣源熱泵提供參考。

1 項目概況

公司鑄造車間位于遼寧省大連市，根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176-2016表4.1.2及附錄A.0.1[10]，大連市屬寒冷A區，供暖室外計算溫度-9.0℃，空調室外計算溫度-16.3℃。

查詢歷史天氣，可得出近五年來大連市的冬季最低氣溫及天數如圖1所示，其中2016年冬季氣溫最低，為-17℃。

2 系統介紹

針對大連地區該鑄造車間，對分體式空氣源熱泵系統進行選型計算分析。供熱面積共計13000m2，單臺室內機制熱輸入功率190kW，COP2.92，名義制熱量570kW，單臺室外機冷凝器的風量為26000m3/h。經過熱負荷計算后，得出選用兩臺室內機和四臺室外機組合的設計方案。機組的制熱量共計1140kW，風量104000m3/h。室內機主要由壓縮機、蒸發器、四通閥等部件組成，室外機主要由冷凝器和膨脹閥組成。機組的系統原理圖如圖2所示。制熱運行時，經過壓縮機產生的高溫高壓制冷劑氣體，經四通閥排放至水側換熱器，與循環水進行熱交換，將熱量排放到水中，循環水達到需求溫度與室內空氣進行交換，實現制熱目的。而高溫高壓的液態冷媒，在通關過電子膨脹閥節流形成低溫低壓的氣液混合物，與空氣進行熱交換，吸收空氣中的熱量，回到壓縮機，完成一個循環。

3 分體式熱泵的應用特點

由于普通熱泵在環境溫度為-10℃及以下的工況下，存在制熱量下降、冷凝器易結霜的問題[11]。本機組制熱運行環境溫度最低可達到-35℃，可在嚴寒地區使用，有利于空氣源熱泵的應用與推廣。

3.1水系統防凍

冬季若將與蒸發器換熱的水箱放置于室外，若機組發生意外斷電，水循環水管內的水將迅速凝結成冰，堵塞管路。該項目將水箱放置于室內，熱泵機組和水箱之間的連接管路均處于室內，大連冬季平均室外氣溫約為-10～-5℃，將水路布置與室內，對預防水系統防凍事故具有顯著效果。

3.2 散熱少

大連冬季室外平均溫度較低，機組運行時壓縮機和油分處溫度約為70～80℃。將機組中壓縮機、油分及其他高溫部件放在室內，可顯著減小容器內與環境的溫差，減小零部件消耗和浪費大量熱能，提高換熱效率。

3.3 噪音低

空氣源熱泵的噪音主要來自于壓縮機產生的機械噪音和由壓縮機運轉時引起的鋼結構振動產生的噪音，以及冷凝器的風機產生的風動力噪音采用分體式設計，壓縮機放在室內機房，相當于在噪音源的四周加建一個隔音間，可有效降低噪音值。

3.4 安裝組裝靈活

該系統將室外機放置于廠房外空曠處。若機房外空間比較緊湊或無空曠平地，也可將室外機組放在房頂或其他任意就近空曠處，與體積較大的一體機相比，分體式機組具有體積較小、安裝靈活的特點。本系統采用 2個室內機和4個室外機的組合方案，而本室內機最多可實現16個機組組合的方案?？筛鶕┡枨笞杂山M合室外室內機組，機組應用范圍廣，組裝方便。

3.5 經濟性

空氣源熱泵利用少量的電能，從空氣中獲得熱能實現供熱目的，是目前較為高效、環保、節能的優選供暖方式。按照大連市供暖期125天，每日供暖12小時，電價按照2022年峰谷平電價計算，常用的四種供暖方式與空氣源熱泵運行費用和環保性能的對比分析結果如表1所示。從表1中可以得出：以該鑄造廠為供熱對象，空氣源熱泵每年比電加熱供暖方式節約78.8%，比燃油鍋爐節約74.2%，比燃氣鍋爐節約61.6%，比燃煤鍋爐節約39.5%。采用空氣源熱泵供暖年能源費用明顯遠低于電加熱、燃油鍋爐、燃氣鍋爐。雖然與燃煤鍋爐的費用相差較小，但是燃煤鍋爐供暖方式污染嚴重、早已被列為淘汰之列。因此空氣源熱泵也具有優異的經濟性，是清潔環保供暖方式的首選方案之一。

4 結語

本文以大連市某鑄造車間供暖項目為例，介紹了一種分體式螺桿空氣源熱泵機組，分析了將水箱及高溫部件放置于室內后，可有效避免安全隱患，顯著減小由于北方冬季室外低環境溫度對機組換熱的影響，擴大機組的應用范圍，為設計人員提供參考意義。通過對比五種供暖方式的運行費用，得出結論：空氣源熱泵具有較好的經濟性和環保節能性。為其在北方的進一步應用提供有利的理論支持。

參考文獻

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[10]GB/T50176-2016， 民用建筑熱工設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

[11]李遠付，魏曉鈺，薛冬華. 超低溫空氣源熱泵在甘肅某職工宿舍樓中的應用[J]. 制冷與空調，2020，（5） ： 45-48.

作者簡介：

趙曉雷（1984.4--），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，中級工程師，主要從事冷熱系統技術研究與應用方面工作。