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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(chǎng)得到了大量的應(yīng)用，不僅是農(nóng)村煤改電市場(chǎng)，在商業(yè)采暖和集中供暖領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，而且在地域上應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，逐步向東北等嚴(yán)寒地區(qū)推進(jìn)。但空氣源熱泵應(yīng)用于大型熱泵采暖項(xiàng)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(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行?在改造舊小區(qū)暖氣片項(xiàng)目時(shí)如何合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)?非節(jié)能建筑如何更加合理利用水箱蓄熱……這些問(wèn)題都制約了空氣源熱泵在北方地區(qū)推進(jìn)進(jìn)程。
熱泵商學(xué)院金牌講師王言明針對(duì)大型熱泵采暖項(xiàng)目中的常見難題提出了自己的解決方法，下面一起來(lái)學(xué)習(xí)下。
常見難題1：嚴(yán)寒地區(qū)熱源主機(jī)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(chǎng)主要還是以華北市場(chǎng)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(chǎng)容量非常大，對(duì)空氣源熱泵來(lái)說(shuō)是一個(gè)必須要拿下的市場(chǎng)。
那么空氣源熱泵如何實(shí)現(xiàn)在嚴(yán)寒地區(qū)穩(wěn)定高效地運(yùn)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(shí)候工作，而晚上谷電段用電鍋爐來(lái)工作。
這樣做有什么好處?因?yàn)樽畹蜌鉁囟味际窃诹璩浚簿?～4個(gè)小時(shí)，而-25℃以下的氣溫也基本都在這個(gè)時(shí)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(shí)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(yùn)行。
而且，電鍋爐還有個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是運(yùn)行的時(shí)候沒(méi)有噪音。晚上谷電段的電價(jià)一般不到白天電價(jià)的一半，這就相當(dāng)于電鍋爐的COP達(dá)到了2.0以上，其實(shí)跟熱泵運(yùn)行耗能沒(méi)多大區(qū)別。
而白天空氣源熱泵運(yùn)行的時(shí)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(jī)配置小，初投資降低，而且運(yùn)行也更加可靠。那么，這樣的系統(tǒng)主機(jī)如何選型?先看空氣源熱泵主機(jī)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(shí)的制熱量來(lái)計(jì)算。我們先計(jì)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(jī)在-5℃的制熱量多少，來(lái)確定需要采配置多少臺(tái)。
舉個(gè)例子：沈陽(yáng)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(jī)，在-5℃下的制熱量大概在50kw，輸入功率大約為24kw，則需要25P機(jī)的臺(tái)數(shù)為600kw/50kw=12臺(tái)。
再看電鍋爐的選型。因?yàn)橥砩瞎入姸沃挥须婂仩t在工作，所以電鍋爐要滿足整個(gè)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(shuō)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(jī)能在-25℃環(huán)境下正常工作，確保系統(tǒng)在遇到極端溫度時(shí)能夠運(yùn)行。另外潤(rùn)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(shí)候可能就裂了，這樣機(jī)器的運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。而如果是一般的潤(rùn)滑油，在溫度低的時(shí)候會(huì)凝固，這樣一來(lái)電機(jī)就轉(zhuǎn)不起來(lái)，所以潤(rùn)滑油也需要耐低溫。電氣元件也是如此，在采購(gòu)時(shí)要向廠家說(shuō)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(wèn)的問(wèn)題，一個(gè)很大的原因就是這樣的項(xiàng)目非常多。答案肯定是可以的，如果可以根據(jù)熱源來(lái)設(shè)計(jì)暖氣片系統(tǒng)，就更加沒(méi)有問(wèn)題，增加相應(yīng)的暖氣片數(shù)量就行。這里要重點(diǎn)說(shuō)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(jī)，這個(gè)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(jì)規(guī)范》，暖氣片采暖有這么兩個(gè)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(gè)特點(diǎn)給空氣源熱泵帶來(lái)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(jī)組的正常運(yùn)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(huì)影響運(yùn)行穩(wěn)定的。老舊小區(qū)暖氣片改造項(xiàng)目市場(chǎng)是大量存在的，那么遇到這樣的項(xiàng)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(wú)峰谷電的系統(tǒng)方案及主機(jī)選型
首先，來(lái)看沒(méi)有峰谷電時(shí)，如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)和進(jìn)行主機(jī)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(shí)候用電鍋爐來(lái)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(tái)空氣源熱泵主機(jī)串聯(lián)，把水溫從35℃提升至50℃，這樣每臺(tái)主機(jī)的進(jìn)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(lái)，空氣源熱泵是在低溫段(35℃～50℃)工作，能效比較高，也有利于運(yùn)行穩(wěn)定而且還可以解決暖氣片需要高溫水、大溫差的問(wèn)題。
系統(tǒng)問(wèn)題解決了，再看主機(jī)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(gè)過(guò)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(jī)的臺(tái)數(shù)=(工程的總熱負(fù)荷*3/4)/熱泵在計(jì)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(gè)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(guó)主要城市采暖期耗熱量指標(biāo)和采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)》，西安采暖室外計(jì)算溫度為-5℃)的制熱功率是50kw，所以選擇25P機(jī)的臺(tái)數(shù)為(600kw*3/4)/50kw=9臺(tái)，考慮到是每?jī)膳_(tái)串聯(lián)，空氣源熱泵主機(jī)的臺(tái)數(shù)只能是雙數(shù)，要么8臺(tái)，要么10臺(tái)，這里為保險(xiǎn)起見選擇10臺(tái)。
選好了空氣源熱泵主機(jī)，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(gè)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(jī)選型
上面是沒(méi)有峰谷電時(shí)的做法，接下來(lái)看下有峰谷電如何設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案和進(jìn)行主機(jī)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(shí)候工作，無(wú)疑是最好的方式。白天非谷電價(jià)時(shí)間段空氣源熱泵運(yùn)行，兩臺(tái)熱泵主機(jī)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(shí)間段電鍋爐運(yùn)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(jī)的選型根據(jù)冬季白天的平均溫度來(lái)計(jì)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(shí)的制熱量計(jì)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(shí)的制熱量計(jì)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(jī)的臺(tái)數(shù)=450kw/60kw≈8臺(tái)。
電鍋爐因?yàn)橥砩溪?dú)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(tái)。
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(shí)候可以考慮用水箱來(lái)蓄熱，利用峰谷電價(jià)，在晚上谷電段的時(shí)候來(lái)加熱水箱。而晚上給水箱蓄熱時(shí)，最好用電鍋爐來(lái)制熱，而不是用空氣源熱泵，因?yàn)殡婂仩t可以制更高水溫的熱水，儲(chǔ)存的熱量更多。如果用空氣源熱泵來(lái)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(jì)算呢?可以先計(jì)算每1噸水的蓄熱量，然后根據(jù)建筑需要的蓄熱量來(lái)確認(rèn)。
假如最后蓄的是95℃的高溫水，在晚間谷電價(jià)的時(shí)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(jì)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(jì)算，則總熱負(fù)荷為60kw。如果晚上谷電段有8小時(shí)，那么就可以儲(chǔ)存8小時(shí)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(jì)算下如果只用空氣源熱泵來(lái)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(shuō)需要一個(gè)28噸的蓄熱水箱。一個(gè)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(lái)蓄熱是很難實(shí)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?cè)趺从?不同的末端對(duì)水溫是有要求的，特別是地暖，國(guó)家要求地暖水溫不能超過(guò)60℃。這時(shí)候就需要用一個(gè)二次循環(huán)系統(tǒng)，如上圖所示。
舉個(gè)例子，末端要求水溫是55℃，那么開始是空氣源熱泵來(lái)加熱，把35℃的水加熱到50℃，然后電鍋爐開始工作，熱泵停止運(yùn)行，由電鍋爐把水溫提升至95℃。這時(shí)候蓄熱水箱的水溫是95℃，而末端要求的進(jìn)回水溫度是55℃/35℃，那么，在水箱和末端之間要有一個(gè)混水裝置。
小工程用混水器就行了，安裝一個(gè)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(shí)候減少流量，水溫低時(shí)加大流量，讓溫度一致;大工程可以用板式換熱器，裝一個(gè)變頻水泵，水泵的轉(zhuǎn)速由溫度來(lái)控制，也可以實(shí)現(xiàn)溫度的均衡輸出。
這里可能有人會(huì)有疑問(wèn)：在電鍋爐工作的時(shí)候，空氣源熱泵是不工作的，低環(huán)境溫度下設(shè)備會(huì)不會(huì)被凍?其實(shí)不用擔(dān)心，因?yàn)榭諝庠礋岜弥鳈C(jī)都有防凍功能，而且循環(huán)水還在里面流動(dòng)，只要不斷電是不會(huì)被凍的。