空氣源熱泵暖氣片散熱器 供暖系統(tǒng)的應(yīng)用

2013年，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，2001-2013 年農(nóng)村人口從8.0億減少到6.3億人，而農(nóng)村住房面積從人均25.7m2/人增加到38.1m2/人，住宅總量有所增加。

以家庭戶為單位來看農(nóng)村住宅能耗的變化，戶均總能耗沒有明顯的變化，除農(nóng)村戶均電耗呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)外，農(nóng)村地區(qū)越來越多的生物質(zhì)能被煤炭和電能所取代。目前，北方農(nóng)村地區(qū)普通農(nóng)村住宅采暖系統(tǒng)大都仍采用燃煤鍋爐+室內(nèi)暖氣片或者電鍋爐+室內(nèi)暖氣片的系統(tǒng)形式，由一家一戶的小型燃煤爐或電鍋爐生產(chǎn)高溫?zé)崴缓筝斔徒o室內(nèi)暖氣片，以滿足室內(nèi)溫度條件需求。小型燃煤爐燃燒效率低，煤質(zhì)差，煤煙排放量大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。而電能屬于能源，電鍋爐采暖屬于將高品位能轉(zhuǎn)化為低品位能，是一種能源的浪費(fèi)，不應(yīng)該推廣使用。

如今“節(jié)能減排”已經(jīng)成為全社會(huì)高度關(guān)注的話題，農(nóng)村地區(qū)的節(jié)能潛力很大，但在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行供熱系統(tǒng)的改造也是非常困難的。如果采用由電驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵直接取代燃煤鍋爐，而且室內(nèi)采暖系統(tǒng)直接采用冷媒管路連接，直接加熱暖氣片散熱器，將是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)、 極易推廣的北方地區(qū)燃煤鍋爐供暖熱源替代方案，將大大改變北方地區(qū)大氣污染問題。然而空氣源熱泵能夠加熱暖氣片散熱器末端表面的溫度一般來說不超過55℃，低溫?zé)崃抗┙o散熱器能否滿足室內(nèi)供熱需求成為我們關(guān)心的問題，這將直接關(guān)系到能否在原有的散熱器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵+散熱器供暖方案的可行性。本文將從模擬計(jì)算來說明這個(gè)問題，進(jìn)而研究空氣源熱泵在實(shí)際運(yùn)行過程中的能效變化規(guī)律，為農(nóng)村住宅改變生活環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排的目標(biāo)，提供工程設(shè)計(jì)和技術(shù)改造依據(jù)。

1 低溫空氣源熱泵+散熱器供暖方式的靜態(tài)模擬計(jì)算

1.1 住宅的基本信息

我們選取的農(nóng)村住宅位于山西省太原市，該住宅整體長(zhǎng)13.8m，寬11.9m，房屋凈高為 3.8 m，占地面積約164.22m2，采暖面積為96.7m2。

該住宅共有 8 間房屋，房間內(nèi)供暖末端散熱設(shè)備為散熱器，采用冷媒直接加熱末端散熱器的形式，每組散熱器之間用冷媒分歧管并聯(lián)；散熱器類型為四柱GB22型鋼制板式散熱器，住宅的房屋結(jié)構(gòu)及室內(nèi)采暖系統(tǒng)情況如圖1所示。

該住宅采用的是廣東芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限公司研發(fā)制造的分體式低環(huán)境溫度空氣源熱泵機(jī)組。室內(nèi)采暖的熱媒仍然為R410A冷媒，由于暖氣片表面的溫度不超過55℃，屬于低溫?zé)嵩垂帷?/span>

由于農(nóng)村地區(qū)的房屋節(jié)能保溫性能相對(duì)城市較差，所以我們這里對(duì)建筑熱工參數(shù)不易測(cè)量的既有農(nóng)村建筑的熱負(fù)荷計(jì)算用熱指標(biāo)80W進(jìn)行估算。經(jīng)過計(jì)算得到該建筑的冬季設(shè)計(jì)采暖熱負(fù)荷為7736W。

1.2 散熱器的參數(shù)

該系統(tǒng)采用的是GB22型鋼制板式散熱器，該散熱器的散熱面積為3.86m2/片，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

K=2.503△t0.298 

上述公式是針對(duì)傳統(tǒng)高溫供回水溫度所得的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，故我們應(yīng)對(duì)低溫供回水時(shí)散熱器的性能進(jìn)行分析。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李慶娜通過實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：散熱器在低溫運(yùn)行時(shí)的性能曲線可近似為其高溫運(yùn)行時(shí)性能曲線的延長(zhǎng)線的結(jié)論。這里將GB22型鋼制板式散熱器在高溫水運(yùn)行時(shí)的曲線繪制出來，并延長(zhǎng)得到圖 2。 

1.3 模擬計(jì)算

根據(jù)四柱760鑄鐵型散熱器的散熱量應(yīng)該滿足室內(nèi)的熱負(fù)荷需求，所以得到以下的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

 Q=KF(tpj-tm)=q0×A (1)

式中：

Q 為散熱器散熱量，也為室內(nèi)熱負(fù)荷，W；

K 為散熱器傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

tpj 為散熱器進(jìn)出口熱水平均溫度，℃；

q0 為單位熱指標(biāo)，W/m2 ；

A 為室內(nèi)采暖面積，m2 。

令 △t=tpj-tW，散熱器的散熱量可以由式(2)求出，

Q=2.503△t1.298 (2)

利用上述公式得到測(cè)試建筑如果用傳統(tǒng)供回水溫度所需要的散熱器片數(shù)(見表 1)。

北京地區(qū)采用聚苯板外保溫進(jìn)行節(jié)能 改造的農(nóng)宅節(jié)能率達(dá)可達(dá)45%以上，而在建筑節(jié)能“三步走”的戰(zhàn)略中的二步即節(jié)能50%，北京地區(qū)要求室內(nèi)的供暖熱指標(biāo)為52 W/m2，所以如果為進(jìn)行節(jié)能 改造的建筑更換熱源，采用低溫空氣源熱泵散熱器供 暖系統(tǒng)，由于機(jī)組制取的高溫水高不會(huì)超過50 ℃， 取高出水溫度45 ℃。當(dāng)供回水溫差取 5 ℃時(shí)，不同供回水溫度時(shí)，滿足室內(nèi)溫度要求需要的散熱器片數(shù)， 如表2 所示。

通過表1和表2的對(duì)比，可以看出：農(nóng)村住宅在采用低溫空氣源熱泵散熱器供暖系統(tǒng)的同時(shí)，如果能對(duì)房屋進(jìn)行節(jié)能改造使其節(jié)能率達(dá)到二步中的50%的要求，則需要增加的散熱器片數(shù)隨供回水溫度發(fā)生變化，但總體來看多為原來的一倍，實(shí)際需增加的片數(shù)應(yīng)小于這個(gè)數(shù)值。

但是這種增加散熱器片數(shù)的方法，可能面臨到空間不足，成本增加的難題在農(nóng)村地區(qū)不容易被大眾所接受。對(duì)于供水溫度處于50℃以下的系統(tǒng)，末端設(shè)備采用地板輻射采暖或風(fēng)機(jī)盤管的采暖方式，但這兩種方式對(duì)于農(nóng)村地區(qū)并不適用，在原本已建好的房屋上進(jìn)行末端設(shè)備的更換比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更不易被農(nóng)村地區(qū)的用戶所接受。

考慮到農(nóng)村的住戶一般家里都是采用散熱器作為末端設(shè)備，使用習(xí)慣不容易被改變，所以將熱源更換為空氣源熱泵，末端在原來散熱器基礎(chǔ)上改為散熱效果更佳的鋼制板式散熱器，這種方式更具有優(yōu)越性。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，GB22型鋼制板式散熱器單位面積散熱量為760鑄鐵型散熱器的2倍，因此保持和原來占?jí)γ娣e一樣的GB22型鋼制板式散熱器就可以滿足，無需增加暖氣片占?jí)臻g。

2 研究結(jié)論

通過以上的模擬計(jì)算，我們可以初步得到以下結(jié)論：

(1)通過改變散熱器形式來保證低溫供熱溫度條件下滿足室內(nèi)供暖需求的方式在理論上是可行的，并且這樣的方式在農(nóng)村地區(qū)非常的適用，減小了工程量，沒有改變用戶的使用習(xí)慣，接受程度高。

(2)目前的數(shù)據(jù)只驗(yàn)證了GB22型鋼制板式這一種散熱器在熱源條件下運(yùn)行的情況，對(duì)于其他類型的散熱器的性能還有待進(jìn)一步的研究。并且對(duì)于用低溫水供給散熱器時(shí)，應(yīng)在原有基礎(chǔ)上增加的散熱器片數(shù)都需要進(jìn)一步的模擬計(jì)算。后面的模擬還應(yīng)解決：對(duì)應(yīng)確定的散熱器類型、確定的熱源溫度，每平方米面積對(duì)應(yīng)散熱器片數(shù)，以便在以后進(jìn)行供熱改造的時(shí)候進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。

(3)目前機(jī)組的運(yùn)行存在“高表面溫度大溫差”的問題， 散熱器內(nèi)部流道在設(shè)計(jì)上應(yīng)進(jìn)行校核匹配，以保證這種方式的節(jié)能性并提高系統(tǒng)的COP值。

 3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合太原市農(nóng)宅采暖現(xiàn)狀，提出空氣源熱泵代替燃煤鍋爐并改變末端散熱器形式的供暖方式，建立某農(nóng)宅的建筑模型，通過模擬計(jì)算來研究這一方案的可行性，經(jīng)過分析，該方案理論上是可行的，并且實(shí)際運(yùn)行效果良好，滿足農(nóng)村住宅的室內(nèi)溫度環(huán)境的需要。這種方式不改變用戶原有的使用習(xí)慣，且沒有復(fù)雜的水路安裝工程，相對(duì)簡(jiǎn)單且易于為既有建筑使用者所接受，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣和使用。

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