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(lái)看農(nóng)村住宅能耗的變化，戶均總能耗沒(méi)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(lái)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(wèn)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(lái)說(shuō)不超過(guò)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(wèn)題，這將直接關(guān)系到能否在原有的散熱器結(jié)構(gòu)來(lái)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(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)而研究空氣源熱泵在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，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(jiàn)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(guò)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(guò)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(lái)看多為原來(lái)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(lái)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(lái)占?jí)γ娣e一樣的GB22型鋼制板式散熱器就可以滿足，無(wú)需增加暖氣片占?jí)臻g。

2 研究結(jié)論

通過(guò)以上的模擬計(jì)算，我們可以初步得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)改變散熱器形式來(lái)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(méi)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(wèn)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(guò)模擬計(jì)算來(lái)研究這一方案的可行性，經(jīng)過(guò)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(méi)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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