一、引言

人類社會的迅猛發展，煤、油、氣等石化能源的大量使用和過度開采，造成了環境的污染和能源緊缺，環境污染和能源緊缺問題已成為威脅人類生存的頭等大事，對清潔能源的開發利用特別是對太陽能空氣能的開發利用尤為重要。

近年來一些太陽能熱水設備的生產廠家對利用集熱管收集太陽光的熱能采暖作了一些探討，但冬季光照時間短、集熱管的占地面積太大，設備投資又太大，加之夏季太多的熱水又無法利用，很難大面積地推廣使用。

太陽能的另一種形式就是空氣能。陽光的熱能釋放在空氣中，空氣中就存在著大量的我們不能直接利用的“低品位”的能量，如果我們把它“提取”出來轉化成熱水進行采暖，它又不需要太陽光的直射，它的安裝不受采光面的限制，這種設備就是利用空氣能的有效工具——超低溫空氣源熱泵。

這種空氣源熱泵歐洲多年來用于采暖、制冷、制熱水方面。經過多年的運行效果證明它在制冷采暖制熱水方面，運行穩定可靠，并且節能環保。

為說明問題，現以最北部的沈陽案例進行分析，以供讀者參考。

二、工程概況

1、工程簡介

   該建筑坐落在遼寧省沈陽市東陵區南塔街，是2002年建成的節能住宅（商住兩用），上下兩層，建筑面積為230㎡，一樓辦公室面積80㎡，車庫30㎡，二樓住宅，120㎡。磚混結構、中空玻璃塑鋼門窗，外墻450㎜厚空心磚，內墻4厘米苯板保溫。整個小區采用電采暖的形式。小區的冬季的入住率不足50%。這個用戶以往冬季電采暖的費用是：二樓4200元左右，室溫13-16℃，冬季的采暖費用相當于35元/㎡；一樓4500元左右，白天室溫13-15℃，晚上室溫7-9℃，采暖費相當于41元/㎡。

室外主機安裝照片

二樓南臥室照片

二樓北臥室照片

二樓大廳照片

一樓照片

2.設計要求

  沈陽夏季按60天制冷，冬季152天采暖設計。設計參數參照下表

表一. 空調室外計算參數

表二. 空調室內計算參數

3.熱負荷的設計依據

由于沈陽屬于嚴寒地區，熱泵設計冷熱負荷時，以冬季的熱負荷為設計依據，在一般的民用住宅當中，只要冬季設計的熱負荷滿足采暖的需要，這臺機器就可以滿足夏季的制冷需要。

熱負荷是指在最寒冷的條件下，機組提供的熱能可以滿足建筑物對熱能的需求。

熱負荷的設計依據主要根據《民用建筑節能設計標準》JGJ26-95

在這個標準當中，沈陽計算采暖期的天數為152天，在這個采暖期當中室外平均氣溫是-5.7℃，節能建筑在這個平均氣溫的條件下的耗能指標是21.2w/㎡（這個耗熱指標僅僅是計算采暖期間運行費用的依據，不能作為熱負荷的設計依據），節能建筑在-19℃的耗能指標是40.9w/㎡,那么建筑物在一天24小時當中所消耗的熱能是981.6kwh/㎡。根據熱泵的工作特點，熱泵應在14個小時之內連續工作所產生的熱能大于建筑物的這個耗熱量，因此，熱負荷是981.6/14=70w/㎡.

4.空氣源熱泵的選型依據

二樓設備選型的依據

因二樓建筑面積是120平方米，該住宅在-19℃的耗熱指標是70*120=8.4kw.因超低溫空氣源熱泵在-19℃環境溫度下的能效比為1：1.8（出水溫度45℃）。因此，主機選用超低溫空氣源熱泵機組一臺。

技術參數

備注：制熱量是在45℃出水的情況下。

從表中可以看出在環境溫度-19℃的情況下，機組的發熱量只有6.7kw，不能滿足這個住宅的這時的耗熱指標（8.4kw）。因此，要配備輔助電加熱8.4-6.7=1.7kw。

因此，二樓住宅的熱泵選型是：輔助電加熱的功率為2kw。

一樓設備選型的依據

因一樓實際供暖的面積只有80平方米，另外的30平方米是車庫不需要供暖。因此選用低溫空氣源熱泵1臺，考慮到一樓是辦公室，主要的供暖時間是在白天，不加輔助電加熱也能滿足建筑物的最大的熱能需求，因此一樓在設計中沒有設計安裝輔助電加熱。

5.冬季運行費用的計算依據

冬季運行費用的計算依據是《民用建筑節能設計標準》JGJ26-95。

建筑物采暖期每天的平均耗能是21.2*24=508.8kwh/㎡.

一個采暖期的耗能是508.8*152=77.3kwh/㎡.

機組在采暖期平均溫度-5.7℃情況下的能效比為1：2.5（出水溫度45℃）。

所以，機組的耗能是77.3/2.5=30.9 kwh/㎡.

沈陽的民用電價是0.5元/kwh。

因此，冬季采暖期間的運行費用是30.9*0.5=15.45元/㎡（建筑面積）。

二樓120平方米冬季的采暖費用是15.45*120=1854元，一樓80平方米冬季的采暖費用是80*15.45=1236元。一二樓總計的采暖費用是3090元。

6.系統構成及工作原理

一樓和二樓分別是兩個獨立的系統。

一樓末端安裝的是明裝的風機盤管，這套系統可以完成冬季采暖、夏季制冷、一年四季提供生活熱水（機組在20℃的情況下制50℃的衛生熱水350升/小時）。

二樓末端安裝的是暖氣片，這套系統可以完成冬季采暖、一年四季提供生活熱水。

一樓安裝示意圖

二樓安裝示意圖

6.1熱水系統

這個用戶的熱泵主機安裝的是熱水優先型，即無論任何季節系統都是優先制熱水。

開機后機組先自動進入制熱水的模式，開啟電動三通閥的熱水系統，同時電自動關閉空調系統，循環水在水泵的作用下自動進入保溫承壓水箱中循環制熱水，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定的溫度時（如45℃），機組自動停止制熱水，電動三通閥關閉制熱水循環系統，同時開啟空調系統，這時熱泵產生的冷（夏季）、熱（冬季）水進入末端循環制冷（夏季）和采暖（冬季）。

當用戶使用熱水時，自來水從承壓水箱的底部自動補入，當水箱中的水溫低于所需要的設定溫度時，機組又自動進入制熱水的模式運行。

低溫型機組在春、夏、秋三個季節中，制100L的50℃熱水大約需要20分鐘，冬季大約需要35分鐘左右。這個用戶每天需要的衛生熱水量不足100L，因此，在實際運行中每天只有一次優先制熱水的過程，對采暖和制冷沒有任何不利的影響。

根據這個用戶的實際使用測得，熱泵每產100L 50℃的熱水消耗的電能是1kwh，電費是0.5元(冬季略高一些、夏季略低一些)。

承壓保溫水箱的作用:

a.儲存一定量的熱水。

b.具備系統的自動排氣功能，通過熱水口的排放可以排放系統中的氣體，以保證系統的正常循環。

c.具備系統的膨脹水箱的作用，機組在任何模式下運行時，這個水箱都起到了緩沖膨脹水箱的作用。

d.輔助電加熱，輔助電加熱就安裝在這個水箱中，當機組冬季發熱量不足時，機組就可用自動輸出信號啟動輔助電加熱，以提高系統的制熱量。

6.2制冷系統

以一樓為例說明

開機后系統自動進入優先制熱水的模式，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定溫度時，系統自動進入制冷的模式。

主機制冷量為10.8kw，末端配備FP—170明裝風機盤管2臺，根據房間制冷的需要，2臺可以同時開啟，也可以開啟一臺。當房間的溫度達到設定的溫度時，風機盤管自動停止工作，主機自動檢測末端的循環水溫自動調整制冷量，以達到節能的目的。熱泵的制冷效果和使用方法與普通的中央空調一致。末端各個房間的溫度都可以由用戶自己設定掌握。

6.3采暖系統

 以二樓為例說明

熱泵的供暖的使用方法與燃氣、燃煤、電鍋爐的方法一致，它不像空調那樣隨時使用隨時開啟，在冬季必須每天都開啟一定的時間，以確保室內有足夠的溫度使室內不結冰，同時在使用時房間能迅速達到需要的溫度（否則在房間溫度較低的情況下，即使較長時間地啟動采暖設備，房間也很難達到所需要的溫度）。

開機后系統自動進入優先制熱水的模式，當保溫承壓水箱中的水溫達到設定溫度時，系統自動進入制熱采暖模式。

主機制熱量為11.9kw（環境溫度7度時的發熱量），末端配備暖氣片5組，設定系統的回水溫度為45℃，當回水溫度達到這個設定值時，主機自動停止工作，當回水溫度低于37℃（8℃溫差）時，主機自動開啟運行。

暖氣片安裝數量的確定：

暖氣片是安裝在70℃以上的熱水采暖的場合的，而超低溫空氣源熱泵的最高出水溫度只有50℃，如把暖氣片安裝在熱泵采暖中必須增加暖氣片的數量（散熱面積），才能保證末端的散熱量。根據計算和實際經驗，暖氣片的數量至少要增加50%才能滿足熱泵采暖的需要，如暖氣片的數量增加100%就可以使熱泵供暖的出水溫度降至40℃。沈陽的這個用戶的暖氣片的數量就比其他設施供暖暖氣片的數量增加了50%。

冬季的使用方法：

根據氣象資料統計，最低氣溫一般都是在凌晨3-4點的時間段中出現，沈陽2009年和2010年冬季的最低氣溫都達到了-30℃，每年-20℃的氣溫都超過了30天。西萊克機組的最低適用環境溫度是-25℃，如果讓機組在這個溫度之下運行，就超出了它的適用范圍并使發熱量不足，因此，讓熱泵在白天氣溫較高時運行，躲開2-3小時的最低氣溫段運行，這樣不僅可以提高熱泵的性能，而且拓展了熱泵的使用范圍（使用區域）。

這個用戶熱泵具體的運行時間是：

11月上午10點——下午18點

12月——1月早7點——晚間22點

2月——4月上午10點——下午18點

沈陽12月至1月份是最寒冷的月份，-25℃以下的最低氣溫也是出現在這兩個月份中，晚間在出現-25℃以下的最低氣溫的時候就啟動輔助電加熱設備。

上述時間只是熱泵設定的工作時間段，并不是熱泵每天的連續工作時間段，熱泵在這個時間段運行中，當循環水溫達到設定的溫度時熱泵自動停止工作。

這個用戶的室溫是：白天18--22℃，晚間22--16℃.

2009年11月1日至2010年4月5日這個用戶一樓和二樓熱泵運行費用總和是2400元，比理論計算的還要低一些（可能與一樓不常開啟熱泵有關）。

2010年11月1日至2011年1月20日，熱泵運行的總費用是1600元，預計到采暖期結束熱泵的運行總費用3000元左右（與理論計算相近）。

三、結論

從兩年來這個用戶的運行實際情況看，超低溫空氣源熱泵在采暖、制冷、制熱水方面，系統設計科學合理、設備運行穩定可靠。超低溫空氣源熱泵應用于采暖、制冷、制熱水方面充分體現了它的節能環保的特性。

在制熱水方面，它的電消耗是電熱水器的1/4，與電熱水器相比節能75%。

在采暖方面，它的電消耗是電暖氣的1/2.5,即是電采暖費用的40%，與電采暖相比節能60%（沈陽地區）。它與燃氣鍋爐相比，運行費用節省30%（沈陽地區），同時熱泵在運行中的二氧化碳的排放量是零。沈陽的這個用戶如果使用燃氣鍋爐采暖，每個采暖期的二氧化碳排放量大約為2.85噸，熱泵的使用壽命大約是20多個采暖期，在設備使用的壽命內，熱泵可以至少減少二氧化碳的排放量是57噸。

在制冷方面，它的制冷效果、運行費用與普通的中央空調相似，但普通的中央空調不具備采暖和制熱水的功能，從性價比的角度來看，更應該向用戶推薦使用超低溫空氣源熱泵。

 通過對嚴寒地區熱泵的使用實際情況分析，可以得出：熱泵更適合在寒冷地區和夏熱冬冷地區使用，在這些地區使用不僅更加節能，同時充分發揮了熱泵的制冷的功能。這兩個地區包含了我國10多個省份，整個面積大約占據了我國總面積的1/3。可以預言，熱泵的推廣使用將為這些地區人們的采暖制冷的方式增添嶄新的內容，將在節能減排利用自然能源方面作出突出的貢獻。