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北京农村地区供暖系统改造和
0引言
空气源热泵是一种以电能驱动将空气能提升品位向建筑供暖的机组,具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点,越来越受到人们的青睐.空气源热泵在我国主要用于夏季制冷,只是在长江以南的部分地区才会用于冬季供暖,这些地区冬季室外温度一般不会太低,都在-5℃以上,机组运行比较平稳[5].另外,空气源热泵热水温度一般在40~55℃范围内,其末端多为风机盘管.北方农村地区,采暖是保证居民生活品质的重要技术,随着人们生活水平的提高越来越迫切.然而由于农村集中供暖的普及率很低,农村住户的采暖方式多是烧煤、烧秸秆等,越来越不能适应现代社会的需要以及可持续发展的要求,导致包括雾霾在内的大量问题的产生.基于此,笔者针对北京农村地区电锅炉-散热器供暖方式进行改造,探索空气源热泵-散热器的供暖方式在我国北方农村地区应用的可行性.
1农村地区采暖形式和特点
农村地区的采暖具有复杂性、多变性和随机性.不同地区的住户,由于生活环境、家庭条件和生活方式不同,会采用不同的热源和采暖方式.农村地区常用的采暖方式主要包括：火炉、电锅炉和家用壁挂炉.
许多文献都曾经对农村地区的采暖进行过研究和分析,根据文献调查[2-4],农村住户生活习惯主要有以下特点：（1）每户的人员组成[基金项目：科研基地建设_北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验室（04058415005）]比较多变,不同住户有自己的特点和个性,由于人员年龄段不同,对室内的热湿环境的要求也不同,老年人可能对室内环境温度要求较高,而年轻人则对室内环境温度要求稍微低一些；（2）住户对室内热湿环境的控制是一种个人行为,住户要求这种控制要具有自由化的特点,而不受任何的强制性或者非强制性的改变和引导；（3）农村住户对采暖设备的使用具有随机性,由于不同住户的生活习惯不同,所以对采暖设备的使用时间和使用方式都会具有很强的不确定性,而且随着年龄的变化或者室内人员的变化,这种不确定性还会发生各种变化.
正是由于农村住户的生活特点,所以农村的采暖设备一定要适应农村的生活特点.不能像公共建筑那样规定室内温湿度环境,必须要满足住户的个性化调需求,使用户可以根据自己的需要进行调节,不能收到某一种使用模式的限制,实现住户分时分室温度可控,满足住户的使用自由；除此之外,在保证舒适度的前提下,还要注重节能,减少住户的采暖开支,并且尽可能减小工程量.
2空气源热泵—散热器采暖系统
空气源热泵—散热器采暖系统的原理如图1,其工作过程为：在冬季,机组开启,蒸发器内的工质从室外空气吸收热量气化,工质经过压缩机压缩后,变成高温高压气体,经过冷凝器冷凝成液体,并将热量传给热媒（一般为水）,工质释放热量后,经过节流阀节流,再次进行循环；而热媒在水泵的作用下,进入室内散热器进行循环.通过空气源热泵机组,制取热水,热水在散热器及管道系统里往复循环,为室内提供热量,保证室内达到一定的温度.
3空气源热泵供暖系统现场测试结果与分析
3.1建筑概况和测试设备
本文研究的空气源热泵-散热器采暖系统主要应用于北京地区,针对已经进行节能保温改造的农村民用住宅（外墙增加聚苯保温板）.2014年冬季在北京市昌平区进行了空气源热泵的性能测试,示范工程建筑位于北京市昌平区马池口镇,测试对象为农村住宅,其建筑平面图如图2所示,房屋为平房,其中庭院顶部用玻璃板代替屋顶,既能透光,又有一定保温效果.
该户居民在未进行热源更换前采用的是电锅炉供暖（功率为4kW）,热媒为水,末端散热设备为散热器,供暖系统采用双管水平和台式,每组散热器之间为并联；散热器类型为四柱760型铸铁散热器,散热器分布如图2（a）所示；测试开始后,将热源换成分体式低环境温度空气源热泵；机组配置热量表,可以测量累计供热量、瞬时供热量、流量及供回水温度；为了方便计算COP,给机组单独配置一块智能电表.
3.2室外气温
测试期间室外平均气温为1.5℃,最高温度为11℃,最低气温为-8℃,室外温度变化如图3.
3.3散热器改造
目前我国传统供暖条件下散热器供回水温度是95℃/70℃,空气源热泵—散热器系统也不可能达到这个温度,供水温度一般都在35℃～60℃之间,所以这种情况下散热器的散热量能否满足要求成为能否用空气源热泵作为热源进行采暖的关键,哈尔滨工业大学的李庆娜通过实验验证了散热器低温运行时的性能曲线可近似看作是其高温运行时性能曲线的延长线,实验结果中只有个别数据的误差在&plun;5％以内[5].文献［4］绘制出低温热水运行时散热性能较好的散热器的曲线（见图4）,不同型号散热器的散热量与温度之间的关系,从图中可知,平均温度在30℃时,散热量也能达到50W/m2以上.
空气源热泵能提供的热水不超过50℃,属于低温热水.所以应当适量增加散热器片数.根据散热器的散热量应该满足室内的热负荷需求,所以得到以下的对应关系,
Q等于KF(tpj-tn) （1）
式中,Q—散热器散热量,W；
K—散热器传热系数,W/（m2·K）；
tpj—散热器进出口热水平均温度,℃；
tn—室内温度,℃.
由Δt等于tpj-tn,散热器的散热量可有（2）式求出：
Q等于2.503FΔt1.298（2）
取室内温度18℃,根据给机组配置的热量表所记录的数据,可以推算出室内热负荷.这时计算出不同供回水温度下散热器片数,如表1和表2.
由表中可见,采用空气源热泵后,供回水温度降低,与之前的高温供回水相比,散热器片数增加了一倍.因此,将散热器片数增加一倍的改造是合理的,改造后的散热器分布如图2（b）.由于客厅散热器做了美化装饰,所以未进行改造.
3.4测试数据分析和评价
（1）房间舒适性
测试时,在每个房间设置一个温度自记仪,以便测量室内温度；每个散热器表面也设置温度自记仪.根据测试数据,每个房间温度变化分别如图5.
可以看出测试期间各房间室内温度曲线较平缓,变化幅度不大,这与机组稳定的供暖有关,供暖期间,虽然机组不连续运行,但机组内置水泵连续运行,使水不断的进行循环,室内温度维持在16℃到18℃之间,整个测试期的供暖房间的平均温度为17.89℃,从室内热舒适度角度和生活质量要求方面,基本满足农村地区居民的要求.
（2）机组性能
除了房间内的舒适性以外,还研究了机组运行的性能.机组配置的热量表可以实时监测供回水温度,并可随时读取数据.如图6所示为机组供回水温度的变化情况.
从图6供回水温度变化图可以看出,室外温度变化时,供回水温度的变化很小.其原因是由于系统采用的是控制回水温度范围的控制策略,回水的温度范围可根据住户的舒适度要求自行设定,因此,该系统通过间歇运行可以保持回水温度随室外温度变化的波动性较小.
根据图6可以看出,整个测试期间供回水温差基本都维持在1℃到2℃之间,存在着“小温差”运行的问题,这样的运行的结果是造成实际水流量比需要的水量大,使水系统的电耗大大增加.出现这样的原因一般是水泵的选型不当.
（3）机组整体运行能效
热泵制热性能系数COP为热泵机组制热量和制热消耗功率之比：
式中,Qk为热泵机组实测制热量,kW；W 为机组实际输入功率,kW.
根据测试得到的运行数据,计算得到该机组在测试时间段内的制热性能系数COP变化如图7.
从图7中可以看出,随室外温度的变化,空气源热泵供暖系统的COP基本稳定,没有出现较大的波动,基本稳定在3左右.整个测试期间系统的综合COP平均达到2.83,最冷天COP为2.55.
5结论
通过对测试房间的测试数据进行整理,可以得到以下结论：
（1）测试系统的综合COP为2.8,高于规范中规定的空气源热泵冷水机组的COP限定值2.0；COP较为稳定,不会出现较大波动.
（2）机组可独立运行,供热灵活性比较好.一方面,用户可根据需求自行调节,既满足舒适性,又能减少了不必要的浪费；另一方面对于比较偏远的地区可以解决一些集中供热无法覆盖且由供热需求场所的采暖问题.
（3）测试期间,供暖房间的平均温度为17.86℃,并且随室外温度的变化,室内温度在16～18℃内波动,且波动的幅度很小,在农村地区可以满足人们日常的生活需求,热舒适度也有一定的保障,相比于农村地区常用的土暖气和电锅炉供暖都具有明显的优势.
（4）通过增加散热器片数来保证低供回水温度条件下满足室内供暖需求的方式在理论上是可行的.通过对测试数据可以看出,通过增加散热器的片数,直接更换热源就可以满足测试建筑的实际供热需求,这样的方式在农村地区非常的适用,可以在原有末端设备上进行热改造,减小了工程量.
（5）由于北方气温比南方低很多,所以北方用的空气源热泵系统不能按照南方用的设计方案进行设计,必须进行改进,包括优化热力循环,改进压缩机,以及寻找新的制冷剂,都是立足于改进机组本身性能的：例如进行“准二级压缩”,改善喷油喷液系统,以及改善室外机的风冷换热器,这些措施都可以提高热泵系统的运行效率.
6讨论
为了保证空气源热泵—散热器系统在满足要求的前提下,尽可能提高机组COP,并且充分利用用户所拥有的资源,现笔者对系统提出以下改进建议：
（1）与太阳能结合
第一种方式：
根据调查得知,测试对象所在地的居民基本都安装了电热水器或者太阳能热水器.夏季洗澡用太阳能热水器；而冬季洗澡用电热水器,太阳能热水器就闲置了.而且,冬季太阳能热水器制出的热水一般在40℃以上,完全可以成为热泵系统蒸发器的热源.文献[9]提出了一种空气源—水源双热源热泵系统,加以引进的话完全适用于空气源热泵—散热器系统.因此,为了充分提高热泵系统在冬季采暖期间的运行效率,可以将太阳能热水器接入系统中,将系统改为空气源—水源混合热源热泵：在空气源热泵系统室外侧同时安装套管式液—液换热器和翅片管式气—液换热器,通过电磁阀控制制冷剂向两个换热器分液,实现双热源热泵.通过以上模式可以解决在寒冷冬季空气源热泵机组热效率低、甚至不能工作的问题.
经过改进,虽然会使系统复杂,但是能够充分利用太阳能,提高能源利用率,提高机组COP,减少电能消耗,并且充分利用用户内现有资源,是一种比较理想的系统方式.
第二种方式：
在冬季供暖期,可以将太阳能和热泵系统组合起来：太阳充足时,太阳能和热泵同时制取热水,为室内进行供暖；而阴天时,太阳能制取的热水温度不足或者根本不能制取热水时,这是就要完全依靠热泵进行供暖了.这种运行方式,当太阳充足时,由太阳能承担部分热负荷,不仅可以减少热泵运行时间,还可以减少水泵的流量,由于水泵流量和功率是三次方的关系,这样可以减少大量电消耗,而且使水泵经常保持在高效区运行.
但是这个方法的缺陷是需要提供一定的空间来放置蓄水箱和循环泵,这样就对给用户的住宅面积产生一定压力.
（2）改变运行策略,使用电锅炉辅助
虽然可以利用太阳能作为热源,但是在阴天并且室外气温很低时,如果仍然强制运行热泵系统,不仅COP比较低,浪费大量电能,而且不一定会使室内温度达到要求.此时,就应该改变运行策略,根据用户原来实际情况,加入原有的电锅炉进行辅助加热.在室外温度不是很低或者室外阳光充足时,可以只运行热泵系统,用太阳能热水器进行辅助；而在极端天气,先设定一个中间温度,当运行热泵系统将水加热到这个中间时,用电锅炉进行辅助加热,直到达到要求温度.这种运行策略可以保持热泵机组较高的COP,延长机组使用寿命,避免大量消耗无用电能.
（3）合理选择水泵
目前机组的运行存在“小温差大流量”的问题,系统内循环水泵的选型上是不合理的,针对这种情况,对不同用户不能统一配置,需要进行校核计算,合理的选择水泵,进一步提高系统COP,以达到节能目的.
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文/张帅胡文举李德英杨茜王梦圆
作者简介：张帅（1989-）,男,汉族,河北省唐山市人,在读硕士研究生,主要从事供热和建筑节能研究.指导教师：李德英,教授,博士生导师.
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