一 、我国北方地区面临的采暖问题)

一 、我国北方地区面临的采暖问题

环境保护与节约能源正挑战我国的供暖热源。各种传统采暖方式都存在不同的缺陷：
1、燃煤锅炉采暖污染严重，必须改变。
2、集中供热收费制度正在改革，但即使解决了分户计量问题，也还存在着系统网络如何避免水力与热力的失调问题， 除非彻底解决自动化，否则，很难实现用户自主调节使用,并缴纳相应的费用。
3、使用燃气炉采暖，一是用户支出费用高，二是仍存在污染问题。据北京市节能办公室对用这种热源分户采暖的住宅小区进行测试，证明氮氧化物明显超标，甚至还存在安全隐患。
4、直接用电取暖（如：电暖气、电热膜、电锅炉等），由于燃料的利用率太低，运行费用很高，所以，在国标中明确规定一般情况不允许采用[1]。

表一：几种常用能源冬季采暖费用比较

方式
燃料价格
热转化效率
燃料热值
产生1KWH热所需费用
北京地区运行费用
特点

燃煤集中供热
280元吨
55%
5000whkg
0.102元KWH
13.4元m2
污染严重、费用低

燃气
1.7元m3
75%
10500whm3
0.216元KWH
28.5元m2
轻微污染、费用较高

燃油
3000元吨
85%
10500whkg
0.336元KWH
44.3元m2
轻微污染、费用高

电暖气、电热膜
0.4元度
100%
1000wh度
0.4元KWH
52.8元m2
无污染、费用最高

热泵
0.4元度
300%
1000wh度
0.133元KWH
17.6元m2
无污染、费用低


注：根据气象资料，求得北京地区冬季采暖负荷按132KWHm2计算

另一方面，随着人民生活质量的提高，空调制冷的普及率大大提高，如果能创造冷暖合一的人工环境设施，将具有环保、节能的双重意义。

风冷热泵是一种无需水源，只与空气换热的电驱动供冷暖设施。空气随处可得，用之不尽。因此，采用风冷热泵在更广阔的地域供冷暖可以达到保护环境、节约能源、方便管理、安全使用乃至美观的诸多目的，是众人企盼的。

但是，风冷热泵在寒冷地区（采暖设计温度-5～-15℃范围）能否用于采暖？在学术界一直是众人存疑的，为此，必须明确回答以下几个问题，即：

1、什么样的热泵可以在上述气候下运行？
2、在上述的低温天气下，热泵的供热量下降多少？出风或出水的温度最高达到了多少度？其功效比为多少？
3、除霜状况如何？给供热量带来多大影响？
4、与哪种采暖末端结合可以达到供暖的目的？
5、在我国采暖地区使用的经济性如何？及与其他采暖方式的比较。
下面就上述问题加以阐述。

二、 风冷热泵的低温性能

为揭示风冷热泵的低温性能，北京清华索兰环能技术研究所建立了低温模拟实验室，于2001年8月对

以下三种有代表性的热泵机组进行了人工气候下的试验，三种机组是：
A.索兰中低温压缩机的热泵试验机组（以下称A型）
B.某著名公司热泵机组（以下称B型）
C.索兰现产机组（以下称C型）

测试结果摘要于表二

机组类型
A
B
C

额定功率（KW）
8
8
6

模拟外温-6～-8 ℃
出风或出水温度（℃）
33～38

31.5～39.25,42～45

供热量（W）
8000

4326 3756

供热量下降百分数%
0

28 40

耗电量（W）
220v 3122

1219 1388

C.O.P
2.56

3.5 2.58

外温-9～-10℃
出风或出水温度（℃）

28-38
29～33 32～40

供热量（W）

3516
3837 3489

供热量下降百分数%

57
36 42

耗电量（W）

2860
1112 1219

C.O.P

1.23
3.45 2.86

外温-11～-16℃
出风或出水温度（℃）
33～37
41～46 46～48


供热量（W）
7075
4369 3663


供热量下降百分数%
15
45.4 55


耗电量（W）
3089
3300 3480


C.O.P
2.19
1.33 1.05



测试结果说明：
1、 测试的三种风冷热泵在室外温度为-5～-15℃的寒冷天气下，出风或出水温度皆可满足一般房屋供暖要求，尤其是低温地板辐射供暖，前提是机组出力与负荷匹配。即热泵机组选型时需将额定出力比设计负荷选大一些，否则，在出力不足时需加电补热，所选机组扩大的百分数应视地区冬季气候而定。
2、 不同压缩机在相同的蒸发、冷凝温度、压力下（实验中监测温度、压力）表现出的性能不同，即供热量和耗功率不同，A最好，C次之，B较差。说明A更适合北方供暖用，需尽快定型生产。
3、 关于冲霜对供热量的影响：首先，北方地区冬季气候干燥，决定了冲霜问题不严重；其次，不少产品的冲霜过程都有较大的改进，完成动作一次的时间都很短，实验中观察，对于一个惯性较大的供暖水系统 ，水温的变化不大。第三，在外温愈低时，空气中的绝对含湿量愈小，冲霜的时间间隔变得很长。

三、风冷热泵供暖的末端装置

1、 与低温辐射地板相结合

辐射供暖是一种卫生条件与舒适条件都比较高的一种供暖方式，地板辐射供暖比天花板供暖更合理。

由于人体在地板辐射供暖的房间中，能从接触、辐射及对流多方面进行热交换，所以，不少权威性资料指出，在达到人体同等舒适的条件下，室内空气温度可以比设计温度低2-3℃，采暖负荷可降低15%左右，因此它又是一种节能的采暖装置。

此外，它的突出优点是可以也必须利用低品位热媒，并具有较大的蓄热性，在满足舒适性的要求下，其表面温度不得超过24-26℃[2]。这一点为利用风冷热泵采暖提供了可能性。

以北京地区为例，其供暖设计温度为-9℃，住宅连续供暖的热负荷为52Wm2，地板供暖的室内设计温度为16℃，由公式[2]
TEP=Tn+9(q1100)0.909
式中：TEP--地板表面平均温度，℃
Tn--室温，℃
q1--地板向上的散热量，即房间的热负荷Wm2
TEP=16+9(52100)0.909=16+4.96=20.96℃
结果与[2]指出的20.12℃ 相近。根据[2]，有下列热阻值：
① 由加热管道内的水至水泥地板表面的平均热阻为0.0746 m2℃W
② 实木地板层热阻为0.1m2℃W
③ 地板砖层热阻为0.02m2℃W
④ 复合木地板层热阻为0.046m2℃W
⑤ 辐射地板向室内空气的传热热阻为0.107m2℃W。
将上述热阻组合，并以北京地区住宅供暖负荷52Wm2为例进行计算，得出以下结果：
① 采用地板砖的辐射供暖设计水温需25-28℃；
② 采用复合木地板的辐射供暖设计水温需27-30℃；
③ 采用实木地板的辐射供暖设计水温需29-33℃。
考虑到使用的盘管材料壁厚不同等因素，上述温度应适当提高1-2℃。
上述地板中敷射管道直径为Ф1614，间距为150-200mm。
由表二的数据不难看出，在我国北方寒冷地区采用风冷热泵时，以上出水温度皆可满足，并且其功效比皆可在3.0左右，节电60%以上。

2、 与风机盘管相结合：
一般出风温度为38-40℃即可。从实验数据看，风冷热泵在北方大部分地区也是可行的，它的前提也是将机组选型时选大一些（约40%），或采用电补热。

四、风冷热泵供暖的经济性分析

选取北方寒冷地区几个大城市的气象数据，对风冷热泵供暖的成本进行分析如下：
1、 京津地区 北纬39.1-39.95。，采暖室外设计温度-9℃，室内设计温度：地板+16℃，热风+18℃，热泵的性能采用表二中的C组数据，电价0.4元度

末端装置
采暖热负荷Wm2
热泵供热量Wm2
C．O．P
耗电量W 元
电补热W 元
设备投资加大40%时

地板（每米2）
-10℃以下 6708
4024.8
3
1341 0.5366
1.073
0.893

-7～-10℃10404
6762.6
3.2
2113 0.845
1.4566
1.303

-4～-7℃28474
19931.8
3.4
5862 2.345
3.416
3.349

-4℃66904
66904
3.4
19677 7.871
0
7.871

总计
112490
97628.2

28993 11.536
5.9426
13.453



由上可见，若采用电补热，年运行费为17.478元m2，而设备投入加大40%，则年采暖运行费为13.45元m2。

例如，一台8000W热泵机组采用地板采暖，供110平方米，则采暖季的运行费为13.45元m2，而如果选6000W的热泵机组，虽初投资少0.26万，但冬季运行费为17.478元m2，每年要多花443.8元，5年后就不合算了，况且，电补热需加大用户电容量，也是需要考虑的。

当末端采用风机盘管送热风时，则由于出风温度较高，COP下降（参见表二，例如室外温度为-7℃ 时，产

生35℃热水时，热泵C.O.P为3.5，产生45℃ 热水时，热泵C.O.P为2.58），以及采暖负荷较大，两项因素会导致上述费用加大30%-35%。例如北京地区冬季会增加约5元m2运行费。

2、 济南，北纬36.41。，采暖室外设计温度-7℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置
采暖热负荷Wm2
热泵供热量Wm2
C．O．P
耗电量W 元
电补热W元
设备投资加大35%时

地板（每米2）
-7～-10℃ 9258
6018
3.2
1880
0.752
3240
1.296
1.157

-4～-7℃19245
13857
3.4
5660
2.264
5388
2.155
2.264

-4℃62730
62730
3.4
18450
7.38


7.36

总计
87993
82605

25990
10.369

3.451
10.781



如末端采用风机盘管需加大运行费25-30%。

3、 郑州，北纬34.43。，采暖设计外温-5℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置
采暖热负荷Wm2
热泵供热量Wm2
C．O．P
耗电量W 元
电补热W元
设备投资加大35%时

地板（每米2）
-7～-10℃8163
5306
3.2
1.658
0.653
2857
1.422
1.020

-4～-7℃3601
2593
3.4
0.810
0.324
1008
0.403
0.423

-4℃ 65167
65167
3.4
1.9186
7.66


7.66

总计
76931
73066


8.64

1.545

9.109



上表说明在郑州等纬度较低的采暖地区，用电补热的运行费用与加大热泵机组的情况相差不多，例如一台6000W的机组若采用地板供暖+电补热时，可供125米2，每米2的冬季采暖费为10.185元。

4、 兰州，北纬36.03。，采暖室外设计温度-11℃，室内设计温度同京津地区。

末端装置
采暖热负荷Wm2
热泵供热量Wm2
C．O．P
耗电量W 元
电补热W元
设备投资加大35%时

地板（每米2）
-10℃ 17083
10250
3
3416
1.366
6833
2.733
2.277

-7～-10℃41976
27285
3.2
8526 3
3.410
14691
5.876
5.241

-4～-7℃45011
32408
3.4
9531
3.812
13203
5.281
5.295

-4℃58766
58766
3.4
17284
6.943


6.913

总计
163436
128709

38757
15.471
34727
13.89
19.726



由表可见，对于比北京寒冷的兰州地区，用电补热的采暖费用比较高(29.361元m2,较地板高出近10元m2)，不如加大设备。如采用风机盘管,其运行费可能达到26元m2（如用电补则为39元m2）。
综上所述，下表为我国北方几个城市采用风冷热泵采暖的运行费用比较

采暖末端方式
北京、天津
济南
郑州
兰州

地板（大热泵）
13.45元m2
10.78元m2
9.11元m2
19.73元m2

地板+电补
17.48元m2
13.82元m2
10.19元m2
29.36元m2

风机盘管（大热泵）
17.5元m2
13.5元m2
11.4元m2
26.6元m2

风机盘管+电补
22.7元m2
17.3元m2
12.7元m2
39.6元m2


参见表一，北京地区各种采暖方式运行费用总结如下

方式
燃煤
燃气
燃油
电暖气、电热膜
风冷热泵+风盘
风冷热泵+地板

热转化效率
55%
75%
85%
100%
300%
34s0%、采暖负荷降15%

运行费用(元m2)
13.4
28.5
44.3
52.8
17.6
13.45



可见，风冷热泵地板采暖系统是最经济的清洁采暖系统。

五、结论

1、 在黄河流域利用风冷热泵供暖无论从节能、环保、安全、方便使用还是经济上都是合理的。愈是寒冷地区采用适当加大设备配以地板采暖的经济性愈高。

2、 热泵机组的低温性能是有差异的，对于以采暖为主的寒冷地区，应当注意选择。对于性能良好的机组在配地板采暖时，由于出水温度低（25-35℃），冬季大部分时间制热效率高于3.0。

3、 同样的热泵机组，末端分别采用地板采暖和风机盘管时，由于前者可接受的水温较后者低10℃左右，热泵C.O.P将相差20-30%，加上地板采暖2-3℃等效温降，使得两种末端的运行费相差30-35%。愈是寒冷地区愈明显。