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空气源热泵供暖 一种新型的适合家庭住宅建筑的节能供暖产品

来源:广东热立方热泵系统有限公司   发布时间:2015-08-18   点击率:2332

        【前言】 如何度过漫漫冬季,如何解决冬季采暖问题至关重要,尤其是我们北方地区。北京地处我国华北平原向蒙古高原的演变过渡台阶,属于温带半干旱半湿润干燥气候区,年平均气温13℃,一月份最冷,平均气温-3.7℃;七月最热,平均气温为25.2℃。对于大多数的北京平房区居民来说,冬天一般以煤炭作燃料,用煤炉子取暖。这种取暖方式不仅消耗了大量的煤炭,而且它的燃烧效率极低,其排放出来有污染大气的二氧化硫、不完全燃烧产生一氧化碳气体以及二氧化碳。

         由于平房区居民平房烧煤的烟囱一般很低,属于低空排放,这样燃烧出来的气体无法扩散,因此对大气造成严重污染。近几年谈论的雾霾问题,其中冬季煤炉取暖是大气污染的一个重要污染源。因此根治大气污染是摆在北京市政府面前的亟需解决的问题。

        为了响应北京煤改电政策,满足京郊农村不同地区居民的采暖需求,根据相关要求,市政府区政府推选出众多节能、环保产品的供广大用户选择, 产品种类主要有2类:

        第1类: 直接用电发热的电采暖设备如蓄热式电暖器!

        第2类: 消耗少量电能从大气搬运热量到室内的空气源热泵!

        本篇以问答的形式,就空气源热泵向广大消费者作一个比较详细的介绍, 本篇确保所引用的理论和数据是准确可靠的,但因为知识的浩瀚及应用的复杂性,难免存在疏漏,不足之处, 请大家凉解! 

        问题1: 什么是”热泵”?

        热泵是一种消耗少量电能,把热量从一个空间”搬”到另一个空间的机器,如下图,由于热量,从高温区到低温,是可以自然传递的,因此,大部分热泵的功能都是热量从低温区搬道高温区!


从原理上说,生活中常见的冰箱也是一种热泵,夏天冰箱里面是4-7度,外面是30-35度,当我们把一盘热菜放进冰箱时,里面的热量散发到冰箱里面的冷空气中,冰箱里面的机器开始工作,把里面冷空气里面的热量搬到外面的空气里面来,这样不断的工作,冰箱里面才能维持一个恒定的温度,当我们用手摸冰箱的侧面或后面时,会有点微微的热, 这就是冰箱在进行热量的搬运!实际应用中,为了和我们对冷热的直观感觉相一致, 我们把这种为了得到”冷”的热泵叫做: 冰箱、空调、制冰机、冷库, 而把为了得到”热”的热泵,真正的叫“热泵”, 如空气源热泵、水源热泵、地源热泵、污水源热泵,但人们也更乐意给一些热泵产品取些通俗的“小名”,如制取热水的空气源热泵,大家更乐于称之为”空气能热水器”! 

        问题2: 什么是”空气源热泵”?

        请大家注意这个“源”字,热泵要从把热量一个低温的地方搬到高温的地方,因为是从低温的地方搬出来,就把这个有热量的低温区叫做”源”,所以,大家很容易明白,从空气中搬热量的设备就叫空气源热泵,从水里面搬热量的设备就叫水源热泵,从地下土壤里面搬热源的热泵就叫地源热泵,下图是空气源热泵的原理图:

主要的零部件有:压缩机、水泵、蒸发器、冷凝器、电子膨胀阀、控制系统;当空气流过蒸发器的时候,把热量交给蒸发器,空气的温度就变得更低了,因此温度低过5度的时候,空气里面的水蒸气把热量交给蒸发器后,就会在蒸发器表面结霜;蒸发器接到热量后,通过压缩机,把热量传递给冷凝器,在这个传递的过程中,压缩机就要消耗电力!冷凝器再把热量交给水,水泵把热水送到房间的地暖管里,把热量散发到房间,就完成了热量从室外空气中搬到房间的整个过程!

        别忘了,除了从空气中搬运的热,搬运过程中所消耗的电力也会转变成热,所以,我们的房间是得到了2份热的: 一份来自空气,一分来自电力,这就是空气源热泵制取热量时,效率高的秘密,我们把(获得总热量:消耗的总电力)叫做能效比,简写为COP,这是一个非常重要的参数,下面的介绍中会用到!

        问题3: 冬天外面的空气很冷,甚至零下25度,空气里面还有热量取吗?外面空气温度对空气源热泵制取热量有多大的影响?

大家很容易接受,在夏天空气里面是富含热量的,其实,一年四季,空气中都是蕴藏大量热量的,即使在冬天,太阳的热量、汽车发动机的热量、包括我们房间的热量,最后都是散发到空气里面去了,所以大气是能量的聚集场,只是因为自然的原因,冬天太阳离我们更远,所以气温变低了!在零下25度的天气里,把这些空气冷却到零下30度,我们还是可以提取空气中的热量的,只是温度越低,我们提取热量的难度就越大了! 在一定范围里面,温度每下降1度,提取同样的热量我们就要多花3%~10%左右的电力,因此对空气源热泵,提高低环境温度下的能效比就显得非常重要,到了空气温度低于零下25度的时候,提取热量太困难,也就没有实际意义了!当然,随着技术的进步,我们仍然有可能从更低的空气中提取热量。

        问题4:冬天地下水及地下土壤里面的温度比零度要高,常冒热气,说明水源热泵和地源热泵提取热量更容易,为什么还要用空气源热泵?

确实,20年前热泵进入供暖领域的时候,几乎都是水源热泵和地源热泵,原因就是水源和地源温度相对比较高,但20几年应用下来,水源热泵和地源热也暴露出越来越多的缺点,归纳起来有如下几点:

        1)受地下水文地质的状况限制,如水源水质、水位、水量、流向的变化;

        2)地下土壤结构:含水量、岩石层等的影响;

        3)连续几年从地下取热后,因为土壤是不流动的,取热越来越难导致系统失效;

        4)污染水资源;

        5)初投入成本较高。

        因此人们把目光重新转向空气源热泵!

       大气作为热源,冬季虽然有温度的变化,但是,有如下几个优点:

        1)大气工况,科学上研究得很透彻,“看得见,摸得着”,没有技术上的盲点;

        2)大气是能量的聚集场,即使温度很低,仍富含热能;

        3)大气是流动的,“取完”可以即刻补充,因此每一年的性能是稳定的;

        4)大气无处不在,从大气中取热,几乎不受环境的限制;

        5)我们从大气中取热,本质上是临时“借用”,这些热最后要还回到大气中去,因此对”源”几乎没有影响;

        6)在大部分地区,低于-15度以下的时间是非常短暂的,北京一月份最冷,平均气温-3.7℃,白天大部分时间零度以上,因此可以充分利用好的气候条件,储备更多的热量。

        因此,近10年来,技术上一直没有放弃对空气源热泵的研究! 

        问题5:空气源热泵在哪些技术上取得了重大进展,使得可以进入家庭的使用?

空气源热泵技术的核心在于:

        1)在低的空气温度下,要有高的制热能效比,因为整个冬季空气的温度在变,因此机器的能效比也是在变的,因此,专家们总结出一个能代表整个冬季采暖的能效比: 季节能效比,简写为SCOP,只有SCOP〉2.5的产品才是真正具有节能意义的,否则,能效比不高就意义不大了!

         2) 产品的稳定性要高,因为空气源热泵的使用环境非常恶劣,要考虑到大风大雪冻雨等恶劣天气的影响,还要考虑停电缺水等偶然因素,因此设计上、零部件的可靠性等问题上,要经历产久的考验和经验的累积。

         有几项技术的发展促进了空器源热泵进入家庭供暖:

        1)地暖技术,地暖技术使得我们不需要高温热水来采暖,30-40度左右的水温就足够了,这为空气源热泵开了方便之门;目前也有些空气源热泵供60度的热水来带暖气片,这样的使用,直接影响到的就是能效比,甚至于影响到机器的寿命;

        2)变频技术:变频技术不但提高了机器的效率,更主要的是提高了机器的稳定性, 和可靠性,采用变频技术的热泵机组,可以根据室内需要热量的多少和室外空气温度的变化,来自动调整机器的出力,令到设备在整个冬季有更高的季节能效比,采用变频技术空气源热泵的SCOP可以做到3.0以上;

        3)喷气增焓技术(简称EVI技术),这是一种提高低空气温度下,吸热效率和吸热量的制冷循环系统技术,如下图,为了通俗的解释EVI技术, 我们用个类比:一个人要爬山,当山不是很高的时候,一个人很容易完成来回,当山越来越高时,他携带的干粮有限,就完不成一个来回,于是他请了另外一个人背着干粮一起爬,爬到半中间时,这个人把干粮交给他后立即返回,他则带着新添的干粮登到山顶再返回。因此,采用EVI技术的热泵,可以得到更高温度的热水!


        4)智能除霜技术: 在第2条中我们讲过,当室外空气温度低到5度左右的时候,蒸发器从空气中吸热,空气中的水就会在蒸发气的表面结霜,就像夜里气温下降,地上草的表面会结霜一样,如下图,霜结到一定厚度,就会影响空气和蒸发器的热交换,就要想办法除霜,这个办法,就是智能除霜技术。理想的情况下,有霜才除,但机器毕竟没有人的眼睛,都是靠各种间接办法进行判断,有经验的热泵厂商,如“热立方”他们的产品长期出口到欧洲,欧洲冬季比北京更潮湿,更易结霜,因此他们积累了丰富的智能除霜经验!


        上述四大技术,使得空气源热泵,在低环温下的制热能力大大提升,产品的性能和稳定性都达到了进了家庭使用的技术水准,又因其不受安装环境的限制(通风就好),安装维护简单方便,因此政府在减煤换煤的蓝天计划中,将其列入重点推广产品。

        问题6:空气源热泵有哪些分类? 作为消费者如何选择空气源热泵?

        空气源热从结构上可分为: 分体式空气源热泵,及一体式空气源热泵。

        如下图,是分体式空气源热泵:



        分体式空气源热泵分为室内机和室外机,内外机之间用冷媒管联接,和水接触的部件全部放在室内,这样做的好处是:

        1)因为和水接触的部件都在室内,当遭遇偶发性停电时,不用担心水系统会冻坏,天然具备很好的防冻能力;

        2)因为分为二个部分,产品的重量轻了,非常方便搬运和安装;

        3)因为分为二个部分,室外机可以做的比较大,风道可以做的更宽,因此噪音更低;

         一体式空气能热泵如下图:


 

         一体式空气能热泵将和水接触的零部件也放到室外,这样的好处是,机器安装时只要连接水管就好了,但缺点也很明显,主要表现在:

        1) 因为水部件放在室外,因此系统中要填加防冻液,每年也要补充部分防冻液,影响热交换效率;如不加防冻液,遇到偶发性停电,水部件很易冻裂;

        2)整机很重,搬运调装很不方便;因为合二为一,机器风道受限制,普遍噪音比较大;

        因此,消费者应尽可能选择分体式的空气源热泵!

        问题7: 作为消费者, 如何使用空气源热泵才能更加节能? 

前面讲过,要想节能,就要设法降低空气源热泵的供水温度,因此,除了空气源热泵主机要尽量选择季节能效比Scop高的产品外,如何选择室内的采暖方式也非常重要,综合起来,室内采暖有三种方式: 地板采暖,风机盘管采暖,散热器采暖。

        如下图, 是几种形式的地板采暖:


        选用地暖的原则是:底下的保温板要足购厚,标准要求是20mm以上,保温板的导热系数要小,地暖的管间距尽可能密,如用20管,管间距要小于200mm,用16管,则管间距小于150mm,近几年地暖技术的发展很快,所有地暖技术的目的都是相同的:那就是在更低的水温下把更多的热量散发到房间里!因为地暖的这种特征,在空气源热泵供暖中,地暖是和空气源热泵配套的第一选择!

如下图,是几种室内采暖用的风机盘管,风机盘管是一种借助风的作用,把热散发到房间的设备,因为有风吹出来,吹出来的风的温度要在35度以上,才不会有吹冷风的感觉,因此,热泵的供水温度要在45度左右,比配地暖的水温要高5-10度,这会降低热泵工作时的能效比!尽管如此,风盘供暖有一个好处,就是升温的速度很快,用户很快就能感觉到热气吹出来,而且,当这个房间不用时,关闭风盘不会余留很多热量在房间里浪费掉,如果是带地暖的房间,当不用时把地暖关掉,地层里仍积存了大量的热量,因此,不常用的房间用风盘供暖也是可取的! 风盘是和空气源热泵配套的第二选择,是补充方案!  

        下图是几种散热器,散热器因为散热面积小,而且没有风的作用,因此一般都要供高温热水,才能将足购的热量散发的房间!前面说过,热泵供高温热水,不但效率会降低,而且会影响热泵的寿命和可靠性,因此一般不建议用热泵来配散热器使用,特殊情况需要这样搭配的,应该做好如下几点:

        1) 做好房屋的保温,包括外墙,门窗,以降低房间需要的热量;

        2) 尽可能选用更大散热面积的散热器,如无法改变散热器的种类,则应该增加散热器的数量;

        问题8:空气源热泵,除了供暖,还能做中央空调制冷吗?冬季家里没人时,空气源热泵该如何防冻?

是的,大部分空气源热泵除了供暖,都是可以制冷的! 有些空气源热泵为了不让客户误操作,只设置了供暖的功能!做冷暖的空气源热泵和单做供暖的空气源热泵,在设计和做工上还是有些区别,因此选用空气源热泵时,应把要求仔细和设备生产商表达清楚!

        空气源热泵一般都设置了自动防冻功能,如果冬天家里长时间没人(指1周或更长时间),不要把空气源热泵的电源断掉,这样,当热泵感应到温度很低时,会自动启动防冻保护!

问题9: 使用空气源热泵的采暖费用大约是多少? 

 按照目前北京使用的结果统计,大部分家庭的年度采暖费用,在15元/平米-25元/平米之间,采暖费用取决于如下几个方面:

        1)房屋的保温情况,特别是外墙保温及门窗,保温越好,费用越低;

        2)选用的空气源热泵的季节能效比scop,scop越高,费用越低;

        3)选用的室内采暖方式,一般来说,同等条件下,采用地板采暖的费用最低,热泵配风盘采暖次之,热泵配散热器采暖费用最高;

        4)用户的使用方式,如用户可以在晚上调低温度以节能,如有峰谷电价,则可在晚上多蓄热来节约费用,天气转暖的时候,调低热泵的出水温度也可节能,如可选用按室外温度自动调整水温的空气源热泵来节能!

       因此,降低采暖费用,不能仅考虑空气源热泵这一个因素,而应以热泵为核心,系统全面地考虑各个因素,从这个角度说,系统的设计和施工质量及为重要!

        问题10: 可否总结一下空气源热泵采暖和电采暖、太阳能采暖相比的特点?

        有一句话,很适合各位用户在选择各种采暖系统思考:只有最合适的,没有最好的!这句话的意思是: 只有充分考虑了人的因素和建筑物的特征,采能设计出最合适的采暖系。以下仅就技术角度把几种采暖系统的特点略做说明,供大家参考:

       1)空气源热泵采暖系统:节能、可控、可靠、初投资略高,做长远考虑时,最值得推荐;

       2)电采暖系统:方便简单,响应快,但不节能,因为电的发热是1:1,因此适合于启停频繁的房间,或使用时间较短的场所;

      3)太阳能采暖:因为夜晚和阴雨天,因此不建议以太阳能作为独立的供暖系统,也就是说,太阳能可以考虑做辅助供暖;

        总结: 空气源热泵因其高的能效比、对安装环境无特别要求、安装便利、操控性好,越来越得到用户的喜爱,随着建筑节能技术和热泵技术的进一步发展,空气源热泵供暖应用会越来越广!

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