中铁大桥勘测设计院集团有限公司华东分公司设计三所 江苏南京 211800
摘要：本文通过收集农村煤改电后的使用结果，用理论计算分析出现这些问题的原因，提出多种具有改进措施的供暖方案。研究出供暖可采用超低温多联空调系统、超低温空气源热水机组+地暖系统、超低温空气源热水机组+风机盘管系统、超低温空气源热水机组+暖气片系统、超低温空气源热水机组+高温水源热泵+暖气片系统、复叠空气源热泵+暖气片系统、CO2空气源热泵+暖气片系统。不同的系统适用于不同的建筑类型、人们不同的使用习惯。供暖系统尽可能造价低，运行节能，才能更易于推广。
关键词：超低温空气源热水机组；高温水源热泵；复叠空气源热泵 CO2空气源热泵；铸钢暖气片；地暖；风机盘管
引言
随着生活水平提高，人们环保意识逐渐增强，国家开始强制执行北方大城市周边农村供暖改革，提出“要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重”，强制淘汰燃煤供暖锅炉。天然气在供暖高峰期，供应不足，电力相对应的缺口较小，引导电供暖系统的推广相对容易（受天然气气源限制，本文仅对电供暖系统研究，下文不再对燃气供暖方案涉及）。《民用建筑供暖通风与空调工程设计规范》规定除符合下列条件之一外，不得采用电加热供暖：1、供电政策支持。2、无集中供暖或燃气源，且煤或油等燃料的使用受到环保或消防严格限制的建筑。3、以供冷为主，供暖负荷较小且无法利用热泵提供热源的建筑。4、采用蓄热式电散热器、发热电缆在夜间低谷电进行蓄热，且不在用电高峰和平段时间启用的建筑。5、有可再生能源发电设备供电，且其发电量能满足自身电加热量需求的建筑。上述条文严格控制采用电直接加热采暖，促使热泵供暖系统成为最佳选择。
一、北方农村煤改电现况
农村煤改电多采用超低温空气源热泵主机+风机盘管、超低温多联空调+风机盘管或超低温空气源热泵主机+暖气片系统。人们在使用过程中发现，煤改电之后，室内温度升不高，由其在晚上需要增加供热量时，供暖系统供热量严重不足；主机配置偏大，室内温度能够达到预期，运行费非常高，相较燃煤，取暖费贵2-3倍。有大部分人沿用夏季空调使用习惯，睡觉之前把室内温度设置为22℃，等室内温度达到后关掉供暖设备，整个晚上供暖系统处于停运状态。室内温度逐渐降低，凌晨室内温度仅有10℃左右，若室外主机是热水机组，水管有可能冻裂。超低温多联空调+风机盘管系统夜间运行，风机盘管夜间噪音明显，影响舒适感。
二、现行煤改电系统运行分析
2.1以一户为例计算，假设农户住宅面积100m2，户内设计采暖参数20℃，室外空气干球温度-15℃。查《实用供热空调设计手册第二版》，估算建筑总供暖——热负荷Qn.m（W）：
Qn.m=qn.mFt代入数据Qn.m=70*100=7000（W）
严寒区计算结乘以1.05∽1.10的系数Q=1.1*Qn.m=7000*1.1=7700（W）
2.2燃煤锅炉+末端暖气片散热，散热面积计算过程如下：
F=Qβ1β2β3β4/ K/（tpj-tn）（m2）
查《实用供热空调设计手册第二版》，钢柱型散热器长度按大于1000mm，β1取1.0；钢柱型散热器β2取1.0；钢柱型散热器装在罩内、上下部开口，β3取1.04；β4取1.0
钢柱型散热器平均温度tpj=（tsg-tsh）/2 散热器进水温度70℃，散热器出水温度60℃
tpj=（70+60）/2=65（℃）
查厂家传热系数K=10.41 W/（㎡•K）
F=7000*1.0*1.0*1.04*1.0/（65-20）/10.41=15.54（m2）
2.3超低温热水机组+末端暖气片散热，散热面积计算过程如下：
F=Qβ1β2β3β4/ K/（tpj-tn）（m2）
查《实用供热空调设计手册第二版》，钢柱型散热器长度按大于1000mm，β1取1.0；钢柱型散热器β2取1.0；钢柱型散热器装在罩内、上下部开口，β3取1.04；β4取1.0
钢柱型散热器平均温度tpj=（tsg-tsh）/2 散热器进水温度50℃，散热器出水温度45℃
tpj=（50+45）/2=47.5（℃）
查厂家传热系数K=10.41 W/（㎡•K）
F=7000*1.0*1.0*1.04*1.0/（47.5-20）/10.41=25.43（m2）
2.3室内末端暖气片数量不变，超低温热水机组+末端暖气片散热系统供热量计算如下：
Q= F K（tpj-tn）/（β1β2β3β4） 相应参数与上述部分相同，代入数据
Q=15.54*10.41*（47.5-20）/（1.0*1.0*1.04*1.0）=4277.6（W）
3.4 数据分析
改变供水温度，达到同样换热量，面积需要增加量为φ1=（25.43-15.54）/15.54=63.6%
改变供水温度，散热器面积不变，供暖量减小φ2=（7700-4277.6）/7700=44.4%
通过上述计算，得出如下结论：
室内散热末端不变，降低供暖系统供水温度，供热量减小；降低供暖系统供水温度，为保证达室内空气达到改变水温前室内温度，需要增加换热面积。
超低温热水机组标准工况下供水水温最高为50℃，供水水温低造成超低温空气源热泵主机+暖气片系统在不增加室暖气片面积，室内温度无法达到20℃。超低温热水机组再提高供水水温，机组会出现高温报警、停止运行、压缩机使用寿命缩短。
室外温度为-15℃，超低温冷水机组供热量为标注工况下的67%（不同厂家有不同的衰减量），设计阶段为保证此室内20℃，供热量与耗热量相等，必须加大主机配置，弥补不足热量。主机配置加大，其配电功率加大；室外温度越低，主机供热系数越低。两个因素同时作用，造成夜间供热工况下，运行费偏高。
三、煤改电供暖方案
3.1超低温多联空调系统
系统构成如下图所示：
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超低温多联空调系统图
此系统设备仅有室外机主机、室内机和联室内外机的铜管、控制线路，设备少，造价就会减少。室外干空气温度-15℃，室内干空气温度20℃，机组制热系EER=3.1。
系统优点：制热系数高，运行节能；管道内充注冷媒R410a、R22或R134a，室外温度低于冰点时，冷媒不会冻结，系统不用考虑冻裂危险；系统不需要定压；设备或管道出现缝隙，冷媒泄露不会污染装修材料，不影响美观。
系统缺点：室内机内风机运行时产生噪声，影响舒适性；室外机除霜阶段，室内机无法供暖，除霜次数越多，不能供暖时间越长，影响舒适性；冷媒泄露，无法第一时间发现，一旦达到影响供暖效果，冷媒泄漏量已经非常大，对于混合冷媒必需对系统抽真空后才能重新加注冷媒；系统泄露，漏点难以查找。
3.2超低温空气源热水机组+地暖系统
系统构成如下图所示：
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超低温空气源热水机组+地暖系统图
此系统由超低温空气源热水机组、地埋管、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。热水（最高水温50℃）由超低温空气源热水机组制取，净循环水泵加压输送到室内集、分水器，再分别输送到每个房间。地暖供热方式，大部分热以辐射方式加热室内壁面，剩下热量以对流换热加热室内空气。人体热量散失大部分以辐射方式散出，小部分以对流方式散发。人员与室内避免温度差越小，人体表面与墙壁辐射换热就越小，人体散失热量就越小，主管感觉暖和。超低温空气源热水机组在室外干空气温度-15℃，室内干空气温度20℃，机组制热系EER=2.1。仍以前文住宅为例，供暖量7700W，循环水泵流量G=Q*0.86/（tsg-tsh）tsg=50℃，tsh=45℃ 带入数据G=7700*0.86（50-45）=1.32 m3/h
水泵扬程H=（30*1000+40*1000）*1.1/1000=7.7m N=G*H/367.3/η1 带入数据求得水泵功率N=0.035kW
系统制热系数EER=Q/P=Q/（P1+ P2）=7.7/（0.035+7.7/2.1）=2.08
此种煤改电系统对既有房屋改造，需全部凿掉地面，敷设地暖系统。工程施工阶段，整个房屋在施工和保养阶段无法使用。对于只有一套房屋的农户而言，地暖方案不可行；新建建筑，地面为铺设装修材料，地暖方案最佳。
（1）系统优点：室内舒适新高；水系统中的水、地面材料蓄热量大，室外机除霜几乎对室内温度不产生影响。
（2）系统缺点：工程造价高；室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数不高。
3.3超低温空气源热水机组+风机盘管系统
系统构成如下图所示：
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超低温空气源热水机组+风机盘管系统图
此系统由超低温空气源热水机组、风机盘管、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。热水（最高水温50℃）由超低温空气源热水机组制取，净循环水泵加压输送到每个房间的风机盘管。系统设备仅有末端与4.2系统不同，运行采暖系统几乎相同EER=2.08
（1）系统优点：水系统中的水蓄热量较大，室外机除霜会对室内温度产生轻微影响。
（2）系统缺点：室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数不高。
3.4超低温空气源热水机组+暖气片系统
系统构成如下图所示：
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超低温空气源热水机组+暖气片系统图
此系统由超低温空气源热水机组、暖气片、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。热水（最高水温50℃）由超低温空气源热水机组制取，净循环水泵加压输送到每个房间的风机盘管。前文计算得出结论，对于以后房间改造，供水温降低，必须大规模增加室内暖气片，需破坏装修布局，影响使用。运行采暖系统几乎与4.2、4.3系统相同EER=2.08。
（1）系统优点：水系统中的水蓄热量较大，室外机除霜会对室内温度产生轻微影响；系统运行，室内无噪音。
（2）系统缺点：室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数不高；对已有房屋改造破坏装修，影响使用。
3.5超低温空气源热水机组+高温水源热泵+暖气片系统
系统构成如下图所示：
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超低温空气源热水机组+高温水源热泵+暖气片系统
此系统由超低温空气源热水机组、高温水源热泵、暖气片、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。超低温空气源热水机组提供35℃热水作为高温水源热泵热源侧一次水，高温水源热泵做功后将二次侧水温升至70℃。循环水泵分为一次侧和二次侧泵。一次泵循环超低温空气源热水机组、高温水源热泵之间的一次侧水；二次泵循环高温水源热泵、暖气片之间的二次侧水。
超低温空气源热水机组在室外干空气温度-15℃，一次侧热水38℃，机组制热系EER=3.1；高温水源热泵热源侧水温38℃，供热水温70℃，机组制热系EER=3.4。仍以前文住宅为例，供暖量7700W。
一次侧循环水泵流量G1=Q*0.86/（tsg1-tsh1） tsg=38℃，tsh=33℃ 带入数据G=（7700-7700/3.4）*0.86/（38-33）=0.94 m3/h
二次侧循环水泵流量G2=Q*0.86/（tsg1-tsh1） tsg=70℃，tsh=65℃ 带入数据G=7700*0.86/（70-65）=1.32 m3/h
一次侧循水泵扬程H1=（20*1000+40*1000）*1.1/1000=6.6m N1=G1*H/367.3/η1 带入数据求得水泵功率N1=0.025（kW）
二次侧循水泵扬程H2=（20*1000+40*1000）*1.1/1000=6.6m N2= G2*H/367.3/η2 带入数据求得水泵功率N2=0.0395（kW）
系统制热系数EER=Q/（P1+ P2+ P3+ P4）=7.7/［（7.7-7.7/3.4）/3.1+7.7/3.4+0.0395+0.025）］=1.89
超低温空气源热水机组、高温水源热泵及循环水泵安装于室外，农户院落可随处布置。水系统供水水温与燃煤锅炉系统一致，户内管道及暖气片无需拆改，系统改造不影响室内使用。
（1）系统优点：水系统中的水蓄热量较大，室外机除霜会对室内温度产生轻微影响；无需拆改室内管路、设备；系统运行，室内无噪音；热舒适性高。
（2）系统缺点：室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数非常低，运行不节能。
3.6复叠空气源热泵+暖气片系统
系统构成如下图所示：
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超低温空气源热水机组+高温水源热泵+暖气片系统图
此系统由复叠空气源热泵、暖气片、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。复叠式空气源热泵机组工质系统分为低温级循环系统和高温级循环系统，低温级液态工质首先在翅片换热器内吸收空气中的热量而蒸发变成低温低压气体，低压气体经低温级压缩机压缩成中温中压压气体，进入中间换热器内冷凝成液态放出热量，液态工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到翅片换热器内，再次吸收蒸发热量而完成一个低温循环；与此同时高温级液态工质在中间换热器内吸收低温级传输的热量蒸发变成中温低压气体，低压气体经低温级压缩机压缩成中温中压气体，中温中压气体经高温级压缩机压缩成高温高压压气体，进入热水换热器内冷凝成液态放出热量制出高温热水，液态高温工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到中间换热器内，再次吸收蒸发热量而完成一个低温循环；通过往复循环，实现低环境温度下制取高温热水效果。循环水泵为水系统提供动力，将机组制取的热量输送至室内暖气片。室外干空气温度-15℃，机组供热水70℃，机组制热系EER=2.26。
此系统供水水温与燃煤锅炉系统一致，户内管道及暖气片无需拆改，系统改造不影响室内使用。
（1）系统优点：水系统中的水蓄热量较大，室外机除霜会对室内温度产生轻微影响；无需拆改室内管路、设备；系统运行，室内无噪音；热舒适性高。
（2）系统缺点：室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数较高。
3.7 CO2空气源热泵+暖气片系统
系统构成如上图4.6超低温空气源热水机组+高温水源热泵+暖气片系统图所示（复叠空气源热泵更换为CO2空气源热泵）。此系统由CO2空气源热泵、暖气片、循环水泵、定压补水箱及输送水管组成。CO2空气源热泵制热工质是CO2，机组可以制备高温热水。循环水泵为水系统提供动力，将机组制取的热量输送至室内暖气片。室外干空气温度-15℃，机组供热水70℃，机组制热系EER=1.66。此系统供水水温与燃煤锅炉系统一致，户内管道及暖气片无需拆改，系统改造不影响室内使用。
（1）系统优点：水系统中的水蓄热量较大，室外机除霜会对室内温度产生轻微影响；无需拆改室内管路、设备；系统运行，室内无噪音；热舒适性高。
（2）系统缺点：室外机制热效率受外界温度影响大；水系统需要定压、水处理；室外管道容易冻裂；系统制热系数非常低。
四、结论
1.煤改电方案有多种组合，无需局限于一种采暖方式，应根据不同的地方不同的工程进行实际考察确定。
2.随着新设备、新材料的研究深入，主机的能效比逐步增加，供暖运行费用也将逐步降低。
3.对于既有农户煤改电项目，应采用减少造价、降低运行费用、减少对室内部分改造为原则，选用适用方案。
4.对于新建农户住宅项目，超低温空气源热泵+地暖方案的节能及运行费最经济，宜大力推广。
5.超低温多联空调系统适用范围最广，运行费最低。若对住户对噪声不敏感，最应推广。
参考文献：
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