中国航空研究院 北京市 100083
摘要：通过北方某工厂供暖系统的改造，对改造工程进行详细计算和分析，比较了实施方案的优劣。
关键词：超低温空气源热泵；北方地区；厂区供暖改造
1.前言
为切实解决北方地区冬季雾霾天气频繁出现的问题，国家于“十三五”规划中提出，“实施以电代煤，以气代煤，率先使用太阳能、地热能、空气能等清洁能源提供供热、供冷服务”。北方地区环境及能源结构的持续变革，减少燃烧物的使用量，避免使用大量可燃物完成厂区供热，降低碳氧化物的排放量，提高空气质量。现行规范对供暖设计仅列出了指导原则，在实际的工程设计中，设计人员很难把握。现结合北方地区某工厂的供暖设计，以期寻找切实有效的改造工程的供暖方式。
2.超低温空气源热泵概念及应用范围
热泵是一种以消耗部分能量作为补偿条件使热量从低温物体转移到高温物件的能量利用装置。热泵空调技术是一种有效的节能手段，可以大大的降低一次能源的消耗。
超低温空气源热泵是以空气作为低品位热源来进行供暖或供热水的装置，也可以进行夏季制冷。当压缩机回气不够时，喷射增焓支路会给压缩机补气，冷凝器的放热量就会提高，保证在极低温度下仍然能正常制热。实现了空气源热泵在寒冷地区供暖的可能。
3.超低温空气源热泵设计的核心问题：
超低温空气源热泵系统的制冷与制热功能是由空调热泵装置、热源侧与使用侧介质输配系统、热源侧取热装置与室内末端装置5个环节共同完成。设计过程中热泵系统改善系统的整体性能的途径：1、超低温热源种类的优化选取；2、驱动能源的合理选取；3、热泵装置的高效化4、（热泵运行时）热用户用热的低温化；5、热泵空调系统的集成化。所以利用优质热源和设计高效率的系统是整体性能提升的关键。
超低温空气源热泵的主要优点在于其热源获取的便利性，只要有适当的安装空间，并且该空间具有良好的获取室外空气的能力，该建筑便具有了安装空气源热泵系统的基本条件。
4.实际工程设计的应用
项目位于陕西省西安市，为某厂基础产品研发条件建设项目。2017年陕西省西安市积极响应国家号召，所有工厂实行煤改电热源改造。本项目冷热源经过详细实地考察，该厂区供电改造简单，厂区四周可提供合适安装空间。故采用独立的2台超低温空气源热泵作为本次改造冷热源，放置生产厂区旁边。夏季冷源由其提供7 C°~12 C°冷水供主要厂房；冬季热源由其提供45 C°~50 C°热水供散热器使用。
4.1项目背景
项目位于陕西省西安市，为某厂基础产品研发条件建设项目。本项目原采用集中供热方式供暖。由厂区热力站提供热源。因环保要求，集中供热不能满足供暖需求，故将原系统热源改造为超低温空气源热泵。
4.2改造方案及设备选型
冬季改造车间末端依旧采用原有光面散热器供暖。由于车间为高大开敞空间，供热指标按照65W/m计算，改造车间厂区面积1043m。热负荷为67.7kW。
夏季改造车间采用一台全新风组合式空调机组，通过风管、风口将处理后的空气送至服务区域。空调机组设置在水暖设备间内。服务区冷负荷114.2Kw。
该改造区域冷热源选择2台超低温空气源热泵机组，冬季提供45C°~50C°热水作为热源（散热器）；夏季提供7C°~12C°冷水作为冷源。
空调水系统采用两管制定流量系统：设置冷水泵一台，放置水暖专用设备间。空调水系统设置蓄能缓冲水箱，与散热器系统共用，该水箱放置屋面。
其余辅房、控制间采用分体热泵空调满足人员舒适度需求。
超低温空气源热泵在北方厂区运用比较
4.3改造方案及设备选型
冬季改造车间末端依旧采用原有光面散热器供暖。由于车间为高大开敞空间，供热指标按照65W/m计算，改造车间厂区面积1043m。热负荷为67.7kW。
夏季改造车间采用一台全新风组合式空调机组，通过风管、风口将处理后的空气送至服务区域。空调机组设置在水暖设备间内。服务区冷负荷114.2Kw。
该改造区域冷热源选择2台超低温空气源热泵机组，冬季提供45C°~50C°热水作为热源（散热器）；夏季提供7C°~12C°冷水作为冷源。
空调水系统采用两管制定流量系统：设置冷水泵一台，放置水暖专用设备间。空调水系统设置蓄能缓冲水箱，与散热器系统共用，该水箱放置屋面。
其余辅房、控制间采用分体热泵空调满足人员舒适度需求。
超低温空气源热泵在北方厂区运用比较
4.4各种新型热源的性能比较
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4.5运行费用综合比较
设定在相同温度条件下对1000KG水进行加热，进水15℃，出水55℃，温升40℃时加热所需热量为40000Kcal。
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超低温空气源热泵其能效比COP在20℃时达到3.7以上，而燃气锅炉机组的热效率最多能达到0.8，一般情况在0.75以下。常规太阳能往往让人误解为零成本运行，而实际上由于阴雨天气和夜晚的影响太阳能是无法全天候工作，北方厂区的实际生产决定需要增加辅助加热，所以运行成本远远超过热泵热水的成本。
4.6工作原理、结构及安全性比较
超低温空气源热泵主要有压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀组成。转的基本原理根据是逆卡诺循环原理，液态介质在蒸发器内吸收空气中的热量汽化，然后经过压缩机压缩成高温高压气体，进入冷凝器内冷凝成液态，把吸收的热量传递给水中，往复循环不断吸收低温热量来加热水，达到设定的温度。空气源热泵产热过程中，无压力、无漏电的危险。
电锅炉，由电加热和相关的电控部件辅以绝缘壳体组成，主要以电加热的形式向外输出热量。安装运行时需注意漏电危险。
燃气锅炉是通过燃烧天然气产生热量，主要部件是燃烧部件和换热器及排烟装置。天然气在使用过程中，有泄漏和爆炸的危险，所以操作和使用过程中，需要有专业化较高的技术人员操作和监管，并且需要在当地的质监局和锅炉检测所进行备案、年检。
4.7环保零污染
空气源热泵和电锅炉主要的能源是用电，用电过程中零排放、零污染、安全可靠，是国建倡导和宣传的清洁能源。用电便利且灵活，可以分布到各个地方
燃气锅炉使用的天然气，在燃烧过程中，烟气排放含有一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物等污染大气的成分，国家现在在使用燃气设备的过程中，都要求降低污染物的排放，尤其氮氧化合物，陕西省在2017年4月1日开始，所有新建的锅炉房氮氧化合物排放必须低于30毫克/立方米。天然气是不可再生能源，输送途径有管道输送和通过汽车运输建站供应。从运输的过程和价格来讲，相对电价要高很多
5.结论
通过对比各种供暖方式所涉及的供暖环节和能耗，结合燃料特点和热源效率，进行综合性评价。超低温空气源热泵在厂区改造中除了能够减少污染物的排放，和其他冷热源比较也有明显优势。设备安装方便，运行费用低，改造过程简单，对其他生产环节影响小。生产间的规律的运行时间及合理的控制策略保证了项目的可行性。