节能供暖系统：空气源热泵-水地暖系统

空气源热泵在我国寒冷地区和夏热冬冷地区许多工程中的应用实践表明：该设备在冬季可提供50℃左右的低温热水，节能效果非常明显。  　　空气源热泵之所以节能，是因为它可以从室外空气中获取大量大自然的免费能源，并通过电能将其转移到室内。其节能原理是：使用1度的电能，可以同时从室外空气中获取2倍以上免费的空气能，能产生3倍以上的热能，使用效率可以达到3倍以上。目前，空气源热泵技术在国内有了新的进展———高压腔直流变速压缩机或喷气增焓技术在该设备中得到了成功的应用。这种技术的应用使空气源热泵的运行范围扩大到－20℃。2000年以来，随着热泵技术的成熟，欧洲诸国出现了将热泵技术应用于低温热水地面辐射供暖（以下简称“水地暖”）系统的热潮，至今已经销售出了几十万套。欧洲EN14511标准就是在这种情况下出台的。   　　目前，水地暖技术也取得了新的进展：散热效率提高，热媒水温可低于50℃，进回水温差可控制在5℃；升温响应时间快，只需30分钟～40分钟，可控性高。其中预制沟槽薄型水地暖系统的进水温度可控制在35℃，回水温度可控制在31.12℃。在空气基准温度为20℃的条件下，实验室检测散热量值可达每平方米100瓦。通过缩小加热管管径，增大加热管网敷设密度，以大流量、小温差、低水温进行辐射供暖，该系统的供暖效果更好。测试数据表明：末端温度越低，系统效率越高———每降低1度，效率提高0.5%。因此，用该系统与空气源热泵组成供暖系统，是确保该供暖技术节能能效比高的关键因素。太阳能热水技术在国内外也取得了新的进展，热效率比过去有了大幅提高。过去，空气源热泵、水地暖系统、太阳能热利用系统通常各自在建筑中发挥节能作用，互不关联，未能发挥综合效益。现在可以把上述系统有机结合起来，优化组合成一个新的建筑采暖（生活热水）系统，形成新的建筑节能系统。   　　调研发现，空气源热泵-太阳能设备-水地暖系统运行状况良好   　　从2011年初开始，北京市建设工程物资协会组织大专院校、设计科研单位、企业等共同完成了由住房和城乡建设部立项的“空气源热泵、太阳能与低温热水地暖组合建筑采暖系统的节能能效研究”科技项目，并于2012年11月26日通过了成果验收。该课题完成了空气源热泵、太阳能与水地暖及生活热水的不同组合系统技术的优化设计与示范，并在多个工程项目中得到推广与应用。其中，在北京、秦皇岛、青岛、上海、重庆和长沙等地的房屋建筑（八项工程）中进行了重点测试，得出了华北、华东、华中等寒冷和冬冷夏热地区的建筑采暖与供热能效数据。空气源热泵与水地暖的组合系统能效比（COP）均超过3.0，具有运行能效高、运行费低的特点。这种系统完全可以满足华北及周边寒冷地区，以及华中、华东等冬冷夏热地区冬季采暖的需求。   　　我们对住宅建筑中不同供热方式模拟计算及测试的结果发现，不同供热方式的一次能源消耗量排序如下：燃煤热电联产供热方式<低温空气源热泵供热方式<燃气壁挂炉供热方式<大型燃煤锅炉供热方式<区域燃煤锅炉供热方式<直接电采暖供热方式。该课题示范项目测试结果显示：在华北地区北部，2011年～2012年采暖季期间，1月份室外平均温度是-4℃，最低温度是-17℃，采暖室内平均温度保持在18℃；凡达到50%节能设计标准的建筑，冬季采暖和生活热水使用空气源热泵和太阳能的费用为每平方米13元～15元左右；使用空气源热泵的为每平方米18元～20元，低于其它采暖方式的运行费用。   　　课题组在北京跟踪、测试了十多个项目，上述系统的运行状况都比较理想。其中北京城区南四环的鸿博家园小区测试项目，2011年～2012年采暖季期间的测试情况如下：室外最低温度为-9.8℃，最冷日平均温度为-4℃，最冷月平均温度为-2.52℃，室内整个冬季平均温度保持在20℃～22℃，水地暖供水温度为35℃。按采暖季125天、每户建筑面积平均82平方米计算，采暖总耗电量不超过2000度,每平方米约为33 度。空气源热泵能效比在3.2以上。采暖季电费为每平方米15元左右，低于同期同户型壁挂炉加散热器的采暖运行费用。 　　北京郊区的几个测试项目的情况如下：在室外温度最低的一个别墅项目中，冬季室外平均温度为-6.2℃，最低温度为-18.8℃。室内平均温度保持在20℃，空气源热泵的COP值仍可达到3.0以上。冬季取暖和生活热水所用电费为每平方米19.7元，低于北京市燃气锅炉采暖费。在北京郊区农村新建和旧房改造项目中，采用空气源热泵、太阳能复合热源作为冬季水地暖系统和生活热水的热源，也取得了很好的效果。其中，房山区西白岱村项目的测试数据为：2011年～2012年采暖季期间，1月份室外平均温度为-4℃，最低温度为-17℃，室内平均温度保持在18℃。 　　系统采暖和生活热水总制热量为16960千瓦，总耗电量为5367 度，制热能效比为3.16。其中冬季太阳能制热贡献率占总制热量约30%。如果在太阳能集热器主动式采暖的同时，从结构设计上增加房屋太阳能被动式采暖技术设施，如加大向阳窗采光面积，安装日落后使用的保暖窗帘（挡板），并使用蓄热材料，太阳能的采暖贡献率可超过40%。农村凡达到50%节能设计标准的房屋，冬季采暖和生活热水使用空气源热泵加太阳能的费用为每平方米13元～15元；仅使用空气源热泵的费用为每平方米18元～20元。  　　空气源热泵-太阳能设备-水地暖系统有助于落实国家节能减排目标   　　我国北方寒冷地区，冬季太阳光照资源较丰富。依靠目前的技术，太阳能主要用于生活热水，还不能单独解决采暖问题。采用太阳能和电锅炉辅助采暖，实际上还是以耗电为主。采用太阳能和空气源复合热源解决冬季采暖和生活热水供应，则是一个节能减排的好举措。尤其是在没有集中供热设施及燃气管网的郊区村镇，使用这一技术的初投资虽然较大，但运行费用很低，几年内即可收回成本。若考虑该系统可兼顾夏季制冷的特性，其综合性价比的优势则更为明显。   　　通过对住宅建筑不同供热系统的二氧化碳排放量计算，结果显示：空气源热泵是几种供热系统中二氧化碳排放量最低的供热系统之一。目前我国相当多的中小城市、村镇解决采暖和生活热水的手段仍以燃煤为主。显然，这种手段污染比较严重。 　　因此，空气源热泵若能在国内有条件的地区推广，将会大大减少二氧化碳的排放量，为我国 “节能减排”的战略目标的实施作出重要贡献。以北京郊区农村为例，据近年京郊新农村规划调查中统计，京郊农村一个采暖季需用煤347万吨；排放900万吨二氧化碳、8675吨二氧化硫、8443吨煤烟粉尘。如果一个农村家庭安装一套空气源热泵（太阳能）三联供系统，就能解决3口～5口之家一年正常的生活取暖和热水需求。这样，每年可节约燃煤3吨左右；节电230 度，节省费用2500元，并减少二氧化碳排放量5～8吨、减少烟粉尘排放72公斤、减少二氧化硫排放75公斤。 　　京郊110万户需要节能改造的农村住宅中，若有1/3的住宅采用这项供热技术，即可减少排放二氧化碳296万吨、二氧化硫2775吨、烟粉尘2664吨。显然，这将在北京市落实“蓝天工程”的目标中发挥重要作用。   　　目前，该项采暖技术已在北京及周边地区的民用建筑项目中得到应用。《住宅户式空气源热泵和太阳能生活热水系统技术导则》（以下简称《导则》）也已经编制完毕。《导则》提供了该系统的性能参数、应用条件、该系统的优化组合及选配方案。