北方某小区“热泵+储能水箱”集中供暖BOT项目方案设计
本案例为超低温二联供商用产品在北方寒冷地区新农村建设项目供热清洁能源市场中的典型应用。本项目采用了合同能源管理的方式，为空气源热泵在民用供暖领域里的应用提供了新的运作模式。
关键词：超低温空气源热泵；合同能源管理；集中供暖
1.工程简介
项目位于山东莱州城港路街道朱旺村。该村建设各种设施配套齐全的高标准小区住宅楼13栋，共计500户。本采暖系统主要为该小区二期住宅楼（9～13号楼）提供冬季配套采暖热源，共有230户，采暖面积约有26000平方米，开发商已为全部区域配备了地暖盘管末端。针对该项目楼房结构、供热特点、取暖习惯等情况。
在对该建筑的采暖系统进行了一系列的设计和配置方案对比，最终采用了“空气源热泵+储能水箱+供热管网”的型式以及合同能源管理的供热模式。
该工程2015年8月开始系统设计，12月中旬竣工、调试，正常运行至今。通过能源管理措施，整个系统一直运行在节能高效的状态，室内温度均达到了合同约定的技术指标，经销商的成本回收也能在预期内完成并保证实现盈利。
2.空调设计
2.1 设计规范规定
甲方提供的建筑图纸及工程资料；《居住建筑节能设计标准》（DB37/5026-2014）；《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2012）；《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）；《通风与空调工程施工规范》GB50738-2011；《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2011；《辐射供暖供冷技术规程》JGJ 142-2012；《全国民用建筑工程设计技术措施 / 暖通空调·动力》2009版
2.2采暖设计基础资料
A.室内主要空调设计参数
B.项目所在地室外气象条件参数
通过查相关设计规范知莱州市所属烟台地区，建筑热工气候分区为寒冷地区，其室外设计计算参数如下表：
另外，烟台市日平均温度≤+8℃的天数为140天（11.15～04.03），期间的平均温度为1.9℃，极端气温为-12.8℃。
2.3采暖热负荷计算
供暖系统的设计热负荷是指在某设计室外温度下，为达到要求的室内温度，供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。冬季供暖系统的热负荷应根据建筑物或房间的得、失热量确定，而建筑物墙壁、窗户、顶棚等各个构成体传热不同均有不同的热量损失，且与建筑材料的厚度、材质都有关系。
构成采暖热负荷的因素主要为：1）维护结构传热耗热量；2）冷风渗透耗热量；3）冷风侵入耗热量；4）水分蒸发耗热量；5）加热由外部运入的冷物料和运输工具的耗热量；6）通风耗热量；7）最小负荷班的工艺设备散热量；8）热管道及其他热表面的散热量；9）热物料的散热量；10）通过其他途径散失或获得的热量等。
采暖热负荷采用面积热指标法进行估算。根据甲方条件、工程经验及建筑节能设计规范，结合本项目建筑物结构情况，在冬季平均气温在0℃以上，采暖热负荷指标按照30W/㎡计算。值得指出的是，山东省发布的《居住建筑节能设计标准》（DB37/5026-2014）自2015年10月1日起施行，该省成为全国首个出台并执行节能75%标准的省份；之前至2012年的建筑均执行的为65%的标准。
本工程中有效采暖面积为26000㎡，可得采暖负荷为：
QA=S×Q’=26000㎡×0.03kW/㎡=780KW。
2.4 水系统设计
为方便能源管理，采暖水系统采用“储热式热源水循环加热方式”，设计一个储能水箱，该水箱为热量交换水箱。
主机侧，由空气源热泵主机进行小温差循环、不断加热水箱内的水，使水温保持在设定温度；使用侧，水箱内的水提供为地面辐射采暖末端提供热量，且能保证5～10℃的运行温差。
本方案中设计采用主机侧水泵为一级泵、采暖水系统为二级泵；采用隔断水箱设计，主机侧为定流量循环、采暖负荷侧水系统为变流量系统（推荐采暖泵为变频控制，但考虑到集中供热的特点，变频泵使用率不高，改用压差控制）。
双管制供热；管路采用同程式的管网系统。
采暖管材：当管径DN＜100mm时采用镀锌钢管，丝接；当管径DN≥100mm时采用无缝钢管，焊接。
采用B1级发泡橡塑材料保温，当管径≤100mm时，δ=32mm；100＜管径≤250mm时，δ=40mm。室外管道外设不小于0.7mm的铝皮制作防护层；室外埋地管网做法：除锈/防腐+6cm聚氨酯预制或现场发泡保温+高密度聚乙烯外护管。
所有水流设备和附件的工作压力不小于1.0MPa。
3.冷热源选型
由前述设计计算可知本项目冬季采暖的热负荷分别为780kW。
考虑到莱州市属于寒冷地区，为保证在低温环境条件下机组提供的热能可以满足建筑物的采暖需求，本项目空气源热泵设计机型采用了喷气增焓EVI技术的超低温机组。
二期工程，采暖热源设备选用18台空气源热泵机组（参数见表3），安装在小区北侧靠临海边的空地平台上，并预留一期将增设的设备及管网余量。水箱、水泵及电控装置放在另外搭建的设备间内。
注：机组的名义制热量是在名义工况下的参数，即额定工况测试条件为：干球温度7℃，湿球温度6℃，进出水温度40/45℃下测试得到的数据。
由性能测试实验室测得的数据可知，该系列机组在烟台市冬季采暖室外计算干球温度-5.8℃环境条件下、出水温度为45℃、供回水温差为5℃运行时，机组的制热量修正系数为0.69。本系统在最不利的条件下，机组能够提供的供热量为：63*0.69KW/台*18台=782.46KW，略大于系统所需的780kW的散热量。
4.系统设计
4.1 储能水箱
本工程所用水箱为热量交换水箱，水箱的容积根据采暖系统要求选取；水箱容积越大，储存的热量越多，对整个采暖系统的稳定性来说更有利，但同时带来的能量损失也会越大。
除去末端管路及设备中的水容量，并综合考虑热稳定性、投资的经济性以及以后扩容的初投资利用率，本系统设计采用了一个30吨的保温水箱。储能水箱除了储存热能的作用外，还有排气、缓冲、水分压、排污等功能。
4.2 排气装置
管路系统的最高点或局部高点都设计并安装有自动排气阀。
4.3 控制系统
A.热源设备的控制
二联供机组的启停控制采用的是机组面板的就地控制。二联供机组可根据回水温度或水箱温度（本项目制热时为45℃）控制机组压缩机的启停，来达到节能的目的。另外，空气源二联供机组自带低水温保护、缺水保护、高低压保护等功能。管道式电加热器作为辅助热源只有当环境温度低于某一设定值、或储能水箱水温在特定的时间内无法达到设定值时才开启。其余时间，处于关闭状态。
B.采暖水泵的控制
采暖水泵的启停，受到采暖总回水管的温度控制。
C.缺水控制
采暖管路供回水总管之间为防止水泵缺水，设有压差旁通控制系统；压差旁通阀的分流作用使流经热泵机组的水量稳定不变。另外，热泵主机缺水运行时，会开启水流故障报警，关闭压缩机及机组循环水泵的运行。
5.系统节能措施
本系统自2015年12月运行至今，采暖效果良好，均达到了设计技术指标，用户评价较高。为加强能源管理，工程商采用了分户收取整年采暖费用的形式，在运行过程中根据用户的采暖需求，全程记录了系统的运行情况。在2016年1月在该市遇到号称50年难得一见的最低气温-15℃的条件下，室内温度仍能保证达到18℃以上。
为节约运行成本，经过理论计算和不断的实践，得知随着室外温度的变化宜将水箱内水温设定在35～45℃之间，此时室内温度可以保证达到20℃的设计温度，且运行成本最低。在该项目的运行及管理中，供暖系统的设计及使用过程中主要采用的节能措施总结为以下几条：
根据室内负荷和室外气温的变化，调节热源水的供水温度，实现按需供热和合理分配，提高能源的利用率，可以达到最大限度的节能；
在满足热环境要求的前提下，不要盲目提高供暖系统室内设计温度，冬季供暖室温越高，系统能耗越大；
一般规律是室内温度每降低1℃可降低能耗5～10%，这是最重要、最有效、实施最简单的措施之一。
在能源管理项目的运行过程中，必须通过室温调节和控制设置，对地面辐射供暖室内末端进行切实的调节和控制，否则会造成严重浪费。
6.总结
低温热水地板辐射采暖系统的采暖形式是目前空气源热泵采暖最合适的末端，使用上最直接、舒服、节能。本项目也是合同能源管理这种市场化节能机制用在民用住宅楼供暖领域的一次成功案例。这种采暖系统操作模式虽然利润较高，但存在前期投入大、回收周期长等原因，比较适用于大型的、有一定经济实力的供暖公司或企业来运营。结合各地对可再生能源的补贴及电价优惠政策，这种模式可广泛应用于采暖、制冷、供应热水等场所。
版权：本案例首发于《热泵市场》杂志2017年7月刊。图文均由浙江中广电器提供，特此致谢。
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