严寒地区“热泵+电锅炉”“暖气片改造”“蓄热水箱”等3难题的解决
文_热泵商学院/王言明
近几年，空气源热泵在北方市场得到了大量的应用，不仅是农村煤改电市场，在商业采暖和集中供暖领域的应用也越来越多，而且在地域上应用范围也越来越广，逐步向东北等严寒地区推进。但空气源热泵应用于大型热泵采暖项目遇到的难题也不少。
例如严寒地区如何保证空气源热泵主机稳定、高效运行？在改造旧小区暖气片项目时如何合理设计系统？非节能建筑如何更加合理利用水箱蓄热……这些问题都制约了空气源热泵在北方地区推进进程。
在第17届热泵商学院西安采暖班上，讲师王言明针对大型热泵采暖项目中的常见难题提出了自己的解决方法，下面一起来学习下。
常见难题1：严寒地区热源主机如何选择？
空气源热泵受环境温度的影响比较大，温度越低，能效和稳定性也越差。目前，空气源热泵采暖市场主要还是以华北市场为主寒冷地区和严寒地区的应用并不是很多。但是，严寒地区的市场容量非常大，对空气源热泵来说是一个必须要拿下的市场。
那么空气源热泵如何实现在严寒地区稳定高效地运行呢？建议用空气源热泵+电锅炉的多能源组合方式，利用峰谷电政策，让空气源热泵在白天温度高的时候工作，而晚上谷电段用电锅炉来工作。
这样做有什么好处？因为最低气温段都是在凌晨，也就3～4个小时，而-25℃以下的气温也基本都在这个时间段。在白天，即使是严寒地区，冬天也很少有-20℃的天气。晚上的时候空气源热泵不工作，只用电锅炉工作，就可以保证采暖系统的正常运行。
而且，电锅炉还有个优势，就是运行的时候没有噪音。晚上谷电段的电价一般不到白天电价的一半，这就相当于电锅炉的COP达到了2.0以上，其实跟热泵运行耗能没多大区别。
而白天空气源热泵运行的时候，温度都在-20℃以上，平均温度可以达到-5℃以上，空气源热泵的COP可以达到2.5以上。【热泵市场 水印】这样配置的结果是，空气源热泵主机配置小，初投资降低，而且运行也更加可靠。那么，这样的系统主机如何选型？先看空气源热泵主机的选型。
严寒地区冬季白天的平均温度在-5℃以上，那么空气源热泵就可以按环境温度-5℃时的制热量来计算。我们先计算建筑的总热负荷，用单位面积的热负荷指标乘以建筑物的总建筑面积，然后根据空气源热泵主机在-5℃的制热量多少，来确定需要采配置多少台。
举个例子：沈阳10000平小区采暖，假如是节能建筑，给定的热负荷指标为60w/㎡，那么总热负荷即：10000㎡×60w/㎡=600kw；如果是用25P的空气源热泵主机，在-5℃下的制热量大概在50kw，输入功率大约为24kw，则需要25P机的台数为600kw/50kw=12台。
再看电锅炉的选型。因为晚上谷电段只有电锅炉在工作，所以电锅炉要满足整个建筑的供暖需求。建筑的总热负荷不变，还是600kw，则需要电锅炉的制热功率为600kw。
这里要说明一下，虽然空气源热泵主要是白天工作，但应该要满足主机能在-25℃环境下正常工作，确保系统在遇到极端温度时能够运行。另外润滑油、电气元件，包括导线都要耐低温。导线如果不耐低温，温度低的时候可能就裂了，这样机器的运行就会出现问题。而如果是一般的润滑油，在温度低的时候会凝固，这样一来电机就转不起来，所以润滑油也需要耐低温。电气元件也是如此，在采购时要向厂家说明。
常见难题2：老旧小区暖气片如何改造？
空气源热泵能不能带暖气片采暖是很多人都像问的问题，一个很大的原因就是这样的项目非常多。答案肯定是可以的，如果可以根据热源来设计暖气片系统，就更加没有问题，增加相应的暖气片数量就行。这里要重点说的是另外一种比较常见的情况，那就是末端系统不变，只改热源主机，这个是有难度的。
根据《GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，暖气片采暖有这么两个条件：
暖气片需要供水温度50～75℃，供回水温差大于20℃；
锅炉热源经二次换热后，二次管网的供水温度50～60℃（严寒地区大于70℃ ），供回水温差大于15℃。
这两个特点给空气源热泵带来了很大的难题：首先，空气源热泵在低温环境下产50℃以上的热水，能效比较低，不利于机组的正常运行；其次，热泵供回水的温差只有5℃，如温差要达到15℃以上，肯定会影响运行稳定的。老旧小区暖气片改造项目市场是大量存在的，那么遇到这样的项目如何改造呢？我们还是采用电锅炉+空气源热泵的形式。
（1）无峰谷电的系统方案及主机选型
首先，来看没有峰谷电时，如何设计系统和进行主机选型。
综合能效及工作能力方面，空气源热泵一般提供50℃以下的热水，再高的时候用电锅炉来提升温度。如果暖气片的供回水温度是55℃/35℃（二次管网的供水温度是50～60℃，可以满足，也满足暖气片20℃的供回水温差），那么可以用两台空气源热泵主机串联，把水温从35℃提升至50℃，这样每台主机的进出水温差只有7.5℃，而50℃之后再用电锅炉提升到55℃。（如上图所示）
这样一来，空气源热泵是在低温段（35℃～50℃）工作，能效比较高，也有利于运行稳定而且还可以解决暖气片需要高温水、大温差的问题。
系统问题解决了，再看主机如何选型。空气源热泵是把35℃的水加热到50℃，而电锅炉是把50℃的水加热到55℃，这个过程中空气源热泵的制热量占3/4，电锅炉的制热量占1/4。那么，空气源热泵主机的台数=(工程的总热负荷*3/4)/热泵在计算温度下的制热功率；而电锅炉的制热功率=工程的总热负荷*1/4。
举个例子：西安10000平的老旧小区，单位面积热负荷为60w/㎡，那么建筑的总热负荷为600kw，25P空气源热泵在-5℃（查《全国主要城市采暖期耗热量指标和采暖设计热负荷指标》，西安采暖室外计算温度为-5℃）的制热功率是50kw，所以选择25P机的台数为(600kw*3/4)/50kw=9台，考虑到是每两台串联，空气源热泵主机的台数只能是双数，要么8台，要么10台，这里为保险起见选择10台。
选好了空气源热泵主机，再确定电锅炉的制热功率。电锅炉只负责50℃～55℃的升温，占总制热量的1/4，那么电锅炉的制热功率=工程的总热负荷*1/4=600kw*1/4=150kw。但考虑到维修、备用还有极端天气等因素，电锅炉建议至少选300kw，可以设置几个档，一般情况下用150kw就可以了。
（2）有峰谷电的系统方案及主机选型
上面是没有峰谷电时的做法，接下来看下有峰谷电如何设计系统方案和进行主机选型。
有峰谷电，让电锅炉在晚上谷电段工作，让空气源热泵在白天能效高的时候工作，无疑是最好的方式。白天非谷电价时间段空气源热泵运行，两台热泵主机串联产45～50℃的热水（白天温度要求低），供回水温差15℃；晚上谷电时间段电锅炉运行，产70～80℃的热水，晚间循环水供水温度50～70℃，供回水温差15～20℃。
既然空气源热泵只是白天工作，那么主机的选型根据冬季白天的平均温度来计算就可以了。比如在寒冷地区，冬季白天的平均温度在0℃以上，空气源热泵按环境温度0℃时的制热量计算；严寒地区冬季白天的平均温度在-5℃以上，空气源热泵就按环境温度-5℃时的制热量计算。
以北京10000平小区采暖（有外墙保温）为例，给定的热负荷指标为45w/㎡，则总热负荷为450kw，25p空气源热泵在0℃的制热量在60kw左右，那么需要的25P机的台数=450kw/60kw≈8台。
电锅炉因为晚上独立工作，制热功率和总热负荷相同，则需要配备制热功率为450kw的电锅炉一台。
常见难题3：如何利用峰谷电水箱蓄热？
如果是节能建筑，用建筑墙体去蓄热是很好的方式，但如果不是节能建筑，墙体蓄热就不合适了，这时候可以考虑用水箱来蓄热，利用峰谷电价，在晚上谷电段的时候来加热水箱。而晚上给水箱蓄热时，最好用电锅炉来制热，而不是用空气源热泵，因为电锅炉可以制更高水温的热水，储存的热量更多。如果用空气源热泵来蓄热，在同等的蓄热量下，水箱的容积要大上好几倍。
那么，蓄热水箱的容积又如何计算呢？可以先计算每1吨水的蓄热量，然后根据建筑需要的蓄热量来确认。
假如最后蓄的是95℃的高温水，在晚间谷电价的时间段中，空气源热泵先把蓄热水箱中的水温从35℃提升到50℃上，然后再用电锅炉把水温提升到95℃，这样总共提升了60℃的温差。1kg水加热1℃是1千卡，提升60℃即60千卡，则1吨水（容积1立方米）的蓄热量的60*1000=60000千卡。换算一下，则1吨水的蓄热量=60*1.16=69.6kwh（注：1000千卡≈1.16kWh）。
具体的计算可以以西安1000平非节能建筑为例，按单位面积的热负荷为60w/㎡计算，则总热负荷为60kw。如果晚上谷电段有8小时，那么就可以储存8小时的热能，则需要的水箱容积为：60kw*8h/69.6kwh=6.9吨，所以水箱的容积约7吨。
可以计算下如果只用空气源热泵来蓄热，需要多大容积的水箱。空气源热泵只能蓄15℃的温差，1吨水（容积1立方米）的蓄热量=15*1.16=17.4kwh，则需要的水箱容积为60kw*8h/17.4kwh=27.6吨，也就是说需要一个28吨的蓄热水箱。一个28吨的水箱，加上保温和外包装，体积达到了30吨，放在建筑屋顶承重受不了，放在地面占地面积太大，所以仅仅用热泵来蓄热是很难实现的，最好是配合电锅炉。
水箱容积确定了，那么蓄好的95℃热水我们怎么用？不同的末端对水温是有要求的，特别是地暖，国家要求地暖水温不能超过60℃。这时候就需要用一个二次循环系统，如上图所示。
举个例子，末端要求水温是55℃，那么开始是空气源热泵来加热，把35℃的水加热到50℃，然后电锅炉开始工作，热泵停止运行，由电锅炉把水温提升至95℃。这时候蓄热水箱的水温是95℃，而末端要求的进回水温度是55℃/35℃，那么，在水箱和末端之间要有一个混水装置。
小工程用混水器就行了，安装一个温度调节阀，类似于热泵系统里面的热力膨胀阀，当水温高的时候减少流量，水温低时加大流量，让温度一致；大工程可以用板式换热器，装一个变频水泵，水泵的转速由温度来控制，也可以实现温度的均衡输出。
这里可能有人会有疑问：在电锅炉工作的时候，空气源热泵是不工作的，低环境温度下设备会不会被冻？其实不用担心，因为空气源热泵主机都有防冻功能，而且循环水还在里面流动，只要不断电是不会被冻的。