第３３卷第６期２０１７年１２月 哈尔滨商业大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ）
Vol .３３No .６Dec .２０１７收稿日期：２０１７－０４－１１.
基金项目：吉林省自然科学基金（２０１４０１０１０６９JC ）
作者（通讯作者）简介：金洪文（１９７０－），男，教授，研究方向：暖通空调节能技术，E －mail ：ccjinhongwen ＠１６３.com .
超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究
金洪文１，２
goahead什么意思，孙 妍１，２
，马 喆１，２
，吴宏伟３
，蒋 娜
４
（１.长春工程学院，长春１３００１２；２.吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，
长春１３００１２；３.赫特福德大学，英国；４.长春电力设计有限公司，长春１３００１２）
摘 要：以吉林省敦化市为例，根据采暖期室外气温实际情况，对空气源热泵在严寒地区低温条件下供暖情况进行应用研究.在综合考虑空气源热泵结霜、除霜和低温环境下制热量情况下，对运行能耗、费用、回收年限进行分析.得出室外采暖计算温度为－２０℃，且室外气温低于－１５℃的时数占绝大多数的地区，采用超低低温空气源热泵机组时，可以实现全供暖期高效运行.关键词：超低温；空气源热泵；严寒地区；供暖中图分类号：TU ８３１.３ 文献标识码：A
文章编号：１６７２－０９４６（２０１７）０６－０７２８－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｅａｔｉｎｇｓｕｐｐｌｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｕｌｔｒａｌｏｗ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｉｒｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐｓｉｎｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎ
JIN Hong －wen １，２
，SUN Yan １，２
，MA Zhe １，２
，WU Hong －wei ３
，JIANG Na
４
（１.Changchun Institute of Technology ，Changchun １３００１２，China ；２.Jilin Province Building Energy Supply and Indoor Environment Control Engineering Rearch Centre ，Changchun １３００１２，China ；
３.School of Engineering and Technology ，University of Hertfordshire ，Hatfield AL １０９AB ，United Kingdom ；
４.Changchun Electric Power Design Co .，Ltd ，Changchun １３００１２，China ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Taking Dunhua City of Jilin Province as an example ，according to the actual tem －
perature of the outdoor during heating ，the application of air source heat pump in the cold condition at low temperature was investigated in this paper .In the comprehensive considera －tion of air source heat pump frost ，defrost and low temperature heating conditions ，running energy consumption ，cost ，and recycling years was analyzed .It can achieve full heating pe －riod efficient operation ，in the condition of outdoor heating temperature －２０℃，and the outdoor temperature below －１５℃hours accounted for the vast majority of the region ，as well as using ultralow temperature air source heat pumps .
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ultralow temperature ；air source heat pumps ；cold region ；heat supply
严寒地区占据中国国土面积２７％，截止２０１４年，其城镇建筑供暖面积达１２６亿㎡，其中污染严重的分散燃煤供暖面积占比高达３０％左右.严寒地区供暖能耗不仅需要满足严寒天气所需大量热负荷，还需要补充通过围护结构散失大约４０％的能耗，为此需要消耗大量的煤炭资源进行供暖.同
时，以燃煤为主用发电或供暖的化石能源在开采过
程中会造成土地损坏、水资源污染、温室效应加剧，雾霾天气频繁等生态环境失衡.
２０１３年，国务院下发全面整治燃煤小锅炉计划，加快推进集中供热、“煤改气”、“煤改电”工程建设.国家“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”，以压减燃煤消费，防治大气污染、提高可再生能源消费比例等方面要求.
近年来，长江流域及其以南地区等夏暖冬冷区已广泛采用空气源热泵作为供暖及供热水系统运行，随着空气源热泵性能不断完善，在北方很多地区也得到应用.北方地区室外采暖计算温度一般在－２０℃～－２６℃之间，常规R４１０A的制冷剂热泵机组运行较佳的室外气温条件在－５℃左右［１］.随着室外气温的降低，空气源热泵的制热量和运行能效呈下降趋势，蒸发器结霜及除霜带来制热能力下降等问题突显出来.因此，很多品牌的空调厂家都已研发出适用于低温环境的CO２空气源热泵，以
CO２作为制冷剂工质的热泵，能够实现超低温蒸发吸热，室外温度条件在－２０℃时可达到出水温度为３５℃左右，平均COP值２.５左右.且CO２的ODP＝０，GWP＝１.同时，东北地区电资源过剩也为空气源热泵应用提供便利条件.
本文以敦化高速公路服务区（西区）建筑为例，对CO２低温空气源热泵在寒冷地区的应用进行分析.
１ 气候条件
敦化市位于吉林省东部山区，长白山腹地，属于温带大陆季风气候，春天短.采暖季平均气温－４.６°C，最高温度２３.３°C，最低温度－３１.３°C.对２０１５年１０月２５日～２０１６年４月１０
日敦化国家基准气候观测站（位置E１２８°１２′，N４３°２２′，海拔高度５２４.９m）气象观测，采暖季气温区间分布小时数如表１，采暖季月平均干球温度、相对湿度如表２.
表１敦化市采暖季节各月气温区间分布小时数（ｈ）
温度区间／℃
幸福的家庭都是相似的
日期（年／月）
２０１５／１０２０１５／１１２０１５／１２２０１６／０１２０１６／０２２０１６／０３２０１６／０４总计
ｔ≥５２５６４－－－１４８１０１３３８－５≤t＜５１１７２８８８２－２７１０７３４１１４４１１０６－１５≤t＜－５１８２７１３５７２３０４０６１４６－１４２８－２５≤t＜－１５－６０４７２４９０１６８４０－１２００t＜－２５－－３４４５－－５２
表２敦化市采暖季月平均干球温度（ｔｇ）、相对湿度（φ）
日期
日期（年／月）
了不起的盖茨比英文简介
２０１５／１０２０１５／１１２０１５／１２２０１６／０１２０１６／０２２０１６／０３２０１６／０４干球温度／°C５.６－５.１－１０.７－１６.４－１１－１.３６.６相对湿度／％５３６７６９５９５８５７５０
由表１可知：敦化市供暖总时长为４１５４h，室外气温≥－１５℃的时长为２８７２h，占总供暖时长的６９.１％；室外气温≥－５℃的时数为１４４４h，占总供暖时长的３４.７％.从室外气温区间分布情况看，敦化市供暖期内绝大多数时间里采用空气源热泵进行供暖，可在较高的能效下运行.
２ 工程概况
本次测试地点为敦化高速公路服务区（西区）综合服务楼，属于框架结构节能型建筑，设有餐厅、包厢、厨房、冷库、客房、办公室等区域.供热面积为２９２２.５m２，末端采用地面辐射采暖.因工程地处偏远，无法接入市政供暖系统或燃气管道，常规的太阳能供热系统很难满足全天候供热的要求，地源热泵初投资费用高，综合考虑增设管道造价、输送热损失、投资费用以及节能环保等要求，提出使用采用以电为动力的CO２空气源热泵供热［２］.采用５台CO２空气源热泵，三用两备，每台空气源热泵名义制热量为１００kW，输入功率为３７kW.循环水泵型号为IRG－８０－１６０，其额定功率为７.５kW，
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第６期金洪文，等：超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究
流量为５０m ３
／h .
borrow的反义词
３ 供热能力分析venus什么意思
２０１７年１月７日～１２日期间，采用型号DT ３８９１G 的“多路温度巡检仪热电偶记录仪”对供水、回水主管道、室外及室内温度进行连续测量记录.测试期间三台CO ２空气源热泵连续供热，测量数据时长为１３８h ，且测试期间空气源热泵所提供热量满足冬季采暖室内计算温度１８℃（实际室内温度达到２０℃左右）.室外温度、CO ２空气源热泵提供热量数据如图１所示，此系统采用智能控制系统，当提供热量满足设定要求，自动降低供水温度，通过改变制冷剂流量，致使输出的热量减少，最大限度减少能耗.
利用热量公式计算热泵提供热量. Ｑ＝Ｇ×ｃｐ×Δｔ／３.６（１）其中：Ｑ为CO ２空气源热泵提供热量，kW ；G 为循环水流量，kg ／s ；ｃｐ为比热容，kJ ／（kg ·℃）；Δｔ为供回水温差，℃.
Ｑ＝Ｇ×ｃｐ×Δｔ／３.６＝５０×４.１８×４.５／３.６＝２６０.７６kW
CO ２空气源热泵测试期间平均供热量为２６０.７６kW ，日平均提供热量２６０.７６×２４＝６２５８.２４
kW .
图１ ＣＯ２空气源热泵供热量随室外气温变化情况
４ 结霜除霜分析天学英语
１月１０号１０：３０～１９：００为机组除霜期间，共
计６h ３０min .测试期间，CO ２空气源热泵供回水温差增大２倍，并且经计算除霜期间平均产生４０４.１kW 热量，达到除霜目的同时保证了室内环境温度保持在２０℃左右.如图２所示，除霜前期需较多热量，随时间推移，
所需热量逐渐减少.
trustworthy图２ ＣＯ２空气源热泵除霜期供热量随天气变化情况
据资料显示，空气源结霜与室外空气条件有密切关联，室外干球温度ｔｇ和相对湿度φ是影响空气源热泵结霜效率的重要参数，且结霜范围温度在－１２.８℃≤ｔｇ≤５℃.当温度ｔｇ＞－５.８℃时，不考虑结霜；当温度－５℃＜ｔｇ＜５℃、相对湿度φ＞８５％时，结霜严重；当ｔｇ＜－５℃时，结霜速率减慢；当ｔｇ＜－５.８℃、φ＜６７％时，不发生结霜；当ｔｇ＜－１２.８℃时，不发生结霜［３］
.
由表１可初步得知：敦化市供暖期内室外空气平均相对湿度多数均在相对湿度界限以下，少数室外空气状态点落入结霜区且极少部分落入严重结霜区.由表４可知：落入结霜区的时数达到３７３h ，占供暖总时数的０.０８％；落入严重结霜区的时数达到２３０h ，占供暖总时数的０.０５％，其余各月出现严重结霜现象平均每月２～５天，出现结霜现象平均每月４～９天.
表３ 敦化市采暖季各月结霜所占小时数（ｈ）
除霜情况
日期（年／月）
２０１５／１０
２０１５／１１２０１５／１２２０１６／０１
katie holmes２０１６／０２２０１６／０３２０１６／０４
总计结 霜－１３５１０４８７６５０－３７３严重结霜
－
９２
３８
－
３３
６７
－
２３０
·０３７·哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 第３３卷
敦化作为典型的严寒地区，结霜时间短.而超低温空气源热泵除霜化霜可根据程序设定标准，在除霜期运行时间内，间隔每２０min进行一次除霜，每次除霜时间２min（除净）；按２４h运行计算即１２４min，总计大约２.４h.敦化市连续结霜期约为６～１４d，既最多除霜为３４h小于运行期的２０％，完全符合国家标准.且供热期间因除霜所消耗的总电量不大０.６kW／m２，仅消耗少量能源即可满足除霜要求且不影响室内环境温度需求.
５ 热泵供热电耗及运行费用对比分析
５.１ 电耗
敦化高速公路服务区西区互感器比为１２０，每天９：００记录电表读数，如表２所示，根据电表记录可知每天耗电量约为２０×１２０＝２４００kW.irish
对CO２空气源热泵机组在－２０℃的低温下能效比计算：
COP＝CO２空气源热泵产生的热量
耗电量
＝
６２５８.２４
２４００
＝２.６求得COP平均值为２.６，即１kW的电量可以产生２.６kW的热量，相比与直接电采暖更加经济节能.
５.２ 运行费用
按照吉林省峰、平、谷电价计算，峰电价时间段为７：３０－１１：３０、１７：００－２１：００共８个小时，低谷电价时间段为２２：００－５：００共计７个小时，其他为平电价时间段.平电价为０.５２５元，峰电价乘１５０％，谷电价乘５０％.根据实测数据，以高速公路服务区西区日平均提供热量６２５８.２４kW作为计算基准，取多种能源形式进行对比分析，结果如表５所示.
表４热泵用电情况
日期（年／月）
测试时间２０１７／０１／０７２０１７／０１／０８２０１７／０１／０９２０１７／０１／１０２０１７／０１／１１２０１７／０１／１２电表读数／（kW·h－１）１０８４１１０５１１２６１１４６１１６９１１８８
表５四种能源单位时间运行费用对比
热源方式空气源热泵直接电采暖燃气采暖燃煤采暖
能源类别电能电能天然气化石能源
能源消耗量２４００kW６２５８.２４kW６３３.１m３０.７６t（标煤）
能源单价按吉林省电价按吉林省电价２.６７元／m３１１７０元／t
运行费用／元１２６０３２８５.５８１６９０.６０８９９.５８
每平方运行费用０.４３元／（d·m２）１.１２元／（d·m２）０.５７元／（d·m２）０.２０元／（d·m２）注：国家环保政策不允许，因此不具备以煤为能源供暖条件.
６ 投资回收期
拦河坝
因本工程地处高速公路段，无法利用集中供热
和燃气采暖，故以电锅炉采暖进行对比分析.相同
条件下，３００kW电热储能初投资费用约为２７万
元，名义制热量为１００kW空气源热泵初投资费用
约为２４万元，五台两备三用共需１２０万元.相对于
电锅炉系统计算静态投资回收年限为：
ｔ＝初投资增加费用供暖期节约运行费用＝
９３００００
３４４３４８
＝２.７
经上述计算可知，CO２空气源热泵机组供热所需运行费用约０.４３元／（d·m２），系统投资回收年限短，严寒地区采暖季节周期长，需采暖地区面积基数大，整个采暖季节省费用的总量非常可观［４］.
７ 结语
综上所述，通过对典型严寒地区敦化地区气象资料及实际应用的研究，得出CO２空气源热泵机组作为一种新型环保设备，能够在－２０℃的低温下正常运行，平均COP值可达到２.６，比燃气、直接用电供热都节能，比集中供热费用高，但是如果综合环境效益和社会效益来看，采用CO２空气源热泵机组比燃煤供热要好.目前CO２空气源热泵机
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（上接７３１页）
组应用正处在起步阶段，不能完全替代以燃煤为主的集中供热形式，但对于地处偏远或有环保要求区域的中小型建筑适合采用CO２空气源热泵机组供热.如果条件允许，可配备太阳能等多种形式的供热系统与空气源热泵协同运行，将大大减少运行费用.
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