EVI變頻變水溫空氣源熱泵是解決寒冷山區(qū)清潔供暖的有效方案

  摘要：近年來，空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展，從2016年起，在北京周邊地區(qū)，空氣源熱泵煤改電清潔供暖技術(shù)得到用戶的認(rèn)可，對清潔大氣環(huán)境減輕冬季霧霾起到了明顯的作用。寒冷山區(qū)多以散煤燃燒采暖為主，山區(qū)地域廣泛，村莊分散，解決好山區(qū)清潔供暖問題，一方面進(jìn)一步改善大氣環(huán)境;

  同時也提高了山區(qū)人民的生活品質(zhì)，符合我國戰(zhàn)略發(fā)展要求。山區(qū)居民消費(fèi)水平比較低，要求盡可能提高供熱系統(tǒng)COP降低能源消耗;晝夜溫差大，則要求供熱方案能夠在夜間提供高水溫白天提供低水溫實(shí)現(xiàn)供水溫度在高溫低溫間的自動調(diào)節(jié)，EVI變頻變水溫空氣源熱泵正好具備這一特點(diǎn)，因此從技術(shù)上看是解決寒冷山區(qū)清潔供暖的有效方案。

  近年來，空氣源熱泵水系統(tǒng)采暖技術(shù)得到很大的發(fā)展，從2016年起，在北京周邊地區(qū)，空氣源熱泵煤改電清潔供暖技術(shù)得到用戶的認(rèn)可，對清潔大氣環(huán)境減輕冬季霧霾起到了明顯的作用。寒冷山區(qū)多以散煤燃燒采暖為主，山區(qū)地域廣泛，村莊分散，解決好山區(qū)清潔供暖問題，一方面進(jìn)一步改善大氣環(huán)境，同時也提高了山區(qū)人民的生活品質(zhì)，符合我國戰(zhàn)略發(fā)展要求。

  EVI(EnhancedVaporInjection)技術(shù)，即噴氣增焓技術(shù)，是一種在傳統(tǒng)單級壓縮制冷循環(huán)的基礎(chǔ)上，在單級壓縮機(jī)中間腔增加一個回氣口的冷媒循環(huán)技術(shù)，就壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)而言，，典型的外部特征是一個排氣口，2個回氣口，下圖是EVI壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)冷媒循環(huán)的典型圖例之一。

  EVI的本質(zhì)是單級壓縮、2級節(jié)流、中間回氣，相比與單級節(jié)流單級壓縮，理論上減小了冷媒循環(huán)的不可逆損失，因此可以提高冷媒循環(huán)的熱效率，由于壓縮機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及中間回氣口實(shí)現(xiàn)方式的差易，如轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)，在一個壓縮周期內(nèi)，中間吸氣口的壓力是再波動的，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，EVI技術(shù)在2個方面作用明顯：

  1)高壓比情況下，降低壓縮機(jī)的排氣溫度;

  2)高壓比情況下，提高了蒸發(fā)器的吸熱能力，因此提高了制熱能力，同時提高了制熱COP;

  變頻技術(shù)的核心要點(diǎn)在于改變了電機(jī)的動力特性，使其可以和負(fù)載的阻力特性相匹配，從而提高電機(jī)效率和電機(jī)對劇烈變化負(fù)載的適應(yīng)性，同時實(shí)現(xiàn)“按需輸出”，因此，EVI變頻技術(shù)的應(yīng)用，非常適合在環(huán)境條件變化范圍大，同時效率要求高的場合應(yīng)用和發(fā)展。

  一、寒冷山區(qū)供暖的現(xiàn)狀及環(huán)境條件特點(diǎn)：

  1.北方山區(qū)村落分散，很多房屋順著地勢而建，建筑形式、房屋大小、建筑結(jié)構(gòu)多樣化，各地有各地的風(fēng)土人情和建筑習(xí)慣，在采暖方式上，基本是以散煤燃燒的小爐子、土炕為主，這樣的地理人文條件，決定了清潔供暖解決方案應(yīng)該是分戶式的供暖方案;

  2.山區(qū)居民收入普遍比較低，用戶非常在意運(yùn)行費(fèi)用，除了國家提供相應(yīng)的用能補(bǔ)貼政策外，清潔能源供應(yīng)方案應(yīng)該有：可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)，所謂的運(yùn)行費(fèi)用低，是以和當(dāng)前散煤燃燒的情況相比;

  3.山區(qū)的氣侯條件是：供暖時間比相鄰城市地區(qū)長1個月左右，總體平均氣溫也比相鄰城市地區(qū)低3~5度，且晝夜溫差大，這要求，供暖設(shè)備有自動調(diào)節(jié)供暖水溫的功能，而且，我們應(yīng)該關(guān)注系統(tǒng)的綜合能效比SCOP，而不是系統(tǒng)在某一設(shè)計(jì)工況下的能效比;

  4.山區(qū)的電力基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱，離城區(qū)越遠(yuǎn)，戶均電力配套電功率越低，按照北京周邊地區(qū)的數(shù)居，原先山區(qū)居民電力配套，主要考慮了：照明、冰箱、洗衣機(jī)、電飯堡等低功耗電器的配電需求，日均電力約2KW，解決這一問題，一方面應(yīng)該對現(xiàn)有電力設(shè)施升級改造，另一方面要求清潔能源供暖方案的電消耗功率盡可能小，設(shè)備啟動對電網(wǎng)的沖擊要求，設(shè)備運(yùn)行對電網(wǎng)波動的容錯率要高;在清潔供暖方案中，有2大技術(shù)途徑：天燃?xì)夂碗姡瑥哪茉吹妮斶\(yùn)、使用的安全行、可靠行等特征分析，采用電供暖方，相比于燃?xì)猓�具有如下�?yōu)越性：

  1)電力輸送，比燃?xì)廨斔偷男�率更�?

  2)在現(xiàn)有條件基礎(chǔ)上，電網(wǎng)升級改造的投資成本要低于燃?xì)夤芫W(wǎng)投資成本;

  因此，在確立以電能為主的清潔供暖方案后，主要的方向就是提高電能為來源的電供暖效率!在筆者調(diào)查山區(qū)方案的過程中，有個現(xiàn)象特別有意思：即居民在建筑特點(diǎn)和生活習(xí)慣上都充分考慮了本地區(qū)的氣侯特點(diǎn)，經(jīng)過幾千年的變遷，當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)展出了獨(dú)特的安全過冬的建筑方式和生活方式，如下圖，是張家口宣化地區(qū)的一坐民宅，院子很大有100多平。

  但真正使用的房間面積只有50來平，冬季只給1間房，最多2間房供暖，一個屋子長5米寬3米15平方大，冬季長期供暖面積也就30平米左右，房屋凈層高較矮約2.3~2.4米，尖屋頂，而且冬季在窗戶外和門外都掛上棉簾子，主要目的是不讓窗戶玻璃上結(jié)水或結(jié)冰，同時也起到了對門\窗的保溫作用!這些特點(diǎn)對我們考慮山區(qū)方案都是極有參考價(jià)值。

  二、EVI技術(shù)能有效提高供水溫度，提升低環(huán)溫下機(jī)組的制熱能力和制熱COP

  下表，我們對帶EVI和不帶EVI的2類系統(tǒng)，進(jìn)行了對比測試，篇幅所限，此處只各列1組數(shù)據(jù)參考，更多的數(shù)據(jù)表明，所得到的規(guī)律性是一致的!

  從上面數(shù)據(jù)可以看到，可以得到如下結(jié)論：

  1)EVI對COP的影響：45度以下，水溫不高時，不帶EVI產(chǎn)品的COP比帶EVI產(chǎn)品的高，但水溫到55度時，情況就反過來，帶EVI產(chǎn)品的COP明顯高不帶EVI產(chǎn)品的，大約高20%;

  2)EVI對制熱能力的影響：在35度，45度這樣的低水溫下，制熱能力隨環(huán)溫度降低而衰減的趨勢是一樣的，但在55度水溫時，帶EVI后的制熱能力衰減明顯慢過不帶EVI產(chǎn)品的，EVI技術(shù)使得在55度水溫下制熱能力的衰減和35/45度下制熱能力的衰減類似;

  3)在低水溫情況下，EVI對制熱能的減緩制熱能力隨環(huán)境溫度的衰減，及制熱COP作用不明顯;

  說明EVI技對低環(huán)溫下高水溫供熱，無論從能力上還是效率上都有很大幫助;

  三、變頻變水溫供暖，是提高系統(tǒng)全年綜合能效比SCOP、降低能耗的有效途徑

  對一已成的建筑物，室內(nèi)熱負(fù)荷隨著環(huán)境溫度的變化而變化，室內(nèi)散熱器的類型及布置已經(jīng)完成的情況下，有3類方式來解決供熱量和熱負(fù)荷之間的平衡：

  1)調(diào)節(jié)供給室內(nèi)散熱器的水流量;

  2)調(diào)節(jié)供給室內(nèi)散熱器的水流通斷時間;

  3)調(diào)節(jié)供水溫度;

  在熱泵供暖系統(tǒng)里面，調(diào)節(jié)供水溫度是最有效率的控制方式，如上節(jié)中所舉的臺機(jī)器的試驗(yàn)參數(shù)所顯示的，供水溫度對熱泵的COP有明顯影響，供水溫度越高，COP越低，從上面的數(shù)據(jù)看，溫度每升高1度，COP下降約2%;下圖，是空氣源熱泵制熱能力和建筑物所需負(fù)載在不同環(huán)溫下，對比變化的一對交叉曲線，在80%以上的時間，機(jī)組工作在部分負(fù)荷狀態(tài)，變頻變水溫機(jī)組，在如下幾個因素上，能大幅提高機(jī)器的綜和季節(jié)能效比SCOP：

  1)在部分負(fù)荷的狀態(tài)下，降低供水溫度，降低熱泵的冷凝壓力，提高機(jī)組COP;

  2)在部分負(fù)荷狀太下，降底機(jī)器的頻率，減小機(jī)組冷媒循環(huán)流量，在特定的水溫和特定的環(huán)溫下，提高媒媒循環(huán)的蒸發(fā)溫度，降低冷媒循環(huán)的冷凝溫度，提高機(jī)組的制熱COP;在北方山區(qū)，普遍情況晝夜溫差超過10度，建筑物的保溫不標(biāo)準(zhǔn)，采用地暖為末端的很少，多數(shù)使用散熱器作為采暖末端，要求機(jī)組供水溫度隨著環(huán)境溫度自動調(diào)整，以提高全年縱合能效比SCOP，降低全年使用費(fèi)用;

  我國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)IPLV(H)不能反應(yīng)機(jī)組在變水溫下的能效狀況，我們在另一篇文章《基于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的空氣源熱泵變水溫運(yùn)行能效評估方法》中介紹了基于房屋設(shè)計(jì)溫度/設(shè)計(jì)水溫的的變水溫全年季SCOP計(jì)算方法，讀者很容易計(jì)算出在設(shè)計(jì)供暖水溫為55度時，空氣源熱泵全年季變水溫季節(jié)效率，這個結(jié)果，和機(jī)組真正運(yùn)行的結(jié)果，應(yīng)該可以做大最大程度相近!大家可以參考!

  四、EVI變頻變水溫空氣源熱泵分戶供暖典型方案

  以北京延慶地區(qū)120平方米農(nóng)村居民的常用戶型為例(如圖一)

  (圖一)

  室外氣象設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)：

  經(jīng)負(fù)荷計(jì)算可得熱負(fù)荷計(jì)算書(如圖二)：

  (圖二)

  由上表可知北京延慶地區(qū)120平方米的農(nóng)村居民常用戶型采暖所需熱負(fù)荷約為7.5KW，室外環(huán)境溫度為-12℃時，其制熱量約為8.65KWd的EVI變頻變水溫機(jī)組，額定制熱輸入功率為3.73KW，冬季可在-25℃的環(huán)境中正常供暖，確保山區(qū)農(nóng)戶冬季采暖需求。系統(tǒng)原理圖：

  采暖季運(yùn)行費(fèi)用預(yù)估：以北京地區(qū)采暖季120天計(jì)算;采暖季運(yùn)行費(fèi)用預(yù)估：以北京山區(qū)采暖季135天計(jì)算。

  案例運(yùn)行效果分析：

  以上表格信息由遠(yuǎn)程監(jiān)控測試得出，該戶型平均每天耗電量約為42.9kw.h，平均每天每平方米耗電量約為0.23kw.h;系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好，用戶滿意。

  上述例子表名，在北方寒冷山區(qū)，采用EVI變頻變水溫空氣源熱泵分戶式供熱方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

  1)在環(huán)境溫度很低情況下，制熱能力衰減量較小，且可以提供55度以上的高水溫，既可適用如地暖\低水溫散熱器等新型散熱末端，，也可適應(yīng)暖氣片;

  2)變頻變水溫技術(shù)，可以明顯提高供熱系統(tǒng)運(yùn)行能效比，相比于定水溫供熱，綜合能效比提高30%以上，降低了用戶的運(yùn)行費(fèi)用，山區(qū)晝夜溫差大，一天之內(nèi)也應(yīng)該不斷變化供水溫度以達(dá)到最佳運(yùn)行能效比，這一點(diǎn)，對經(jīng)濟(jì)能力較低的山區(qū)用戶尤為重要;

  3)EVI變頻變水溫空氣源熱泵，啟動電流小，對電壓波動的容錯率高，適合山區(qū)電網(wǎng)狀況，最大程度上確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;

  當(dāng)然，由于山區(qū)農(nóng)村居民供熱事關(guān)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全，近年各種極端天氣頻現(xiàn)，我們在推進(jìn)以電能為主的高效率清潔供暖方案時，應(yīng)該做好預(yù)備措施，在歐洲，遠(yuǎn)離城區(qū)居民家庭必備燃柴用的壁爐，以備極端天氣造成電網(wǎng)中斷的突發(fā)狀況，這一方法，值得我們借鑒!