济南供暖

风冷热泵机组在济南(北方)冬季采暖的应用研究

文章摘要：

自本世纪70年代中东石油危机以来，建筑节能引起发达国家的关注。所谓建筑能

耗,国外习惯上理解为使用能耗，即建筑物使用过程中用于采暖、通风、空调、照明、家用

电器、输送、动力、烹调、给排水、和热水供应等的能耗。建筑物能耗占总能耗的比例反映

了一个国家的经济水平和人民生活水平。我国是最大的发展中国家,建筑物能耗约占全国能

耗的12%,而北方地区的采暖能耗就占到80%。但我国以煤为主的能源生产构成短期内不会

有所改变。以煤为主的能源结构,是大气污染的主要根源，也是温室效应的主要排放源。因

此我国应当制定相应的发展规划引导能源消费结构向优质化方向发展,热泵作为......

自本世纪70年代中东石油危机以来，建筑节能引起发达国家的关注。所谓建筑能耗,

国外习惯上理解为使用能耗，即建筑物使用过程中用于采暖、通风、空调、照明、家用电器、

输送、动力、烹调、给排水、和热水供应等的能耗。建筑物能耗占总能耗的比例反映了一个

国家的经济水平和人民生活水平。我国是最大的发展中国家,建筑物能耗约占全国能耗的

12%,而北方地区的采暖能耗就占到80%。但我国以煤为主的能源生产构成短期内不会有所

改变。以煤为主的能源结构,是大气污染的主要根源，也是温室效应的主要排放源。因此我

国应当制定相应的发展规划引导能源消费结构向优质化方向发展,热泵作为一种能源技术顺

应了这一历史潮流。

1北方地区面临的采暖问题

环境保护与节约能源正挑战我国的供暖热源。各种传统采暖方式都存在不同的缺陷：

①燃煤锅炉采暖污染严重，必须改变。

②集中供热收费制度正在改革，但即使解决了分户计量问题，也还存在着系统网络如何

避免水力与热力的失调问题，除非彻底解决自动化，否则，很难实现用户自主调节使用,并

缴纳相应的费用。

③使用燃气炉采暖，一是用户支出费用高，二是仍存在污染问题。据北京市节能办公室

对用这种热源分户采暖的住宅小区进行测试，证明氮氧化物明显超标，甚至还存在安全隐患。

④直接用电取暖（如：电暖气、电热膜、电锅炉等），由于燃料的利用率太低，运行费

用很高，所以，在国标中明确规定一般情况不允许采用.

另一方面，随着人民生活质量的提高，空调制冷的普及率大大提高，如果能创造冷暖合

一的人工环境设施，将具有环保、节能的双重意义。

风冷热泵是一种无需水源，只与空气换热的电驱动供冷暖设施。空气随处可得，用之不

尽。因此，采用风冷热泵在更广阔的地域供冷暖可以达到保护环境、节约能源、方便管理、

安全使用乃至美观的诸多目的，是众人期盼的。

2风冷热泵机组能耗分析的方法

空调系统全年(或季节)总能耗量计算,是衡量和评价空调系统节能设计的主要指标,也是

进行空调系统优化设计的一个重要因素。其计算方法有以下几种方法:①度日法；②当量满

负荷运行时间法；③负荷频率表法。

2.1分析模型的建立

在整理了国内几个城市的一班制和三班制BIN气象参数的基础上，拟打算用负荷频率表

法对风冷热泵在几个城市应用的全年能耗情况进行分析。而负荷频率表法则是建立在空调负

荷与室内外温差大致成比例这一假设基础上的。因此在综合考虑了建筑物维护结构传热和人

员、设备等散热这些因素后,能耗模型如下所述:假定当环境温度低于15℃(冬季室内温度设

定为20℃)时开始供热,当环境温度高于22℃(夏季室内温度设定为27℃)开始供冷,并且冷负

荷与热负荷与环境温度的变化呈线性关系。

为了有一个比较的标准,本文选择某有限公司的30AQA240风冷热泵机组作为计算对象，其

标准工况制冷量为620KW(室外空气温度35℃，冷冻水出水温度7℃),机组输入功率为

207KW,其标准工况制热量为680KW，机组输入功率200KW(室外空气温度为7℃,热水出水

温度45℃)。

在能耗分析计算中有以下两点假设:①所选的风冷热泵机组可以无极调节，即当部分负

荷率在0.9以上时机组按满负荷输出；当部分负荷率在0.2以下时,均按0.2输出量下的COP

值计算机组耗电量；当部分负荷率在0.2～0.9之间时,按部分输出量下相应的COP值计算机

组耗电量。②风冷热泵机组热水出水温度为45℃(制热时),冷冻水出水温度为7℃(制冷时)。

3供暖季节能耗分析

3.1制热季节性能系数的提出

风冷热泵机组的性能受环境温度的影响较大，特别是当冬季室内温度较低时,此时热泵

的蒸发温度较低，制冷系数随蒸发温度的降低而降低，而此时建筑物对供热的需求却增大,

造成室内空调温度无法维持。因而在冬季必须增加辅助热源。当室内温度一定，由于以室外

空气为热源的风冷热泵机组的制热系数不仅与热泵本身设计和制造的精度有关，还与运行时

室外空气温度有关，而室外空气温度又是随地区及季节而异。因此，为了计算风冷热泵机组

用于某一地区的供暖季节能耗并进一步评价风冷热泵机组在整个采暖季节运行时的热力经

济性必须用到制热季节性能系数HSPF这一概念。

3.2能耗分析过程

本文风冷热泵机组的供暖季节能耗分析将采用负荷频率表法，以下将以济南三班制建筑

物为例对风冷热泵的供暖季节能耗进行分析。

表1列出了整理得到的济南地区的供暖季(供暖季取11～3月)BIN气象参数

表1济南地区BIN气象参数

济南地区的冬季空调室外计算温度为-7℃，假设在-7℃时建筑物的热负荷Q=550KW，当室

外温度低于15℃时开始供暖，热负荷与室外温度成线性变化。室外温度为t时建筑物的热负

荷的计算公式如下：

当t=0℃时，按式(3-2)计算，Q0=375KW，查该风冷热泵的技术参数得到t=0℃时热泵

得瞬时制热量为555KW，t=0℃时长期运行制热量修正系数为0.94，则热泵机组的制热量为

Q=521.7KW。0.2Q

时的出现小数时220h就得到了t=0℃时的供暖季总负荷。

TQ0=220×375=82500KWh

而此时热泵机组的耗电量计算如下，所选热泵在t=0℃时热泵机组的输入功率

P=178KW，t=0℃时的供暖季总耗电量为:

TP0=178×220×330/521.7=24771KWh

如果在计算中遇到Q

部分不足必须有辅助加热来提供，在计算得到每一温度下的供暖季总负荷和耗电量后，将这

些值累加就可以计算出供暖季总热负荷和供暖季总耗电量。经过计算,济南冬季空调室外计

算温度-7℃，热负荷为550KWh(三班制选用该风冷热泵机组)，供暖季总热负荷为903413

KWh，季总耗电量328368KWh，HSPF=2.75。

由于风冷热泵机组的制热量和所使用的电能并不是同等品质的能量，作为一种节能技

术，要评价热泵的节能效应就必须利用到一次能利用率的概念，一次能利用率在这儿指的是

热泵机组的制热量与一次能耗的比值，一次能利用率E的计算公式如下:

式中:E-------次能利用率

TQ-------供暖季热泵总的制热量,(KWh)

TP-------供暖季热泵总的电能耗量,(KWh)

β-------发电厂的发配电效率.

所谓一次能耗是指化石燃料(煤,石油和天然气等)的消耗量,目前全国的平均发配电效率

约为0.29，因此根据式(3-3)，得到济南地区风冷热泵的一次能利用率是0.7975。目前国内小

型锅炉的供热系统的一次能利用率大约是0.5，中型锅炉大约是0.65～0.7，显然从能源利用

的角度来看，风冷热泵作为空调的热源优于目前传统的供热方式。

4风冷热泵采暖的末端装置

4.1与低温辐射地板相结合

辐射供暖是一种卫生条件与舒适条件都比较高的一种供暖方式，地板辐射供暖比天花板

供暖更合理。由于人体在地板辐射供暖的房间中，能从接触、辐射及对流多方面进行热交换，

所以，不少权威性资料指出，在达到人体同等舒适的条件下，室内空气温度可以比设计温度

低2-3℃，采暖负荷可降低15%左右，因此它又是一种节能的采暖装置。此外，它的突出优

点是可以也必须利用低品位热媒，并具有较大的蓄热性，在满足舒适性的要求下，其表面温

度不得超过24-26℃。这一点为利用风冷热泵采暖提供了可能性。以济南地区为例,其供暖

设计温度为-7℃，住宅连续供暖的热负荷为50W/m2，地板供暖的室内设计温度为16℃.有

公式(4-1)

式中:TEP-------地板表面平均温度,℃

在辐射采暖的过程中，有以下热阻:

①由加热管道内的水至水泥地板表面的平均热阻为0.0745m2℃/w

②木质地板层热阻是0.1m2℃/w

③地板砖层热阻为0.02m2℃/w

④复合木地板层热阻为0.046m2℃/w

⑤辐射地板向室内空气的传热热阻为0.107m2℃/w

将上述热阻组合，以济南地区住宅供暖热负荷50W/m2为例，再跟据第三类边界条件下

的导热公式计算得到以下结果:

①采用地板砖的辐射采暖设计水温需26～29℃

②采用复合木地板辐射供暖设计水温需28～30℃

③采用实木地板的辐射供暖设计水温需30～33℃

4.2与风机盘管相结合：

一般出风温度为38-40℃即可。从实验数据看，风冷热泵在北方大部分地区也是可行的，

它的前提也是将机组选型时选大一些（约40%），或采用电补热。

5结论

①在黄河流域利用风冷热泵供暖无论从节能、环保、安全、方便使用还是经济上都是

合理的。愈是寒冷地区采用适当加大设备配以地板采暖的经济性愈高。

②热泵机组的低温性能是有差异的，对于以采暖为主的寒冷地区，应当注意选择。对

于性能良好的机组在配地板采暖时，由于出水温度低（25-35℃），冬季大部分时间制热效率

高于3.0。

③同样的热泵机组，末端分别采用地板采暖和风机盘管时，由于前者可接受的水温较

后者低10℃左右，热泵COP将相差20-30%，加上地板采暖2-3℃等效温降，使得两种末端

的运行费相差30-35%。愈是寒冷地区愈明显。