北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用

散热器 机组供水温度 / 机组回水温度 / 供回水温差 / Δt/
散热器
散热器 散热器
散热量 /W
℃
℃
℃
℃ 传热系数 K 总面积 /m2 总片数
45
40
24.5
6.493
31.64
135
44
39
23.5
6.413
33.40
142
43
38
22.5
6.330
35.34
150
5 033.60
42
37
5
21.5
1.3 模拟计算
根据散热器的散热量应该满足室内的热负荷需
求，所以得到以下的对应关系。
Q=KF(tpj-tm)=q0×A
(1)
式中：Q 为散热器散热量，也为室内热负荷，W；
K 为散热器传热系数，W/(m·2 K)；
tpj 为散热器进出口热水平均温度，℃； q0 为单位热指标，W/m2； A 为室内采暖面积，m2。
的焦点，传统的燃煤锅炉+暖气片的方式存在燃烧效果差，煤烟排放量大等问题，对环境造成污
染。提出用空气源热泵替代原有热源并根据室内负荷增添末端散热器片数的方案，通过模拟计
算和工程实例两方面进行运行参数和效果的分析， 来说明北京农村地区采用空气源热泵散热
器供暖系统的可行性。
关键词： 供暖； 空气源热泵； 散热器； 制热性能系数
令 驻t=tpj-tW，散热器的散热量可以由式(2)求出，
Q=2.503驻t1.298
(2)
利用上述公式得到测试建筑如果用传统供回水
温度所需要的散热器片数(见表 1)。
文献[4]中，北京地区采用聚苯板外保温进行节能
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改造的农宅节能率达可达 45%以上，而在建筑节能“三
步走”的战略中的第二步即节能 50%，北京地区要求
以家庭户为单位来看农村住宅能耗的变化，户均 总能耗没有明显的变化，除农村户均电耗呈快速增长 的趋势外，农村地区越来越多的生物质能被煤炭和电 能所取代。 目前，北方农村地区普通农村住宅采暖系
收稿日期：2015-04-17； 修回日期：2015-11-03 * 基金项目：科研基地建设 _ 北京市供热供燃气通风及空调工程重点实验
101
杨茜，等：北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用
室内温度 / ℃
18
表 1 传统供回水温度时所需的散热器片数 Table 1 The number of the slices of radiator needed in conventional temperature supply and return water
该住宅采用的是清华同方人工环境有限公司研 发制造的分体式低环境温度空气源热泵(冷水)机组。 室内采暖的热媒仍然为热水，由于低温空气源热泵能 提供的热水不超过 50 ℃，属于低温热水。
2010 年北京市现状建筑综合设计热指标为 55 W/m2， 预测“十二五”末期建筑综合设计热指标为 50 W/m2。 1980 年北京通用的供暖设计热负荷为 80 W/m2，鉴于 农村地区的房屋节能保温性能相对城市较差，所以我
中图分类号： TU832
文献标志码： A
文章编号： 1673-7237(2015)11-0100-05
Application of the Low Temperature Air-Source Pump and Radiator Heating System in Rural Areas of Beijing
2015 年第 11 期(总第 43 卷 第 297 期) doi：10.3969/j.issn.1673-7237.2015.11.022
建筑节能
■ 节能改造与技术
北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用 *
杨 茜， 李德英， 张 帅， 王梦圆
(北京建筑大学，北京 100044)
摘要： 农村地区建筑节能潜力巨大，越来越引起人们的重视。农村地区冬季供暖问题一直是人们关注
98
22.92
98
55
50
5
34.5
7.190
27.32
116
50
45
5
29.5
6.862
33.47
142
合每平米的 散热器片数
0.9 0.9 1.0 1.0 1.2 1.5
室内的供暖热指标为 52 W/m2，所以如果为进行节能 改造的建筑更换热源，采用低温空气源热泵散热器供 暖系统，由于机组制取的高温水最高不会超过 50 ℃，
图 2 四柱 760 铸铁型散热器的实验性能曲线 Fig.2 Experimental performance curve of cast iron with
four columns of radiator(760 mm)
图 1 测试住宅的建筑平面图和散热器布置图 Fig.1 The floor plan of the tested house and the layout plan of radiator
6.245
37.49
160
41
36
20.5
6.157
39.88
170
40
35
19.5
6.066
42.56
181
39
34
18.5
5.971
45.56
194
折合每平方米 的散热器片数
1.4 1.5 1.6 1.6 1.8 1.9 2.0
通过表 1 和表 2 的对比，可以看出：农村住宅在 采用低温空气源热泵散热器供暖系统的同时，如果能 对房屋进行节能改造使其节能率达到第二步中的 50%的要求，则需要增加的散热器片数随供回水温度 发生变化，但总体来看最多为原来的一倍，实际需增 加的片数应小于这个数值。 这种增加散热器片数的方 法在农村地区的供热方式改造上有很有利的地方。 一 般来说，供水温度处于 50 ℃以下的系统，末端设备采 用地板辐射采暖或风机盘管的采暖方式，但这两种方 式对于农村地区并不完全适用，在原本已建好的房屋 上进行末端设备的更换比较费时费力，也不易被农村 地区的用户所接受。 考虑到农村的住户一般家里都是 采用散热器作为末端设备，热源较多是电锅炉和家用 火炉，所以将热源更换为空气源热泵，末端在原来散 热器基础上加装暖气片数，这种方式更具有优越性。
1 低温空气源热泵+散热器供暖方式的静态 模拟计算
1.1 住宅的基本信息 我们选取的农村住宅位于北京市昌平区，该住宅
整体长 14.2 m，宽 12.1 m，房屋净高为 3.9 m，占地面 积约 171.82 m2，采暖面积为 96.8 m2。
该住宅共有 8 间房屋，房间内供暖末端散热设备 为散热器，2 户采暖系统均采用双管式，每组散热器之 间并联；散热器类型为四柱 760 型铸铁散热器，住宅 的房屋结构及室内采暖系统情况如图 1 所示。
散热器散热量 / 供水温度 / 回水温度 / 供回水温差 / Δt/
散热器
散热器总面积 / 散热器
W
℃
℃
℃
℃ 传热系数 K
m2
总片数
75
50
25
44.5
7.757
19.63
84
70
50
20
42
7.624
21.16
90
65
50
6 776.00
60
55
15
39.5
7.486
5
39.5
7.486
22.92
YANG Xi, LI De-ying, ZHANG Shuai, WANG Meng-yuan (Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China) Abstract： The potential of building energy efficiency is huge in rural areas with more and more attention. The problem of the heat supply in the rural areas is always a focus of people’s concerning, because there are many disadvantages in the conventional heating system of coal fired boiler and radiator, such as the poor burning effect of coal which results in the tremendous soot, which pollute the environment. The paper proposes a plan -substituting the air -source pump for the original heat source and adding a certain number of the radiator according to the indoor thermal load. By analyzing the operational factor and the efficiency of this system which obtained from the simulation calculation and the construction case, we can illustrate feasibility of the low temperature air -source pump and radiator heating system applied in rural areas of Beijing. Keywords： heat-supply; air-source pump; radiator; Coefficient of Performance(COP)
们这里对建筑热工参数不易测量的既有农村建筑的 热负荷计算用热指标 80 进行估算。 经过计算得到该 建筑的冬季设计采暖热负荷为 7 744 W。 1.2 散热器的参数
该系统采用的是四柱 760 铸铁型散热器，该散热 器的散热面积为 0.235 m2/片，根据文献[2]，传热系数 计算公式为：
K=2.503驻t0.298 上述公式是针对传统高温供回水温度所得的实 验室数据，故我们应对低温供回水时散热器的性能进 行分析。 文献[3]中哈尔滨工业大学的李庆娜通过实验得 到结论：散热器在低温运行时的性能曲线可近似为其 高温运行时性能曲线的延长线的结论。 这里将四柱 760 铸铁型散热器在高温水运行时的曲线绘制出来， 并延长得到图 2。
0 引言
2013 年，农村住宅的商品能耗为 1.79 亿 tce，占建 筑总能耗的 23.6%，其中电力消耗为 1 614 亿 kW·h，此 外，农村生物质能(秸秆、薪柴)的消耗约折合 1.06 亿 tce。 随着城镇化的发展，2001—2013 年农村人口从 8.0 亿 减少到 6.3 亿人，而农村住房面积从人均 25.7 m2/ 人增 加到 38.1 m2/ 人，住宅总量有所增加[1]。
大大改善北方地区大气污染问题。 然而在农村地区供 热的末端设备常采用散热器而非地板辐射采暖或风 机盘管采暖，空气源热泵能够产生的热水一般来说不 超过 50 ℃，低温热水供给散热器能否满足室内供热 需求成为我们关心的问题，这将直接关系到能否在原 有的散热器基础上加装片数来实现空气源热泵+散热 器供暖方案的可行性。 本文将从模拟计算和工程实例 2 个方面来说明这个问题，进而研究空气源热泵在实 际运行过程中的能效变化规律，为农村住宅改善生活 环境，为实现建筑节能减排的目标，提供工程设计和 技术改造依据。
取最高出水温度 45 ℃。当供回水温差取 5 ℃时，不同 供回水温度时，满足室内温度要求需要的散热器片数， 如表2 所示。
室内温度 / ℃
18
表 2 采用低温空气源热泵散热器供暖系统所需的散热器片数 Table 2 The number of the slices of radiator needed when taking the heating system of air-source pump system
室(04058415005)
统大都仍采用燃煤锅炉+室内暖气片或者电锅炉+室 内暖气片的系统形式，由一家一户的小型燃煤炉或电 锅炉生产高温热水，然后输送给室内暖气片，以满足 室内温度条件需求。 小型燃煤炉燃烧效率低，煤质差， 煤烟排放量大，对环境污染严重。 而电能属于高级能 源，电锅炉采暖属于将高品位能转化为低品位能，是一 种能源的浪费，不应该推广使用。
如今“节能减排”已经成为全社会高度关注的话 题，农村地区的节能潜力很大，但在原有基础上进行 供热系统的改造也是非常困难的。 如果采用由电驱动 的空气源热泵直接取代燃煤锅炉，而且室内采暖系统 不改造或只进行尽可能少的改造，将是一个非常经济、 极易推广的北方地区燃煤锅炉供暖热源替代方案，将
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杨茜，等：北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用