作者：北京建筑工程物资协会/金继宗

本课题是对低温空气源热泵、太阳能与地面采暖及生活热水组合系统，进行工程优化设计与组合，选择典型工程进行节能能效测试和研究。
　　
　　本课题的工程优化设计方案如下：
　　
　　（1）空气源热泵与传统地面采暖或与预制薄型地面采暖的组合；
　　
　　（2）空气源热泵和太阳能复合热源与地面采暖及生活热水的组合；
　　
　　（3）上述系统在提供供暖和生活热水的同时，可兼顾夏天制冷。
　　
　　本课题组对低温热水空气源热泵（太阳能）与地面采暖的组合系统，与2011年~2012年的采暖季中，在北京市、秦皇岛市、青岛市、上海市、重庆市和长沙市等地的不同建筑中，选择了13个项目进行了测试，得出不同地区的建筑节能能效数据。在2011年~2012年采暖季中，华北北部一月份室外平均气温-4℃，最低气温-17℃的情况下，室内平均温度保持在18℃。当居住建筑的节能设计达到50%的标准时，该组合系统一个采暖季的平均耗电量在35kw.h/㎡以下，COP的平均值超过3.0。技术数据显示，低温空气源热泵（太阳能）与地面采暖的组合系统可以满足华北等寒冷地区，以及华中、华东等冬冷夏热地区冬季采暖（含生活热水）的需求，同时还具有运行能效高，运行费用低的特点。
　　
　　本课题组为了更好地推广该项技术，编制了《住宅户式空气源热泵和太阳能供热系统应用技术导则》；
　　
　　本课题组还建立了一套适合空气源热泵采暖组合技术的通用测试方法；研发了一套太阳能辅助空气源热泵地暖系统的在线监测平台。
　　
　　二、该系统的技术特点和创新

（一）空气源热泵技术的新进展
　　
　　在组合系统中，低温空气源热泵分别采用了喷气增焓压缩机或高压腔直流变速压缩机，以及""变水温"控制等新技术之后，可使空气源热泵在低温环境下启动性能更佳。当前的运行环境气温可延展到-20℃，同时还可根据环境气温进行自动调节，使建筑的舒适性和节能性最大化。
　　
　　1、直流变速技术
　　
　　采用全新的直流变速高压腔涡旋式压缩机，可在更低的气温下启动；采用压缩机压差油膜润滑技术，减小了压缩机磨损，延长压缩机使用寿命；压缩机的电机还采用磁力强劲的钕磁铁材料，可更省电、节能；根据室外气温实时控制压缩机转速，做到按需输出，提高了效率。它在不同的情况下，都可使室内温度保持稳定及舒适性；它可以实现软启动，避免对电网的冲击。
　　
　　2、喷气增焓技术
　　
　　喷气增焓压缩机是新一代涡旋式压缩机。它通过优化中压段冷媒喷射技术，将单级压缩机转换成两级压缩，增加了冷凝器中制冷剂流量，加大了主循环回路的焓差，从而提高了压缩机效率。新一代喷气增焓涡旋式压缩机系列产品可在环境温度-25℃~+29℃范围内运转。当室外环境气温在-10℃时，它的制热能力比常规涡旋式压缩机可提高20%。
　　
　　（二）高效地暖技术
　　
　　地面辐射采暖技术的新进展是：缩小加热管的直径，减少加热管的间距，增加布管密度，以便尽可能地加大整体散热面积，降低热媒水温度（＜50℃）、缩小供回水温差（＜5℃），使温度曲线更趋平缓，热损失更小；同时，增加铝箔复合层，一是通过铝箔的反射作用，增加传热功能，使散热面温度更趋均匀；二是铝箔的防腐涂层，可阻止砂浆等填充材料的腐蚀；另外，采用高压阻燃型挤塑保温板可提高保温性能，有效阻止热量向下传递。
　　
　　"预制沟槽薄型地面辐射采暖板"经过国家检测试验室（进水温度35℃、回水温度31.12℃、空气基准温度20℃）的测试，散热量可达100W/㎡以上，是目前能效较高的供热末端之一。
（三）低温空气源热泵与高效地暖的优化组合
　　
　　空气源热泵的最佳工作状态是提供50℃以下的热水。以往，空气源热泵用于建筑采暖不成功的原因之一，就是在于采暖散热器要求热水的温度在60℃~80℃。在这种工作状态下，空气源热泵的能效比太低，不经济。
　　
　　本课题是将空气源热泵锁定在最佳的状态下工作，即提供50℃以下的热水；与高效地暖装置组合，如"预制沟槽薄型地面辐射采暖板"的进水温度仅需35℃，从而优化组合成新的建筑采暖系统，即低温空气源热泵与高效地暖组合式建筑采暖系统。
　　
　　（四）空气源、太阳能复合热源组合技术
　　
　　低层居住建筑和农村住宅以太阳能与空气源热泵作为地暖和生活热水的复合热源时，在白天可利用太阳能提供有效的热能，向地暖和生活热水系统供热。在夜间或阴雨天没有太阳时，自动启动空气源热泵向该系统供热，实现了太阳能零能耗+空气源热泵低能耗的有效结合。系统采用微电脑控制系统，实现自动判断气温变化，热水系统自动循环保温，室温实现分室分时段控制，太阳能和空气源热泵自动切换等措施之后，在该采暖系统中太阳能的供献率可达40%以上。
　　
　　其次、在实施峰/谷电价地区，可充分利用谷电时段内蓄能，享受优惠电价，减少运行费用。
　　
　　还有，在低层住宅建筑中采取增设外廊等被动式太阳能采暖设施后，可使太阳能在该采暖系统中的供献率进一步提高。
　　
　　（五）采暖、生活热水加夏天制冷的一体化设计
　　
　　低温空气源热泵作为地暖和生活热水供热热源时，还具备夏天空调制冷的功能。通常在夏天可通过风机盘管给室内输送舒适的凉风，实现一机多用，充分利用资源，大大节省投资费用。
　　
　　三、节能能效测试结果

2011年~2012年采暖季，课题组针对不同建筑类型、不同经济水平、不同气候区，其中居住建筑既有经济适用房，城镇别墅还有农村住宅，以及小型公建等有代表性的项目，进行了重点测试。提取了近万个低温空气源热泵（太阳能）与地暖的组合系统建筑采暖能效数据。测试项目分类如下：
　　
　　其中课题组在北京市跟踪测试了多个项目。例如：北京城区南四环的鸿博家园小区测试项目（该建筑为2011年竣工经适房项目，高层板楼，围护结构按65%节能标准设计）。2011年~2012年采暖季，室外：最低温度-9.8℃，最冷日平均温度-4℃，最冷月平均温度-2.52℃。室内：整个冬季平均温度保持在20℃~22℃。地板采暖供水温度35℃。按采暖季125天，以每户建筑面积平均82㎡计算，采暖总耗电量不超过2000kw.h，约为33kw.h/㎡。空气源热泵能效比（COP）在3.2以上。采暖季电费15元/㎡左右。低于同期同户型壁挂炉散热器采暖运行费用。
　　
　　北京郊区的几个测试项目中：其中室外温度最低的一个别墅项目，冬季室外平均温度-6.2℃，最低温度-18.8℃。室内平均温度保持在20℃，空气源热泵的冬季采暖平均COP值仍可达3以上，冬季取暖加生活热水所用电费19.7元/㎡。与北京市燃气锅炉集中供暖收费30元/㎡比，低30%以上。
　　
　　北京郊区农村新建和旧房改造项目，采用空气源热泵、太阳能复合热源作为冬季地面辐射采暖和生活热水的热源，取得很好的效果。如房山区西白岱村项目测试数据：2011年~2012年采暖季，一月份室外平均温度-4℃，最低温度-17℃，室内平均温度保持在18℃。系统采暖和生活热水总耗电量5367kw.h，制热能效比（COP）3.16，其中太阳能集热器面积16㎡，冬季太阳能制热供献率占总制热量约30%~40%。冬季采暖+生活热水费用16元/㎡。
　　
　　通过对大量测试数据的统计和分析，与六种常用的住宅建筑不同的供热方式相比较。折合一次能源采暖消耗量排序如下：燃煤热电联产供热方式＜低温空气源热泵供热方式＜燃气壁挂炉＜大型燃煤锅炉供热方式＜区域燃煤锅炉供热方式＜直接电采暖供热方式。低温空气源热泵仅略高于燃煤热电联产供热是一种低能耗的供热方式。采暖运行费用也是相对较低的一种。
　　
　　在华北地区北部，2011年~2012年采暖季，一月份室外平均温度-4℃，最低温度-17℃，采暖室内平均温度保持在18℃，凡达到50%节能设计标准的建筑，使用空气源热泵、太阳能、地板采暖+生活热水的运行费用为每平方米14元~16元；使用空气源热泵地板采暖+生活热水的为每平方米18元~20元。以上电费均是以用户按当时北京电费标准（0.49元/度）实际费用计算。2013年电价调整后如选用峰谷电，费用基本相当。如选用阶梯电价每平方米费用增加4-5元。
　　
　　目前使用这一技术的初投资较大一些。用于采暖的低温空气源热泵，国内品牌每平方米的初始投资约200多元，进口品牌约近300元。但运行费用低，几年内可收回成本。如考虑该系统可兼顾夏季制冷的特性，相比其他供热方式其综合性价比的优势更为明显。

四、一项值得推广的节能减排技术

"低温空气源热泵与地暖组合系统"和"低温空气源热泵、太阳能与地暖组合系统"，是一种较完美的节能、舒适又环保的采暖与生活热水组合技术。推广该技术可以减少大量采暖能源消耗，节省客观的运行费用，取得较高的经济效益和社会效益。
　　
　　该采暖系统不产生温室气体和粉尘等污染物质；该系统中热水循环使用，不产生有害废水，绿色环保。一套空气源热泵（太阳能）三联供系统，既能解决3-5口之家一年的正常生活取暖和热水需求，据粗略测算，与电热水器加燃煤锅炉相比，非采暖季可节电约1640kw.h，采暖季可节煤约1.6~2吨，京郊有110多万户需要节能改造的农村住宅，如有三分之一的农户改用该课题的"低品位可再生的清洁能源"，即可减排300万吨二氧化碳；2891吨二氧化硫；2814吨煤烟粉尘，将为北京地区的"蓝天碧水工程"中发挥重要作用。
　　
　　对住宅建筑不同供热方式的二氧化碳排放量计算结果显示：空气源热泵是二氧化碳排放量较低的几种供热方式之一。目前我国相当多的中小城市、城镇，解决采暖和生活热水仍以燃煤为主，污染严重。此项技术如向国内有条件的地区推广，将会大大减少二氧化碳排放量，为我国"节能减排"的战略目标作出重要贡献。它可为非集中供暖地区的住户提供一种"住户自助式节能环保的采暖与热水供应方式"。有助于解决集中采暖地区采暖费收缴困难的窘境。随着城镇化进程的加快，居民对经济和环保需求的不断提高，推广清洁能源的采暖方式势在必行。低温空气源热泵、太阳能能重点作为建筑采暖技术加以推广，将具有非常大的现实意义。
　　
　　本课题所研究的太阳能与空气源热泵复合热源技术，特别是在太阳能的贡献率和系统的运行能效上，有待进一步完善与提高。同时，推动低温空气源热泵的产业化、规模化生产，降低成本与初投资是我们的奋斗目标。
　　
　　五、对该科研项目研究成果的建议
　　
　　国务院主管部门将"低温空气源热泵、太阳能与高效地暖组合式建筑采暖系统"纳入可再生能源利用的范畴，加大扶持力度，在经济上给予政策性补贴；在推广新型热泵采暖方式地区，根据当地的电力峰谷情况，享受一定的分时电价政策或补贴政策。