可再生能源空气源热泵系统在贝赛思国际学校项目中的应用分析.pdf

年 期 可再生能源空气源热泵系统在贝赛思国际学校项目中的应用分析方 菲（中国建筑设计研究院有限公司，北京）摘 要 在倡导节能减排政策的背景下 热泵技术有效地推动了清洁能源的高效利用 显著提高了发展绿色低碳建筑的经济和环保效益 文章深入分析了贝赛思国际学校项目的冷热源 探究了空气源热泵系统利用低品位可再生能源 并通过电力驱动替代消耗传统化石能源 实现建筑物的供冷和供热 关键词 空气源热泵系统 可再生能源 节能减排中图分类号 作者简介：方菲（），研究方向为建筑环境与设备工程。引言随着我国经济快速增长，能源危机问题日益严峻，合理利用可再生能源，促进化石能源向清洁能源转变，是实现我国节能减排目标的有效途径。年 月北京市政府出台有关北京市碳达峰实施方案的通知，持续提升能源利用率，推动京津冀能源低碳转型，加强区域低碳能源合作发展，协同合力推动碳达峰碳中和。相比传统空调系统，空气源热泵系统的综合性能系数较高，且减少了化石燃料的消耗，是降低建筑整体能耗、促进终端用能清洁化、提高可再生能源利用率的有效方式。与住宅类建筑供暖需求的连续稳定不同，教学楼供暖的特点是间歇性，所以对供暖系统的控制有较高的要求。当寒假师生不在校期间，可采用值班供暖维持室温不低于 ，以降低建筑的供暖能耗。确定的项目冷热源北京市新增产业的禁止和限制目录（年版）自 年 月起实施。为落实热力生产措施中禁止新建和改扩建燃气独立供热系统的相关要求，实施原则为新建供热项目采用新能源和可再生能源耦合常规能源供热。其中新能源和可再生形式包括地热能（含浅层地热和中深层地热）、再生水（污水）源热能、空气源热能、城市和工业余热、生物质热源（含垃圾焚烧和其他生物质供热）、绿电（含蓄热）和太阳能等。具体的实施细则为耦合常规能源方案中新能源和可再生能源装机容量占比不小于项目总装机的，常规能源作为调峰或辅助热源。根据北京市规划自然资源委及发展改革委员会下达的一系列政策，贝赛思国际学校为新建项目位于北京市顺义区，气候分区属于寒冷 区。室外计算参数为供暖室外计算温度为，冬季通风室外计算温度为，夏季通风室外计算温度为，夏季空气调节室外计算干球温度为 。其冬夏季的室外计算温度均满足空气源热泵在名义工况下的室外设计工况，故该工程的冷热源均由设置在屋顶的螺杆式低温空气源热泵机组提供，冷冻水供回水温为 ，空调及地暖热水供回水温度均为 。在各单体地下室智能技术与设计中国厨卫 中国厨卫均设有空气源热泵附属设备用房，设有三台循环水泵（二用一备），采用一台定压补水装置为冷热水系统定压，配有两台补水泵（一用一备）及闭式膨胀定压罐。空气源热泵的原理及特点 空气源热泵机组的选用原则空气源热泵特点是在夏季从较高温的室外空气中提取冷量对建筑供冷，在冬季从较低温的室外空气中吸取热量来对建筑供热。通常能同时实现制热与制冷功能，即冷凝器放出的热量用来制热，蒸发器吸收的热量用来制冷的装置称为热泵。空气源热泵可以一机多用，利用空气能冷却而不消耗冷却水，减小主机房的使用面积（甚至完全不需要机房），安装方便且维护管理简单。空气源热泵系统是利用空气低品位热能的一种常用方式并具有显著的节能效果，在我国已经得到广泛的应用。冬季机组室外换热器表面温度低于 时，盘管上的凝结水就会结霜结冰，达到规定限度时，机组进入化霜循环。机组化霜过程中停止供热，热水温度会下降，化霜期间机组还要从热水系统吸热会导致进一步降低水温。因此，空气源热泵机组冬季的制热量应按照室外空调计算温度修正系数和化霜修正系数来计算，按 公式进行修正。其中 为使用地区室外空调计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；为机组化霜修正系数，当无具体参数时可按每小时一次取，二次取。空气源热泵性能系数空气源热泵系统用于严寒及寒冷地区时，应采取防冻措施。当室外计算温度低于空气源热泵机组平衡点温度或当室内温度稳定性要求较高时，应设置辅助热源。设置辅助热源后应注意防止冷凝温度和蒸发温度超出机组的使用范围，辅助加热装置的容量应根据在冬季室外计算温度情况下空气源热泵机组有效制热量和建筑物耗热量的差值确定。热泵循环是用制热性能系数来衡量热泵循环性能的优劣。对于蒸气压缩式热泵循环，制热系数 的定义为热泵的制热量（即冷凝器热负荷）与耗功量 之比，即（），由此可得热泵的制热系数 永远大于。目前，市场上的产品均采用高效空气源热泵作为冷热源，根据 建筑节能与可再生能源利用通用规范中 条文规定，寒冷地区采用空气源热泵机组供热时，冬季设计工况下冷热风机组的制热性能系数不应小于，冷热水机组的制热性能系数不应小于。空气源热泵机组的特点空气源热泵的压缩机至少要能在蒸发温度为 （双级压缩可达），冷凝温度不大于 的条件下正常工作。当采用 时，在低环境温度下工作时，压缩机工作的压比高、排气温度高、吸气密度小、质量流量下降，容易引起内置电动机和压缩机过热。因此，热泵用压缩机必须在电机内设置内置式温度传感器或继电器，以迅速可靠地保护电动机，或将一定量的液体制冷剂喷入压缩机，以冷却内置电动机。此外内置电机需选用改进的绝缘材料和环氧浸渍工艺，以提高电动机的耐高温能力。空气源热泵的弱点是冬季供热时制热量随着环境温度的下降而显著减少，刚好与用户需要供热量增大的需求相反。因此，压缩机应有较小的相对余隙容积，并提高压缩机在大压缩比工况下的性能系数。压缩机冬夏季均要使用，累计运行时间长，压缩机运转部件的工况恶劣且变化范围大，因此压缩机的可靠性要求高，使用寿命长。室外机的设置要求空气源热泵机组的室外机均应置在室外地面或建筑屋顶，应确保进风与排风通畅，在排出空气与吸入空气之间不发生明显的气流短路，避免污浊气流的影响，噪声和排热应符合周围环境要求，便于对室外机的换热器进行打扫。由于室外机组噪声影响周围环境，因此必须对室外设备的噪声进行控制，室外设备尽量选用低噪声的设备；合理安排设备位置，尽量远离需要安静的建筑和房间；采用隔声屏障以减小设备噪声对需要安静房间的影响，屏障离声源越近或屏障越高对隔声越有利。学校类项目优化方案 物化生实验室的通风设计实验室通风系统应根据工艺要求并结合供暖空调系统进行综合设计，在减少通风系统对供暖系统影响的同时，降低供暖通到空调系统的运行能耗，设置机械进排风系统的实验室应进行热风平衡计算。根据 中小学校设计规范，教学楼中的化学实验室外墙设置两台壁式排风机，排风换气次数按 次，补风为通过门缝自然补风，且风机室内侧设置带保温的保护罩，室外侧设置防风罩。同一个实验室内相同使用性质的排风装置可合用一个排风系统，但合并后通风柜不宜多于 台。实验室要求设置独立的实验桌排风系统，换气次数按 次，并设置机械送风，送风量不小于排风量的 ，且冬季送风设置热水盘管段进行加热，加热后送风温度不低于 。化学实验室准备室设置独立的排风系统，换气次数按 次，补风为通过门缝自然补风。使用强腐蚀剂的实验室应设置独立排风系统，不得利用建筑物的可燃和难燃烧结构直接作为风管侧壁，排出的气体有害物浓度超过相关规范允许的排放浓度时应采取吸附净化等措施达到排放要求。在排除有害物质时，有机气体一般采用活性炭吸附，无机气体一般采用喷淋塔，利用酸碱雾化中和无机物。排除强酸（如盐酸、硝酸）强碱强腐蚀气体的通风设备及管道应采用达到防火要求的复合 材质或无机玻璃钢制作。中国厨卫 智能技术与设计 年 期 高大空间的空调系统设计体育馆、礼堂、多功能厅等高大空间设可调新风比的一次回风全空气系统，全空气系统最大新风比不低于 。过渡季和冬季应充分考虑利用室外新风做免费冷源供冷。在春秋季，当室外新风比焓小于回风比焓时，一次回风系统应从变新风工况转变为全新风工况。对于冬季需要供冷的系统，当室外新风温度低于送风温度时，应该从全新风工况转变为最小新风工况，通过调节新风比混合达到一定的送风温度。全 变新风工况运行时必须充分考虑到送排风平衡。所选空调设备能效比 值均满足国家节能标准，所有通风机采用高效节能型风机，通风空调系统风机的单位风量耗功率满足国家要求。室内空气处理机组独立处理新、回风，风机设变频器，在部分负荷时，变风量节能运行；新风比可调，空调系统在室内靠近回风口处设置 个墙壁型 传感器，对室内 浓度水平进行监控，并与空调通风系统进行联动，根据浓度信号调节新风比。空调系统采用自控系统，既提高了使用舒适性，又防止因超温和不合理运行造成的浪费。通风或空调系统与室外相连接的风管和设施上应设置可自动联锁关闭且密闭性能好的电动风阀，并采取防冻保温密封措施。空调机组及新风机组空气净化采用 初效过滤器电子净化中效过滤器，其中电子净化器效率不低于 ，电子净化器与空调或新风机组同步启停。食堂厨房的通风设计学校类建筑中厨房及食堂是必不可少的，暖通专业除了要保证厨房加工区域的排油烟功能正常使用，还需保障燃气管路经过区域设置独立的事故通风及防爆要求。近年来餐饮厨房排风的土建条件预留普遍不足，导致实际厨房灶具运行时排风效果不良。当厨房通风不具备准确计算条件时，其灶具排油烟量及相关设备和风管尺寸可按换气次数按 次 估算，补风量按排油烟风量的 设计。冬季厨房排油烟补风及平时送风均设置热水盘管段进行加热，加热后送风温度为厨房排油烟补风 ，厨房平时送风 。厨房灶台排油烟应经进行净化、除味处理达标后屋顶高位排放，油烟净化器采用静电型油烟净化器，且带自动清洗功能，净化效率不低于 ，排放浓度应满足相关国家标准。排油烟风机应设置弹簧减震及自带机壳消声棉等消声处理措施，满足 声环境质量标准第 条要求：置于 类住宅风机噪声不大于 （），置于 类商业类噪声不大于 （）。厨房排油烟管道底部应设清扫口。厨房排油烟的尾气排放高度均应满足环评报告要求及当地相关部门的环评要求。厨房热加工间及燃气表间均设有燃气泄漏及一氧化碳浓度检测报警系统，事故通风系统与燃气报警系统联动，且事故通风的手动控制装置应分别设置在室内外便于操作的地点。当燃气浓度超过额定标准时，事故排风机将开启，并连锁送风机开启，同时切断紧急供气阀门，事故通风的换气次数为 次，平时送风量不小于排风量的 ，事故及事故后送风量不小于排风量的 。事故通风机均采用防爆型，且应设置导除静电的接地装置。结语能源危机和环境污染问题日趋严重，因此必须要实现建筑行业的可持续发展。通过对贝赛思国际学校冷热源及空调系统的分析，探究出学校类项目的设计优化方案，在保障师生教学环境舒适的前提下，优化采暖空调系统方案，实现低能耗高能效的目标。从方案设计至施工图完成的全过程中，应始终将合理确定和选择冷热源的事项放在首位。设计人员除了考虑建筑的性质、规模的应用要求和本专业的相关技术外，还应重点考虑建筑所在地的能源结构、能源价格、能源政策（包括能源的季节性供应和使用情况）、节能减排与环境保护要求以及采用冷热源装置的投资与运行维护费用等因素。对于具体的工程，应通过详细的技术、经济等方面的综合比较后确定冷热源。随着频繁的雾霾天气，推动节能减排政策，通过采用空气源热泵代替传统的燃煤燃气锅炉，走一条绿色低碳的可持续发展道路。参考文献 唐毅，杨仕超，林昌元 种空气源热泵热回收机组的比较暖通空调，（）：冉小鹏，翟晓强，骆琼喷气增焓空气源热泵补气量对系统性能的影响制冷学报，（）：，中国建筑科学研究院公共建筑节能设计标准：北京：中国建筑工业出版社，：顾兴蓥民用建筑暖通空调设计技术措施北京：中国建筑工业出版社，智能技术与设计中国厨卫