空气源热泵暖气片散热器 供暖系统的应用
2013年，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25.7m²/人增加到38.1m²/人，住宅总量有所增加。
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，而且室内采暖系统直接采用冷媒管路连接，直接加热暖气片散热器，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，将大大改变北方地区大气污染问题。然而空气源热泵能够加热暖气片散热器末端表面的温度一般来说不超过55℃，低温热量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结构来实现空气源热泵+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，为农村住宅改变生活环境，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。
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山西省太原市，该住宅整体长13.8m，宽11.9m，房屋净高为 3.8 m，占地面积约164.22m²，采暖面积为96.7m²。
该住宅共有 8 间房屋，房间内供暖末端散热设备为散热器，采用冷媒直接加热末端散热器的形式，每组散热器之间用冷媒分歧管并联；散热器类型为四柱GB22型钢制板式散热器，住宅的房屋结构及室内采暖系统情况如图1所示。
该住宅采用的是广东芬尼克兹节能设备有限公司研发制造的分体式低环境温度空气源热泵机组。室内采暖的热媒仍然为R410A冷媒，由于暖气片表面的温度不超过55℃，属于低温热源供热。
由于农村地区的房屋节能保温性能相对城市较差，所以我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80W进行估算。经过计算得到该建筑的冬季设计采暖热负荷为7736W。
1.2 散热器的参数
该系统采用的是GB22型钢制板式散热器，该散热器的散热面积为3.86m²/片，根据文献[2]，传热系数计算公式为：
K=2.503△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。
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GB22型钢制板式散热器在高温水运行时的曲线绘制出来，并延长得到图 2。
1.3 模拟计算
根据四柱760铸铁型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/(m²·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 。
令 △t=tpj-tW，散热器的散热量可以由式(2)求出，
Q=2.503△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)。
北京地区采用聚苯板外保温进行节能 改造的农宅节能率达可达45%以上，而在建筑节能“三步走”的战略中的二步即节能50%，北京地区要求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高不会超过50 ℃， 取高出水温度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。
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，但总体来看多为原来的一倍，实际需增加的片数应小于这个数值。
但是这种增加散热器片数的方法，可能面临到空间不足，成本增加的难题在农村地区不容易被大众所接受。对于供水温度处于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，更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，使用习惯不容易被改变，所以将热源更换为空气源热泵，末端在原来散热器基础上改为散热效果更佳的钢制板式散热器，这种方式更具有优越性。
根据文献[2]，GB22型钢制板式散热器单位面积散热量为760铸铁型散热器的2倍，因此保持和原来占墙面积一样的GB22型钢制板式散热器就可以满足，无需增加暖气片占墙空间。
2 研究结论
通过以上的模拟计算，我们可以初步得到以下结论：
(1)通过改变散热器形式来保证低温供热温度条件下满足室内供暖需求的方式在理论上是可行的，并且这样的方式在农村地区非常的适用，减小了工程量，没有改变用户的使用习惯，接受程度高。
(2)目前的数据只验证了GB22型钢制板式这一种散热器在热源条件下运行的情况，对于其他类型的散热器的性能还有待进一步的研究。并且对于用低温水供给散热器时，应在原有基础上增加的散热器片数都需要进一步的模拟计算。后面的模拟还应解决：对应确定的散热器类型、确定的热源温度，每平方米面积对应散热器片数，以便在以后进行供热改造的时候进行简单的计算。
(3)目前机组的运行存在“高表面温度大温差”的问题， 散热器内部流道在设计上应进行校核匹配，以保证这种方式的节能性并提高系统的COP值。
3 结语
结合太原市农宅采暖现状，提出空气源热泵代替燃煤锅炉并改变末端散热器形式的供暖方式，建立某农宅的建筑模型，通过模拟计算来研究这一方案的可行性，经过分析，该方案理论上是可行的，并且实际运行效果良好，满足农村住宅的室内温度环境的需要。这种方式不改变用户原有的使用习惯，且没有复杂的水路安装工程，相对简单且易于为既有建筑使用者所接受，适合在农村地区推广和使用。
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