EVI变频变水温空气源热泵是解决寒冷山区清洁供暖的有效方案

  摘要：近年来，空气源热泵水系统采暖技术得到很大的发展，从2016年起，在北京周边地区，空气源热泵煤改电清洁供暖技术得到用户的认可，对清洁大气环境减轻冬季雾霾起到了明显的作用。寒冷山区多以散煤燃烧采暖为主，山区地域广泛，村庄分散，解决好山区清洁供暖问题，一方面进一步改善大气环境;

  同时也提高了山区人民的生活品质，符合我国战略发展要求。山区居民消费水平比较低，要求尽可能提高供热系统COP降低能源消耗;昼夜温差大，则要求供热方案能够在夜间提供高水温白天提供低水温实现供水温度在高温低温间的自动调节，EVI变频变水温空气源热泵正好具备这一特点，因此从技术上看是解决寒冷山区清洁供暖的有效方案。

  近年来，空气源热泵水系统采暖技术得到很大的发展，从2016年起，在北京周边地区，空气源热泵煤改电清洁供暖技术得到用户的认可，对清洁大气环境减轻冬季雾霾起到了明显的作用。寒冷山区多以散煤燃烧采暖为主，山区地域广泛，村庄分散，解决好山区清洁供暖问题，一方面进一步改善大气环境，同时也提高了山区人民的生活品质，符合我国战略发展要求。

  EVI(EnhancedVaporInjection)技术，即喷气增焓技术，是一种在传统单级压缩制冷循环的基础上，在单级压缩机中间腔增加一个回气口的冷媒循环技术，就压缩机的结构而言，，典型的外部特征是一个排气口，2个回气口，下图是EVI压缩机实现冷媒循环的典型图例之一。

  EVI的本质是单级压缩、2级节流、中间回气，相比与单级节流单级压缩，理论上减小了冷媒循环的不可逆损失，因此可以提高冷媒循环的热效率，由于压缩机机械结构及中间回气口实现方式的差易，如转子压缩机和涡旋压缩机，在一个压缩周期内，中间吸气口的压力是再波动的，实验验证，EVI技术在2个方面作用明显：

  1)高压比情况下，降低压缩机的排气温度;

  2)高压比情况下，提高了蒸发器的吸热能力，因此提高了制热能力，同时提高了制热COP;

  变频技术的核心要点在于改变了电机的动力特性，使其可以和负载的阻力特性相匹配，从而提高电机效率和电机对剧烈变化负载的适应性，同时实现“按需输出”，因此，EVI变频技术的应用，非常适合在环境条件变化范围大，同时效率要求高的场合应用和发展。

  一、寒冷山区供暖的现状及环境条件特点：

  1.北方山区村落分散，很多房屋顺着地势而建，建筑形式、房屋大小、建筑结构多样化，各地有各地的风土人情和建筑习惯，在采暖方式上，基本是以散煤燃烧的小炉子、土炕为主，这样的地理人文条件，决定了清洁供暖解决方案应该是分户式的供暖方案;

  2.山区居民收入普遍比较低，用户非常在意运行费用，除了国家提供相应的用能补贴政策外，清洁能源供应方案应该有：可靠性高，运行费用低的特点，所谓的运行费用低，是以和当前散煤燃烧的情况相比;

  3.山区的气侯条件是：供暖时间比相邻城市地区长1个月左右，总体平均气温也比相邻城市地区低3~5度，且昼夜温差大，这要求，供暖设备有自动调节供暖水温的功能，而且，我们应该关注系统的综合能效比SCOP，而不是系统在某一设计工况下的能效比;

  4.山区的电力基础设施相对薄弱，离城区越远，户均电力配套电功率越低，按照北京周边地区的数居，原先山区居民电力配套，主要考虑了：照明、冰箱、洗衣机、电饭堡等低功耗电器的配电需求，日均电力约2KW，解决这一问题，一方面应该对现有电力设施升级改造，另一方面要求清洁能源供暖方案的电消耗功率尽可能小，设备启动对电网的冲击要求，设备运行对电网波动的容错率要高;在清洁供暖方案中，有2大技术途径：天燃气和电，从能源的输运、使用的安全行、可靠行等特征分析，采用电供暖方，相比于燃气，具有如下优越性：

  1)电力输送，比燃气输送的效率更高;

  2)在现有条件基础上，电网升级改造的投资成本要低于燃气管网投资成本;

  因此，在确立以电能为主的清洁供暖方案后，主要的方向就是提高电能为来源的电供暖效率!在笔者调查山区方案的过程中，有个现象特别有意思：即居民在建筑特点和生活习惯上都充分考虑了本地区的气侯特点，经过几千年的变迁，当地居民发展出了独特的安全过冬的建筑方式和生活方式，如下图，是张家口宣化地区的一坐民宅，院子很大有100多平。

  但真正使用的房间面积只有50来平，冬季只给1间房，最多2间房供暖，一个屋子长5米宽3米15平方大，冬季长期供暖面积也就30平米左右，房屋净层高较矮约2.3~2.4米，尖屋顶，而且冬季在窗户外和门外都挂上棉帘子，主要目的是不让窗户玻璃上结水或结冰，同时也起到了对门\窗的保温作用!这些特点对我们考虑山区方案都是极有参考价值。

  二、EVI技术能有效提高供水温度，提升低环温下机组的制热能力和制热COP

  下表，我们对带EVI和不带EVI的2类系统，进行了对比测试，篇幅所限，此处只各列1组数据参考，更多的数据表明，所得到的规律性是一致的!

  从上面数据可以看到，可以得到如下结论：

  1)EVI对COP的影响：45度以下，水温不高时，不带EVI产品的COP比带EVI产品的高，但水温到55度时，情况就反过来，带EVI产品的COP明显高不带EVI产品的，大约高20%;

  2)EVI对制热能力的影响：在35度，45度这样的低水温下，制热能力随环温度降低而衰减的趋势是一样的，但在55度水温时，带EVI后的制热能力衰减明显慢过不带EVI产品的，EVI技术使得在55度水温下制热能力的衰减和35/45度下制热能力的衰减类似;

  3)在低水温情况下，EVI对制热能的减缓制热能力随环境温度的衰减，及制热COP作用不明显;

  说明EVI技对低环温下高水温供热，无论从能力上还是效率上都有很大帮助;

  三、变频变水温供暖，是提高系统全年综合能效比SCOP、降低能耗的有效途径

  对一已成的建筑物，室内热负荷随着环境温度的变化而变化，室内散热器的类型及布置已经完成的情况下，有3类方式来解决供热量和热负荷之间的平衡：

  1)调节供给室内散热器的水流量;

  2)调节供给室内散热器的水流通断时间;

  3)调节供水温度;

  在热泵供暖系统里面，调节供水温度是最有效率的控制方式，如上节中所举的台机器的试验参数所显示的，供水温度对热泵的COP有明显影响，供水温度越高，COP越低，从上面的数据看，温度每升高1度，COP下降约2%;下图，是空气源热泵制热能力和建筑物所需负载在不同环温下，对比变化的一对交叉曲线，在80%以上的时间，机组工作在部分负荷状态，变频变水温机组，在如下几个因素上，能大幅提高机器的综和季节能效比SCOP：

  1)在部分负荷的状态下，降低供水温度，降低热泵的冷凝压力，提高机组COP;

  2)在部分负荷状太下，降底机器的频率，减小机组冷媒循环流量，在特定的水温和特定的环温下，提高媒媒循环的蒸发温度，降低冷媒循环的冷凝温度，提高机组的制热COP;在北方山区，普遍情况昼夜温差超过10度，建筑物的保温不标准，采用地暖为末端的很少，多数使用散热器作为采暖末端，要求机组供水温度随着环境温度自动调整，以提高全年纵合能效比SCOP，降低全年使用费用;

  我国现有标准IPLV(H)不能反应机组在变水温下的能效状况，我们在另一篇文章《基于设计热负荷的空气源热泵变水温运行能效评估方法》中介绍了基于房屋设计温度/设计水温的的变水温全年季SCOP计算方法，读者很容易计算出在设计供暖水温为55度时，空气源热泵全年季变水温季节效率，这个结果，和机组真正运行的结果，应该可以做大最大程度相近!大家可以参考!

  四、EVI变频变水温空气源热泵分户供暖典型方案

  以北京延庆地区120平方米农村居民的常用户型为例(如图一)

  (图一)

  室外气象设计计算参数：

  经负荷计算可得热负荷计算书(如图二)：

  (图二)

  由上表可知北京延庆地区120平方米的农村居民常用户型采暖所需热负荷约为7.5KW，室外环境温度为-12℃时，其制热量约为8.65KWd的EVI变频变水温机组，额定制热输入功率为3.73KW，冬季可在-25℃的环境中正常供暖，确保山区农户冬季采暖需求。系统原理图：

  采暖季运行费用预估：以北京地区采暖季120天计算;采暖季运行费用预估：以北京山区采暖季135天计算。

  案例运行效果分析：

  以上表格信息由远程监控测试得出，该户型平均每天耗电量约为42.9kw.h，平均每天每平方米耗电量约为0.23kw.h;系统节能效果显著，运行稳定，运行效果良好，用户满意。

  上述例子表名，在北方寒冷山区，采用EVI变频变水温空气源热泵分户式供热方案，具有如下优点：

  1)在环境温度很低情况下，制热能力衰减量较小，且可以提供55度以上的高水温，既可适用如地暖\低水温散热器等新型散热末端，，也可适应暖气片;

  2)变频变水温技术，可以明显提高供热系统运行能效比，相比于定水温供热，综合能效比提高30%以上，降低了用户的运行费用，山区昼夜温差大，一天之内也应该不断变化供水温度以达到最佳运行能效比，这一点，对经济能力较低的山区用户尤为重要;

  3)EVI变频变水温空气源热泵，启动电流小，对电压波动的容错率高，适合山区电网状况，最大程度上确保系统稳定运行;

  当然，由于山区农村居民供热事关百姓生命财产安全，近年各种极端天气频现，我们在推进以电能为主的高效率清洁供暖方案时，应该做好预备措施，在欧洲，远离城区居民家庭必备燃柴用的壁炉，以备极端天气造成电网中断的突发状况，这一方法，值得我们借鉴!