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一、工程简介

本工程为内蒙古呼和浩特大青山生态综合治理回民区段指挥部办公楼，建筑面积约为1447㎡，提供办公、生活、餐饮等功能。为响应国家环保治理及节能减排的号召，要求设计采用清洁能源采暖设备，并与原有热力换热站的输配设备、管路实现对接。

系统设计配置“中广欧特斯”北极星系列之超低温型空气源热泵机组作为本项目的热源设备，替换原有燃煤锅炉；并充分考虑了现有的末端形式（钢制散热器）与空气源热泵机组的适应性，通过对该建筑的采暖系统进行最佳设计和配置，为用户提供了舒适、便捷的采暖环境。

该工程于2015年9月初开始被确定为试点单位，随后进行系统设计，11月中旬确定改造方案并组织进行安装，2015年12月上旬竣工并完成系统调试，新的采暖系统经历了多股寒流甚至-30℃的低温环境考验，室内温度均达到了预期的技术指标，采暖系统运行一切良好。

二、系统设计

2.1 设计规范、规定

甲方提供的建筑图纸及工程资料；

《内蒙古自治区工程建设标准公共建筑节能设计标准》（DBJ 03-27-2007）

《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2012）

《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）

《实用供热空调设计手册》

《通风与空调工程施工规范》（GB 50738-2011）

《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB 50243-2011）

《辐射供暖供冷技术规程》（JGJ 142-2012）

《全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调动力》（2009版）

2.2 采暖设计基础资料

A、室内采暖主要设计参数

表1 采暖设计室内计算参数

B、项目所在地室外气象条件参数

查询相关设计规范知，呼和浩特市所属建筑热工气候分区为严寒地区A区，其室外设计计算参数如下表所示：

表2 室外计算气象参数

另外，呼和浩特市日平均温度≤+5℃的天数为167天（10月20日～4月4日），期间的平均温度为-5.3℃，极端气温-30.5℃。

2.3 采暖热负荷计算

A、冬季采暖热负荷计算

采暖系统的设计热负荷是指在某设计室外温度下，为达到要求的室内温度，采暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。冬季供暖通风系统的热负荷应根据建筑物或房间的得、失热量确定，而建筑物墙壁、窗户、顶棚等各个构成体传热不同均有不同的热量损失，而且与建筑材料的厚度、材质都有关系。构成采暖热负荷的因素主要为：1）维护结构传热耗热量；2）冷风渗透耗热量；3）冷风侵入耗热量；4）水分蒸发耗热量；5）加热由外部运入的冷物料和运输工具的耗热量；6）通风耗热量；7）最小负荷班的工艺设备散热量；8）热管道及其他热表面的散热量；9）热物料的散热量；10）通过其他途径散失或获得的热量等。

根据甲方条件、工程经验及暖通设计规范，结合实地勘察结果和本项目建筑物结构实际情况，冬季平均气温在-10℃以上，采暖热负荷指标按照60W/㎡计算。采暖热负荷采用面积热负荷指标法进行估算。

本工程中有效采暖面积为1200㎡，计算后可得采暖负荷为：

QA=S×Q'=1200㎡×0.06kW/㎡=72kW

B、散热器与空气源热泵的匹配问题

众所周知，一般地采用散热器作为末端的采暖系统中，采暖系统热源供回水温度为95℃/70℃，二次网设计参数75℃/50℃，供回水温差不宜小于20℃；而常规的空气源热泵机组的出水温度一般不大于60℃、循环温差为5℃。在散热器系统中，如何解决采暖供热水温和温差的问题是决定空气源热泵替换锅炉能否成功的关键。

经了解可知：1）本项目现有散热器型式为钢制翅片管式散热器，对水质要求不高，如此本项目可以设计成开式储能水箱的系统，使得二次水可设计采用大温差循环，以匹配现有的以20℃循环温差设计的管路系统；2）现有的小型锅炉往年运行时供水温度一般将二次水水温控制在65℃即可达到室内设计温度，初次安装时散热器的配比也比较大，如此可以通过校核计算确定当系统水温降至55℃时散热器的散热量能否满足采暖需要。

综合以上条件，使得空气源热泵机组替代锅炉成为了可能。

2.4 水系统设计

采暖水系统采用“储热式热源水循环加热方式”，设一只储能水箱，该水箱为热量交换水箱。主机侧，由空气源热泵主机进行小温差循环，不断加热水箱内的水，使水温保持在设定温度；使用侧，水箱内的水为散热器散热末端提供热量。

本方案中设计采用的主机侧水泵为一级泵、采暖水系统循环泵为二级泵；采用隔断水箱设计，主机侧为定流量循环、采暖负荷侧水系统为变流量系统（推荐采暖泵为变频控制，但考虑到集中供热的特点，改用压差控制）；双管制供热；管路采用同程式的管网系统。

采暖管材：当管径DN＜100mm时采用镀锌钢管，丝接；当管径DN≥100mm时采用无缝钢管，焊接。

采用B1级发泡橡塑材料保温，当管径≤100mm时，δ=40mm；100＜管径≤250mm时，δ=50mm。室外管道外设不小于0.7mm的铝皮制作防护层。严寒地区，建议管道及阀门处加装自带温控装置的电伴热带。所有水流设备和附件的工作压力不小于1.0MPa。

三、冷热源选型

由前述设计计算可知本项目冬季采暖的热负荷约为72kW。

3.1 空气源热泵机组选型

考虑到呼和浩特市属于严寒地区，为保证在低温环境条件下机组提供的热能可以满足建筑物的采暖需求，本项目空气源热泵设计机型采用了喷气增焓EVI技术的超低温机组。

热源设备选用中广欧特斯北极星系列2台ZGR-70ⅡAD型号的低温型二联供机组，安装在原有锅炉房的屋面。

设备的主要技术参数见下表：

机组的名义制热量是在名义工况下的参数，即额定工况测试条件为：干球温度7℃，湿球温度6℃，进出水温度40℃/45℃下测试得到的数据。

由中广欧特斯热泵性能测试实验室测得的数据可知，ZGR系列机组在呼和浩特市冬季采暖室外计算干球温度-17.0℃环境条件下、出水温度为55℃、供回水温差为5℃运行时，机组的制热量修正系数为0.55～0.58。

在最不利的运行条件下，空气源热泵机组能够提供的供热量为：70*0.55*2=77kW，略大于系统所需的72kW的散热量。

3.2 辅助热源选型

考虑到系统供热量必须保证冬季极寒天气下的采暖需要，且现有散热器末端设备所需较高的采暖供水温度，为保证供暖的效果，本项目设计采用二联供空气源热泵机组的循环出水温度为55℃，且设计采用20kW的辅助热源（管道式电加热器）。

值得指出的是，本项目在呼和浩特市“煤改电”政策的推动下，动力电源由风电企业专线专供，电价比较低，这也为辅助电加热器的使用提供了经济上的支持。

四、系统设计

4.1 储能水箱

本工程所用水箱为热量交换水箱，水箱的容积根据采暖系统要求选取；水箱容积越大，储存的热量越多，对整个采暖系统的稳定性来说更有利。

表4 常规采暖系统要求的容水量（L/㎡建筑面积）

除去末端管路及设备中的水容量，并综合考虑热稳定性、投资的经济性，本系统设计采用一只3吨的保温水箱。储能水箱除了储存热能的作用外，还有排气、缓冲、水分压、排污等功能。

4.2 排气及放水装置

管路系统的最高点或局部高点都设计并安装有自动排气阀。管路系统的最低点或局部低点都设计并安装有放水阀。

4.3 控制系统

A、热源设备的控制

二联供机组的启停控制采用的是机组面板的就地控制。二联供机组可根据回水温度或水箱温度（本项目制热时为55℃）控制机组压缩机的启停，来达到节能的目的。另外，二联供机组自带低水温保护、缺水保护、高低压保护等功能。

管道式电加热器作为辅助热源，只有当环境温度低于某一设定值，或储能水箱水温在特定的时间内无法达到设定值时才开启。否则，处于关闭状态。

B、采暖水泵的控制

采暖水泵的启停由采暖系统总回水管的温度控制启停。

C、缺水控制

采暖管路供回水总管之间为防止水泵缺水，设有压差旁通控制系统。压差旁通阀的分流作用使流经热泵机组的水量稳定不变。

另外，热泵主机缺水运行时，会开启水流故障报警，关闭压缩机及机组循环水泵的运行。

五、系统运行检测记录表

本系统自2015年12月16日正式运行至2016年4月16日采暖季结束，采暖效果良好，均达到了设计技术指标，用户评价很高。

为响应新能源试点需要，工程商自运行开始便全程记录了系统的运行情况。一般气候下，将水箱内水温设定在50℃时，室内温度可以轻松达到20℃～22℃的设计温度。即使是在2016年1月22～23日呼和浩特市的最低气温达到了-30℃的极寒条件下，室内温度仍能保证在20℃以上。

根据本项目的运行状态，2015年12月16日正式运行至2016年4月16日采暖季结束，期间共耗电51200kWh，结合采暖后期两月的耗电量（16408kWh），可推知：整个采暖季10月15日～4月15日耗电量约为51200+16408=67608kWh。可知该项目采暖季能耗不会大于47kWh㎡。