空气-水热泵改造
一位机械工程师在用空气-水热泵代替丙烷锅炉为他的家供暖后分享了经验教训。
作者:Brian Just
空气-水热泵产生了很多嗡嗡声,但有人安装它们吗?当我们在2015年购买基于水力系统的房屋时,我对用空气-水热泵(AWHP)取代丙烷锅炉的前景很感兴趣。但没有人这么做,设备选择也很有限:大金阿尔瑟玛(Daikin Altherma)已经从市场上撤下,桑登(Sanden)正在太平洋西北地区的几个家庭中进行测试,我不知道还有没有其他可供市场选择的设备。
四年过去了,我们终于采取了行动,现在我们的AWHP已经度过了第一个冬天的三分之二。我学到了很多。考虑到关于这项技术的报道很少,我想我应该分享一下我们的故事。在我深入讨论之前,我要指出,许多人认为行业和承包商基础还没有到位。是吗?我现在认为答案是“是的”,或者至少“差不多”。
项目目标
在我们搬进这所房子的第一年,我们有一次一氧化碳恐慌,在半夜把我们从家里疏散了出来。这是一个很容易通过锅炉维修解决的泄漏问题,但这让我们更加希望完全摆脱对丙烷的依赖:这不仅可以改善健康和安全,而且我们再也不用处理丙烷供应合同,冬季燃料交付以及不受监管的燃料价格波动(目前,丙烷成本很低,但近年来一直徘徊在每加仑4美元的范围内)。考虑到我们的电力公司相对清洁的发电组合,从化石燃料燃烧过渡到电力也可以帮助我们成为更好的气候公民。
我们本可以直接安装微型分体——这当然会更容易,我稍后会说到——但是我们喜欢我们的辐射板,并希望至少重复使用我们的一些水力基础设施,我们不希望微型分体的头和线集散布在房子的内外。
总而言之,我们希望消除家庭中的化石燃料燃烧,改善健康和安全,使用现有的水力基础设施,固定在更稳定的能源价格上,并以更低的温室气体影响运行我们的家庭。在此过程中还实现了其他好处,但我将在稍后讨论。
固定分布
我们的平板房在主层的平板内嵌有辐射加热管。二楼区域由串联安装的踢脚板散热器组成(单个环路),服务于四个房间。为了评估该系统,不仅要计算出住宅的供暖设计负荷,还要计算每个房间的负荷,这一点至关重要。我使用REM/Rate来估算供暖设计负荷,然后使用基于excel的UA计算器进行更深入的研究,并查看房间负荷。
在这样做的过程中,我发现现有的系统在楼上的一个房间——主卧室里小了30%,考虑到我们的舒适体验,这并不奇怪。这是用180华氏度的锅炉供水。现在,用120华氏度的供水来代替——这是空气-水或地源热泵的合理上限——现有的发射器大约小了4倍。楼上的其他房间由于温度较低,面积会缩小三到四倍。
这部分令人沮丧:如果我的房子的二楼有平行的管道(从机械室到楼上每个房间的专用供应和返回),升级热辐射器可能会相对简单。但在串联中,在从120华氏度的水开始并且每次水到达另一个发射器时下降度之后,几乎不可能为循环中的第二,第三和第四个房间提供足够的热量。
![Upstairs-flow-direction](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06142203/Upstairs-flow-direction.jpg)
正确的方法是在每个房间都打全垒打,但这意味着要撕开地板、墙壁和天花板的组合。这是一个主要的障碍,我们只有在承诺在供暖系统工作的同时安装一个ERV和它的管道工作后才证明(最终,并不是没有重大保留)。当我们忙着拆东西的时候,我们决定彻底翻新房子里唯一的全套浴室。范围蠕变吗?绝对的。但这些其他因素最终有助于推动项目的发展,而不是仅仅安装一堆小隔板,放弃平衡通风的想法,然后收工。
向前。新的分配系统必须合理设计。2016年,我参加了John Siegenthaler关于awhp的课程,并获得了一些关于设计低水温分配系统的基础知识。使用地源热泵的人已经知道这些选择:辐射墙/天花板/地板,高输出踢脚板,风扇盘管,风扇辅助面板散热器和普通面板散热器。
我最终选择了板式散热器。它们在世界其他地方随处可见,机械结构非常简单,不需要电力,而且相对便宜。楼上房间的负荷从1800 btu/h到5600 btu/h不等。最终的设计包括两个大的三板板散热器(用于两个较大的卧室),两个小的两板板散热器(用于浴室和第三间卧室),以及一个小的两板散热器用于阁楼空间。
值得注意的是,习惯锅炉安装的人会认为它们太大了。但是对于120华氏度的供应,一个大约0.28的系数必须乘以制造商列出的输出(在180华氏度的供应)-尽管他们完全有能力在较低的温度下发出有用的热量,大多数制造商不公布那么低的输出,你必须深入研究技术文献才能找到它。请注意,散热器的大尺寸并不是问题;有数百种尺寸可供选择,这使我能够创造性地将面板散热器与每个房间的独特空间和窗户配置相匹配。有趣的是,选择更大的尺寸并没有带来很大的价格溢价。
选择AWHP
在我家的室外采暖设计温度(-6°F)和室内温度为68°F时,REM/Rate给出的设计热负荷为31.1 kbtu/h。我自己的UA电子表格产生32.3 kbtu/h。
目前,我知道在美国有五种住宅尺寸的空气-水产品:Aermec,北极,Chiltrix,北欧,SpacePak。均采用R-410a制冷剂。Sanden用二氧化碳制成空气-水热泵2作为制冷剂,从全球变暖影响的角度来看,这是非常有吸引力的,但目前只销售供应生活热水(DHW)的系统;调制空间加热版本正在太平洋西北地区进行测试,但尚未上市。
我喜欢拆分系统的某些功能,它将产品范围缩小到一家制造商北欧。虽然不熟悉使用该设备的安装,但我感到欣慰的是,他们是一家北美制造商(加拿大新不伦瑞克省),他们的产品围绕着他们长期建立的地源热泵生产线。与单块设计相比,他们的系统的优点是,它将大多数敏感的电子设备和活动部件保持在室内,不需要平底锅加热,曲轴箱加热或持续循环,并且避免了对乙二醇的需要,因为只有制冷剂通过建筑围护结构。单块设计也有一些优点,我将在后面介绍。
北欧所有的设备运行温度都在零下6华氏度,但在低温下(据我所知,5华氏度甚至更低),它只能将水加热到105华氏度。合适的尺寸对我来说很重要,我决定使用ATW-65型号;在5华氏度时,它的容量几乎完全符合我在那个温度下的热负荷计算。
他们的热泵被设计成与一个EcoUltra缓冲罐(50或70加仑的选择)集成在一起,如果热泵不能使用,不能满足设定点,或者温度降至运行极限以下,则有一个电子线圈提供备用。我选择了70加仑的版本和一个适当大小的线圈。就其价值而言,已公布的热泵性能在5华氏度及以下受到很大影响;现实情况是,外面这么冷的时候,我们大多会烧木头。
系统设计
我的设计的早期迭代(几年前)是基于一个单块热泵和循环30%的乙二醇通过整个系统。如上所述,我喜欢分离式系统的部分原因是我可以避免考虑防冻液和它的维护。
我们还做了一些其他决定:
- 冷却:我们选择了反对;我不想处理冷凝水管道,我和我妻子都不喜欢空调
- 生活热水:在考虑了各种可行的方法来整合它(北欧有内置的DHW预热规定),我决定保持DHW独立
- 管道:我们决定采用3管设计,以减少缓冲罐中的混合
我的信条是简单,简单,再简单,这也影响了我放弃冷却和DHW的决定。结果,我认为,是机械优雅和可重复的。非常感谢John Siegenthaler,他是一个伟大的思想伙伴,完成了系统示意图,以及Efficiency Vermont的Nathan Mascolino,他是一个非常有知识的顾问。(披露:我和内森在Efficiency Vermont共事。)
![](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06143440/system-schematic.jpg)
安装
项目的第一阶段发生在2018年4月至6月,当时我有选择地拆除了房屋内部,为供暖和通风系统安装了新的分配系统(并重新装修了主浴室)。这很痛苦,花的时间比我们预期的要长。有人感到惊讶吗?
我使用PERT(聚乙烯升高温度)管而不是PEX(交联聚乙烯)。这种材料只能在120°F的温度下使用,而PERT可以处理180°F的温度,因此不需要PEX。两种材料都有各自的优点,但我喜欢的是PERT更容易回收,而且成本差异不大。
从机械室到办公室(失去了两个小的存储角落),配电装置上升了一层,为主卧室服务。这两个房间都必须垫出1 1/2英寸,为管道腾出空间,以避免结构梁。然后,一部分气流上升到另一层,进入阁楼空间,进入一间没有空调的平阁楼(覆盖着R-30的空气密封绝缘材料),然后顺着内墙向下,进入另外三个房间的楼层。这一切都很不方便,但最后效果很好,没有人看到这个家会知道。
![办公室墙壁](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06143637/office-wall.jpg)
在这一点上,该项目暂停了近一年。我们把锅炉留在原地,在2018-19年冬天为楼下提供服务。我们烧木柴使楼上足够暖和。我们睡在凉爽的一面,所以这是可以接受的一个冬天(只有一个冬天)。
![mech-room-intermediate](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150107/mech-room-intermediate.jpg)
第二阶段发生在2019年4月至6月。锅炉和间接罐被取出,我们的丙烷罐被断开并从前院挖出来,我们安装了一个热泵热水器,以保持DWH的连续性。然后进行了空气-水热泵的安装。
我很幸运地与Solar Harvester的一位注重质量和尽职尽责的暖通空调承包商Bill Chidsey一起工作。我们一起为室外机在霜冻线以下安装桥墩,并为室内机做准备。他勤奋地处理ACR管(切割,搅拌,最低15%银,干氮吹扫,真空),这对于避免制冷剂污染,减少未来泄漏等至关重要。这就是一个整体系统的亮点所在——你可以完全避免制冷剂管路,并采取必要的预防措施,包括采取非常谨慎的措施,以尽量减少长期弯曲和损坏关节的风险。
在时间上,我承受着完成这项工作的压力(我的妻子怀了双胞胎),所以我需要一些积极的管理来协调必须进行的供暖、通风和电气工作的顺序。但一切都解决了。我安装了先达通风系统并投入使用。比尔在机械室的铜制工作是无可挑剔的,我们在一层安装了一个新的歧管,这将使我能够平衡高度可变的一层板回路长度。楼上也用了一模一样的;如果将来需要/想要,这些都与区域阀兼容,并且每个都有一个额外的连接,例如,如果将来确定热泵热水器过热,则可以方便地安装一个小型发射器。
![楼上区歧管](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150217/upstairs-manifold.jpg)
调试进行得相当顺利,尽管北欧在缓冲罐设置上的说明错误花费了相当多的时间来排除故障(希望手册现在已经更新了)。当我们需要联系他们的技术支持时,他们反应迅速。
![空气-水热泵改造](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06140924/nordic-install.jpg)
操作
系统运行良好。操作很简单:当缓冲罐低于设定值上的δ t时,热泵所做的就是加热水。楼下区域由可编程恒温器控制——我们选择EcoBee主要是因为它的在线门户网站,可以下载温度和相对湿度数据。当需要热量时,格兰富智能循环泵(设定为恒定流量)就会被激活,用于辐射板循环。
楼上的区域也由位于机械室的可编程恒温器控制,但我没有以传统的方式使用它。冬天开始时,我把它调到华氏80度(当我们需要楼上的暖气时),白天调到华氏50度(当我们不需要它的时候)——基本上就像定时器上的开关一样。五个面板散热器中的每一个都有一个恒温散热器阀(TRV),我们把它们调到我们想要的温度:其中两个设置在50华氏度,两个房间保持在60华氏度,我们睡觉的房间设置在68华氏度。这当然会随着我们家庭的成长而改变,我们开始使用更多的房间。trv是相当光滑的(更多关于他们如何工作,这是一本很好的入门书).该区域由一个格兰富智能循环泵(设置为恒定的delta-P)提供服务,该泵可以根据面板散热器的需求调整流量。这是最小化控制复杂性(即可能出错的事情)和循环器电力的好方法。
Nordic具有整体室外复位功能,可以在室外温度较高/建筑负荷较低的情况下降低缓冲罐设定值,以最大限度地提高COP。
![主卧板式散热器](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150531/bedroom-radiator.jpg)
我喜欢这个设计的一个原因是它最大限度地减少了额外的电力负荷。正如我之前提到的,这种热泵的设计意味着没有恒定的循环,没有平底锅加热器,没有曲轴箱加热器——这些东西可能会24小时消耗数百瓦的电能。楼下区域的循环泵大约消耗15W或40W,这取决于我使用的恒定速度设置(还在玩这个)。楼上循环泵用电量在15W-35W左右不等。
性能
该系统安装了一个监控系统:电路上的电流互感器,热泵-缓冲罐回路上的高精度涡轮流量计,以及热泵和配电上的一些温度传感器。
该系统在30°F时的COP约为3.0。在较高的温度下,它接近4.0,而当温度达到个位数时,它会降到2.0以下。从11月到1月中旬,我的季节性COP是2.49,其中包括解冻能源。
![COP与室外温度](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150653/COP-v-OAT.jpg)
我的结果与制造商的规格非常接近,而且比我迄今为止看到的其他住宅空气对水系统的公布数据要高。气温降到了零度以下,但它表现得很好。事实上,我发现到目前为止,我们的分配系统在105华氏度的供水下工作得很好,这表明我的热负荷计算(假设120华氏度的供水)可能是保守的。
稍后,我将处理整个冬季的数据,并将查看今年冬季供暖的总成本(以当前丙烷价格计算的新系统与旧系统),使用2018-19年ISO新英格兰燃料混合数据(新系统与旧系统)的温室气体影响,以及其他项目。我在网站上展示了其中的一些内容,以及项目经济概况和几十张照片设计出更好的建筑会议将于2020年2月初在佛蒙特州伯灵顿举行,并将在建筑能源波士顿三月底。
对于那些只想要回报的人来说,要注意,即使对那些慷慨的人来说,在现有的房子里安装一个这样的装置可能是一个很大的飞跃1000美元/吨退税来自(目前仍由)当地的能效公司efficiency Vermont提供。对于新建筑,我认为这个理由不难成立。在大多数现有建筑中,改造配电系统是一个主要障碍;如果原来的承包商能在楼上的房间里打全垒打,我的大部分痛苦(和费用)就可以消除了。
在我看来,任何为180°F设计的水力分配系统都是在给客户带来巨大的伤害,不利于未来的改造能力。即使现在使用化石燃料系统,考虑一下:
- 在每个发射器上安装一个本垒打(或在起飞处安装带区域阀的供应和返回回路)
- 尺寸的热辐射器(散热器,踢脚板等)为120°F或更低的水输送,和
- 混合到120°F的分布(不是严格必要的,但约翰·西根塔勒的建议)。
如果你什么都不做,就做1。如果稍加指导,第二和第三点并不难。
封闭的思想
除了美元、美分和COP之外,我将以一些关于这个项目如何影响我们家的想法作为结束。简单的回报见鬼,这对我们来说是一个巨大的胜利。为什么?
- 我们的家不再有舒适的问题;事实上,我们有高度可调的单独房间控制,简单地工作。这是一个惊人的升级。人们很惊讶,我们可以从热泵中获得高质量的热量,只有105华氏度的水。
- 我们家里没有化石燃料,因此大大改善了健康和安全/风险,这对我们的家庭非常重要。
- 我们将这个装置与高效(平衡)新风通风系统配对-测量前后的室内空气质量是一个完全不同的主题(但我已经用数据量化了它的巨大影响)。
- 一楼楼板的热量现在已经平衡了。
- 拆除锅炉,拆除排烟通风系统,打开并拧紧机械室,并填充家中所有的被动进气口,将我们的ACH50降低到2.1(提高10-15%)。
- 热泵热水器与采暖系统共生,回收机械房板、热泵室内机、水泵、缓冲罐的余热。
- 我们的机械房已经变成了一个凉爽/干燥的地方,我们现在在那里挂衣服(我们有很多衣服,在给我们的双胞胎换尿布的时候)。
你怎么给这一切定价?简单的回报是错误的衡量标准。
我很幸运地得到了优秀专业人士的支持,其中包括一位暖通空调承包商,他利用自己的时间学习了很多东西,而不是向客户收费。有些事情我会做得稍微不同,知道我现在做什么(系统和缓冲罐大小),我也为计划在2020年晚些时候上市的3-4台新的空气-水热泵感到兴奋,这些热泵有一些有趣的功能。
与此同时,我将以我最喜欢的照片作为结束语。
![拆除丙烷罐](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150837/propane-tank-700x388-1.jpg)
![机械室](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2022/12/06150956/Laundry-room.jpg)
最初发表于GreenBuildingAdvisor.com。Brian Just是一名机械工程师,在Efficiency Vermont管理着一个能源顾问团队。图片和插图由作者提供。