小型低溫空氣源熱泵供熱系統的優化設計

雒俐暖

（山西建筑職業技術學院，山西 太原 030000）

隨著社會的發展及人民生活水平的提高，能源需求量不斷增大，為了節能減排，低溫型空氣源熱泵在北方地區小型供熱系統中得到了大力的推廣。作為可再生能源的一種，空氣源熱泵有諸多優點，但是由于設計的不合理，往往造成投資大，效果不佳的運行誤區，本文就工程實例針對寒冷地區小型空氣源熱泵設計進行了優化分析。

1 低溫空氣源熱泵運行中存在問題 [1]

1） 低溫工況時，機組的結霜會造成機組的COP 下降35%～55%，除霜期間熱泵機組的實際出力降低，影響室內供熱效果；2） 室外溫度越低，機組COP 越低，低溫會導致機組的COP 下降高達24%，制熱量衰減高達55%。

所以無論是除霜還是室外低溫造成的供熱量的減小都都會造成系統供熱量不足。

2 工程應用

2.1 實際工程概況

本項目位于山西省保德縣，總建筑面積約6000m2，熱負荷為376kW。

2.2 室外氣象參數

冬季供暖室外計算溫度：-13℃

冬季≤5℃時的平均溫度為-3.8℃

2.3 熱源的選擇及優化分析

1） 熱源篩選，經調研該項目周圍無集中供熱，也沒有市政燃氣管道，傳統的熱源形式及水、地源熱泵均無法實施。

由于本項目所在地電力余量充足，且目前低溫型空氣源熱泵在室外-25℃時依然能正常工作，故熱源方案在電鍋爐及空氣源熱泵之間做比選。

2） 電鍋爐及空氣源熱泵機組對比分析；①熱源設備選型,當采用電鍋爐時，考慮70%的備用系數，選擇兩臺280kW的電鍋爐作為熱源。當采用低溫空氣源熱泵機組時，需要根據以下公式對負荷進行修正計算：

Q實— 熱泵機組的實際運行供熱量，KW；

Q名— 熱泵機組的名義工況供熱量，KW；

K1— 室外干球溫度修正系數（由廠家變工況運行資料提供）；

K2— 機組化霜修正系數，取0.9。

經過設備的選型本工程選擇5 臺名義制熱量（室外干球溫度為-12℃時） 為90 KW 的低溫熱泵模塊機組，經實際設計工況修正后的單臺實際制熱量為77 KW。

②初投資及運行費用的對比,由于熱泵及電鍋爐的水系統差別不大，以下僅對熱源部分的初投資及運行費用做比較。

從初投資上比較兩臺280KW 的鍋爐價格約24 萬，5 臺140KW 的空氣源熱泵的價格約75 萬，空氣源熱泵較電鍋爐初投資增加約51 萬，但在一個采暖季節省的運行費用約32.55 萬，靜態的投資回收期為1.57年，所以空氣源熱泵系統的經濟性要遠高于電鍋爐系統。

3） 熱源選配的優化分析[2-3]①優化原因,單純空氣源供熱能滿足供熱的要求，但初投資較大，實際運行中低溫工況的運行時間很短，據統計主機增加的20%～30%的容量可能只有不到2%的時間是有用的，其余時間均不工作。這樣雖然運行成本節省了2%～3%，但初投資增加了很多，不經濟。

表1 空氣源熱泵及電鍋爐供暖運行費用比較

而電鍋爐作為一種熱源形式，它在低溫工況的運行穩定，雖然運行費用很高，但初投資較空氣源便宜很多。故在一定時間內空氣源熱泵與電鍋爐在低溫工況的聯合運行是一種可靠、經濟的運行模式，能有效緩解低溫及熱泵除霜工況對系統的影響。如何確定空氣源熱泵和電鍋爐的配比是我們需要優化的內容。

②臨界經濟平衡點溫度的提出

圖1 按平衡點溫度選擇的空氣源熱泵機組

圖1是考慮輔助熱源后的機組選型，從圖中可以看出臨界經濟平衡點溫度越高，電鍋爐的容量就越大，整個供暖季的運行費用就高，不經濟。

③臨界經濟平衡點溫度的確定，臨界經濟平衡點的確定是以空氣源熱泵運行能力的最大化為前提，與熱泵的性能、電鍋爐的性能、當地電價、電力增容費、空氣源熱泵價格、鍋爐價格、當地的氣象參數有很大關系。我們可以從空氣源熱泵與電鍋爐的投資和運行費用的平衡上求出一個臨界點，列平衡方程：

Nd— 輔助電鍋爐的制熱量，kW；Php— 1KW 空氣源熱泵的投資估算，元；Pd— 1KW 電鍋爐的投資估算，元；Ck—產1KW 熱量的空氣源熱泵所需的電力增容費，元；Cd— 產1KW 熱量的電鍋爐所需的電力增容費，元；n— 空氣源熱泵的壽命周期，取15年；Qd— 電鍋爐在一個采暖季的運行負荷，kW；η— 電鍋爐的使用效率；COP— 空氣源熱泵機組的能效比；Pe— 電價，元/（kW·h），方程的左側公式為設備每年節約的初投資，它主要考慮了熱源的價格及電力增容費。右側公式為設備每年增加的運行費用，空氣源熱泵的投資價格約在1950 元/ kW，電鍋爐的投資價格約在420 元/ kW；電鍋爐效率取0.98；每kW 的電力增容費約為1100 元。電價按普通工商業取值0.65 元/（kW·h）；同時對室外-6～-13℃時的熱泵機組的COP、室外熱負荷及供暖時間做了統計，詳見表2。

表2 機組運行參數

一個采暖季各個平衡點溫度下電鍋爐代替空氣源熱泵運行時的初投資及運行費用見圖2。

圖2 投資與運行費用對比圖

由圖2 可知，在室外溫度低于-9℃時，運行壽命周期內采用電鍋爐所節約的初投資要大于電鍋爐所增加的運行費用，此時采用電鍋爐代替空氣源熱泵承擔部分室內負荷是經濟的，當室外溫度高于-9℃時，此時采用電鍋爐節約的初投資將小于電鍋爐較空氣熱泵所增加的運行費用，故電鍋爐在高于-9℃時運行是不經濟的。本項目以室外-9℃為臨界平衡點溫度選取熱泵機組的容量。經計算此時熱泵的選型容量應≥282KW，對應在-9℃時能提供的供熱量將≥327KW。

故本工程選擇4 臺名義制熱量（室外干球溫度為-12℃時） 為90 KW 的低溫熱泵模塊機組，單臺熱泵機組在設計工況的制熱量為77 KW，需配一臺略大于376-77 4=68 KW 的電鍋爐。這樣的熱源搭配是最優的，此時實際運行的臨界平衡點溫度在-10.5℃，既室外溫度低于-10.5℃時，電鍋爐開始投入運行，與熱泵機組聯合供熱.

3 結語

空氣源熱泵作為一種可再生能源，同時也是一種清潔能源，發展潛力巨大，是國家“煤改電”的主力軍，但空氣源熱泵也有其局限性，本文以實際工程為例，以優化為目的，得出利用臨界經濟平衡點溫度確定的電鍋爐配比方法，在經濟不增加的前提下，發揮了電鍋爐的穩定優勢，緩解了空氣源熱泵機組除霜及低溫工況COP 低的缺點，增加了系統的可靠性。