生物質鍋爐與空氣源熱泵供暖系統發展現狀

韓霆傲，苑 翔

(北方工業大學,北京 100144)

1 概述

根據研究數據[2]，與燃煤電廠相比，燃燒1 t煤所排放的污染物分別是燃煤電廠排放的SO2，NOx和煙塵的5倍，2倍和66倍。隨著冬季取暖過程中大量煤的集中燃燒，會排放很多污染物到空氣中。尤其是排放PM2.5，冬季燃煤加熱對大氣環境PM2.5的產生率高達48%，年平均質量濃度可達到7.2 μg/m3～9.2 μg/m3[3]。根據研究統計[4]，在2019年，我國一整年的能源消耗為48.6億t標準煤，能源總消耗的57.7%是煤炭的消耗，相比2018年減少了1.5%，而能源總消耗的23.4%為水電、天然氣、風能和核能等清潔能源的消耗，相比2018年上升了1.3%。雖然清潔能源的使用比之前有一些增加，但是我國能源消耗的主要部分還是化石能源。冬季，北京、天津、河北地區的大部分氮氧化物(NOx)排放是因為燃燒燃料而產生的[5]。北部城市通過燃燒煤采暖的面積約占整個北方地區總供暖面積的83%，而剩下的17%則為地熱能、天然氣、生物質能等多種清潔能源[6]。所以說我國北部城市對清潔能源的推廣和使用是非常需要盡快實施的。

空氣源熱泵不僅成本不高，還操作方便并且安全可靠。與水源熱泵、地源熱泵比較，空氣源熱泵不需要多余的空間配置專用的機房，在提供足夠的熱量進行供暖時，還可以起到環保和節能的作用。在農村，生物質能源利用使用起來是最方便的，生物質能源的表現形式主要是秸稈、動物糞便和林業薪柴，全國范圍內每年的秸稈總量約為8.2億t，這些秸稈中可以利用的資源約為每年6.9億t，其中的3.5億t用來作為生產的材料，另外的3.4億t為可利用的原料來作為能源供給。

2 清潔供暖方式發展現狀

農村供暖方式有很多種，例如燃煤鍋爐、燃氣壁掛爐、生物質鍋爐、空氣源熱泵、電暖氣、太陽能等，其中在農村使用比較適宜且不會污染環境的方式主要是生物質鍋爐、空氣源熱泵。一直以來，在中國農村地區使用最多的采暖方式就是燃煤，而這種方式十分污染環境，所以急需改善；燃氣在農村運輸不方便，且有一定的危險性，二氧化碳的排放量也很高，所以也不適合大范圍普及；電暖氣對于電量的要求過高，耗電量大，供暖的效率很低，費用巨大，也不合適；太陽能雖然是清潔能源，但是對于天氣的要求過高，天氣是無法控制的，所以系統不穩定，不能達到供暖要求。所以本文主要針對適合在農村使用的生物質鍋爐與空氣源熱泵兩種供暖方式進行發展現狀的論述。

2.1 空氣源熱泵

2.1.1 空氣源熱泵發展概述

空氣源熱泵技術早在20世紀20年代就在國外出現，但是空氣源熱泵空調在我國的市場狀況在20世紀80年代以前一直不好。我國早期供暖方面應用上基本都是空氣源熱泵機組。到目前為止，我國仍是世界上空氣源熱泵使用最多的國家之一[7]。

不論是國內還是國外，研究人員們都在研究如何在空氣源熱泵運行時提高系統的效率，而且有了一定的成果，在室外溫度較低而且濕度較高的情況下，蒸發器很容易結霜、導致錯誤的除霜，運行不穩定，效率低下，并且限制了這種供暖系統在市場上的發展和使用。針對這些技術問題，我國各個研究組織也開展了空氣源熱泵的除霜、控制結霜的重點研究和在低溫環境下運行的空氣源熱泵的研制。

2.1.2 空氣源熱泵國內外研究現狀

基于整體效益最優的鉆井市場管理體制機制研究 黃偉和，劉海 5 85——以中國石油天然氣集團有限公司為例

由于空氣無處不在，具有流動性，可以看作是無限熱源，使用方便、成本低廉。因此，空氣源熱泵系統是最容易建造的。但是由于熱源的波動性和低溫性，在應用中還存在兩個問題：1)作為空氣源熱泵的熱源和建筑散熱的散熱器，空氣源熱泵的供熱性能與建筑熱負荷不匹配。此時，建筑熱負荷增加，導致系統長期處于部分負荷下運行，季節性性能系數較低[8]。2)環境溫度過低會導致蒸發器結霜、壓縮機壓比升高、排氣溫度升高、制冷劑流量減小，從而降低系統的運行性能和可靠性，甚至無法運行。

目前，通過改善制冷循環部件性能、改進和優化制冷循環控制、使用新制冷劑、改進除霜技術等措施，提高了系統的低溫制熱性能。國外一些研究人員通過一些輔助加熱的設備來增加供熱量，以免空氣源熱泵在室外空氣過低的情況下供熱量不夠[9]。

國內學者馬國元研究了在低溫條件下，如何通過向帶輔助進汽口的渦旋壓縮機工作間內噴射制冷劑來改善空氣源熱泵的低溫供熱性能[10]；結果表明，空氣-水熱泵和水-水熱泵通過中間水回路耦合，從系統層面實現了單級和雙級交替運行的條件[11]。當室外空氣溫度較低時，可通過降低空氣/水熱泵壓縮機出口水溫、排氣壓力和壓縮比等參數來降低低壓，提高機組的運行效率。在設計方面，部分工程增設輔助熱源，選用高壓縮比的壓縮機，提高系統低溫供熱性能[12]。但當室外溫度較高時，由于壓縮過度，系統效率會大大降低，不利于系統的年運行效率。

2.1.3 空氣源熱泵發展前景

我國的北方城市，所有供暖地區的70%為集中供暖，剩下的都是分散供暖。各地區都在開展城市化，但是還是有一些農村地區，主要是周邊比較偏遠的山區，不方便進行集中供暖，他們還是使用小型燃煤鍋爐采暖，長期這樣會給環境帶來很大很嚴重的影響。因為環境問題日益嚴重、節約能源行動迫在眉睫，但是在城市建設初期，并沒有非常完善的計劃來設計對于城市的供熱系統，所以無法很快地完成供暖系統的建設。根據我國南北方各城市的實際問題和各地的政策問題，選用空氣源熱泵作為供暖系統，不僅清潔環保，而且效率高，適用的范圍廣，市場前景也非常好。山西省也積極響應國家的號召，成為第三個頒布相應政策的地區，將幫助數十萬的家庭進行“煤改電”，而且給予各家購置空氣源熱泵資金上的支持，每戶改造成空氣源熱泵采暖的家庭最多可以得到2萬元的補助[13]。

2.2 生物質鍋爐

2.2.1 生物質鍋爐發展概述

普通的燃煤鍋爐在使用時的污染十分嚴重，所以為了解決這個問題，研究出了生物質鍋爐。實際利用的生物質主要是我國農業生產過程中除谷物和水果以外的秸稈，以及農產品加工過程中剩余的廢料。利用生物質燃料的好處是對空氣的污染比較低，而且是可再生能源。

2.2.2 生物質鍋爐國內外利用現狀

我國的資源儲備十分豐富，尤其生物質能源數量很大，有很高的利用潛能。我國目前生物質資源可轉換為能源的潛力約5億t標準煤[14]，今后隨著造林面積的擴大和經濟社會的發展，生物質資源轉換為能源的潛力可達10億t標準煤。目前，使用生物質能源的方法有以下幾點：

1)通過生物質進行發電。2020年通過生物質的發電量為510億kW時，利用生物質發電已經很普遍了。2)生物質成型燃料。我國2020年使用生物質成型燃料的總量約為5 000萬t，這些燃料大多使用在城鎮采暖或者工業上的供熱等方面。3)生物質氣體。2020年，我國的沼氣年產量約為190億m3，大部分都用于各個家庭，約4 000萬戶。

美國、丹麥、挪威的生物質能源的利用情況都非常好，在這三個國家，將生物質作為能源占總能源的比例分別是5%,17%,15%。在美國市場上，有一些使用生物質顆粒作為燃料的取暖爐，已經在很多家庭使用起來了。與其他國家相比，歐盟在生物質能源方面的科技水平非常高，發展的也很快，現在已經十分完善了。歐洲在采暖方面，利用生物質能源的采暖量大概為總采暖量的12%[15]。

2.2.3 生物質鍋爐國內外研究現狀

目前中國在生物質鍋爐方面的科技水平還不夠，還有很多問題需要解決，比如生物質鍋爐的排污、燃燒形式問題，還有鍋爐的制作、節能環保等問題，只有解決了這些問題，才能更廣泛的使用生物質鍋爐，節約更多的資源[16]。

很多研究機構或者學生教師等，都對于生物質鍋爐有很多研究。根據中國的普遍情況，國內有一些鍋爐的生產企業生產了一些生物質鍋爐，不僅可以滿足很多普通家庭的供暖需求，而且比國外的生物質鍋爐還要便宜[17]。

現在在中國所使用的生物質鍋爐中，大部分在供暖的時候都會遇到很多問題，例如供暖的時候不穩定、供暖的效率低、實際使用時操作困難且會出現故障、燃燒排放的污染物不能滿足相關管理局的規定等，由于生產生物質鍋爐的技術落后，也沒有統一的生產規范，導致我國很多廠家在設計制造生物質鍋爐時的技術比較落后，并不實用，而且由于環境質量不高，對于污染物排放的要求也導致了生物質鍋爐沒有很好地推廣。為了進一步推廣生物質鍋爐的發展，需要更多的去研究相關技術，讓生物質鍋爐在市場上大力的推廣起來[18]。

國外生物質鍋爐的發展大概經歷了100 a的時間，大致可以概括為三個部分。20世紀20年代初到50年代是早期階段，很多不可再生的能源十分缺少，所以人們開始找尋其他的可再生能源來代替這些稀少的能源，之后發現了生物質能源的優點并進行相關的研究。20世紀50年代到90年代是中期階段，這個時期因為煤、石油這些燃燒會產生污染物的燃料被大量使用，環境問題日益嚴重，這引起了人們的關注。因為生物質能源對環境的破壞小，資源眾多，并且為可再生能源，收集的難度很小，所以在一些地區非常適合代替煤、石油等不可再生能源。到1990年左右，很多發達國家和部分發展中國家在家庭采暖方面開始大量替換成使用生物質能源。第三階段是從20世紀90年代到現在，歐盟的一些國家已經非常注重生物質能源的重要性，開始大力研究這方面的相關內容。在美國，大部分家庭都已經將傳統的燃煤鍋爐替換成可再生的，對環境污染很小的生物質鍋爐[19]。

3 生物質與空氣源熱泵供熱系統在農村的適應性概述

在冬天需要采暖的時候，如果只使用空氣源熱泵，供暖的效率會非常低，而且運行的時候還會出現很多問題，這都是因為室外的空氣溫度過低導致的，同時，北方建筑的最大熱負荷時間往往較短，因此把生物質鍋爐作為輔助熱源來滿足較大負荷時供熱要求，可以避免熱泵機組的選型過大，節省初投資。

3.1 寒冷環境對空氣源熱泵COP值的影響

當溫度下降時，空氣源熱泵系統的蒸發壓力就會下降，但是設備的冷凝壓力數值變化很小，然后就會導致壓縮比上升，能耗也會變高，并且還會導致風量變小，從而影響了循環的制冷劑量變小。因此，該機組將減少從外部的吸熱和向室內的散熱，并且加熱效果將變差。當蒸發器的結霜現象越來越嚴重，傳熱的效果就會越來越差，壓縮比也會升高。之后還會影響壓縮機，使之電流變大，就會自動關閉以進行保護，否則壓縮機也會損壞。所以說，空氣源熱泵在室外環境溫度較低的時候，會出現結霜的現象，若結霜嚴重，COP值就會降低。室外的溫度越來越低，設備的結霜可能就會很嚴重，熱效率也會變差。它甚至根本無法啟動，也無法燃燒壓縮機。因此，怎么讓空氣源熱泵在室外溫度很低的情況下很好地進行制熱，并且提高熱效率，變成了一個很關鍵也很困難的研究問題。本次實驗擬采用生物質鍋爐的煙氣余熱給空氣源熱泵蒸發器進風口空氣進行預熱，來解決空氣源熱泵在低溫環境下COP值低下的問題。

3.2 生物質與煤的比較

目前，北方農村地區大部分都是使用燃煤鍋爐進行供暖，但是燃煤鍋爐的污染問題極為嚴重，效率問題也迫切需要得到解決。鍋爐的能效狀況日益引起重視，評價鍋爐能效的指標主要有熱效率、燃料消耗量等。燃燒生物質與燃煤的元素分析可以分析出燃燒這兩種燃料排出的煙氣成分比例，低位發熱量值的對比可以比較出兩種燃料的燃燒效率。一般通過元素分析確定生物質中 C，H，O，N，S這5種可燃成分的質量分數[20]。表1為生物質與煤的元素分析典型數據和低位發熱量值的對比。

表1 生物質與煤的燃料對比

由表1中數據可知，生物質的含碳量比煤低了很多，含碳量小于50%，而煤的含碳量接近70%。生物質的氮和硫元素含量幾乎沒有，而煤的含氮量接近0.7%，含硫量也接近1.6%，在所有污染物中，氮氧化合物和二氧化硫都是對環境造成傷害非常大的污染物，從表1中反映的熱值來看，生物質的熱值為16 570 kJ/kg，煤的熱值為23 730 kJ/kg，生物質的熱值明顯要低一些，但是相比來說，生物質能十分清潔，又是可再生能源，非常適合代替煤。

3.3 生物質鍋爐與空氣源熱泵聯合供暖

鍋爐熱損失最大的是排煙熱損失，所以如果可以盡可能的回收煙氣的熱量，便可以很大程度上提高鍋爐的制熱效率。而空氣源熱泵在低溫環境下的制熱效率不高，且容易結霜，使設備壽命縮短，兩種供暖方式都有缺點，可以將鍋爐的排煙熱量利用起來給空氣源熱泵進行預熱，不僅回收了鍋爐的排煙熱損失，又能防止蒸發器結霜，還可以提高整體系統的供暖效率，從而使兩種供暖方式的缺點互補。

4 結語

生物質鍋爐與空氣源熱泵都是北方農村地區可用的制熱設備，但兩個獨立設備都具有明顯缺陷，限制了這兩個設備進一步的發展。獨立的生物質鍋爐制熱系統初成本略高，生物質材料不夠充足，獨立的空氣源熱泵冬季易結霜、能效比低。而生物質能空氣源熱泵耦合熱泵系統有效地克服了生物質材料不夠充足的問題，也克服了空氣源熱泵系統在室外環境溫度較低的情況下效率較低的問題。未來應該從節能、成本、工程化三個方面考慮發展生物質能空氣源熱泵耦合技術系統發展方向，更好的推進我國的清潔取暖工作。生物質能空氣源熱泵耦合熱泵系統研究的成功也會使得應用前景十分廣闊，具有很高的制熱效率并且對于環境的保護也十分有利。