不同熱泵供熱方式的供熱成本及工程造價對比研究

何怡楓

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074）

1 引言

我國傳統的供熱能源以煤炭、石油等化石燃料為主，因此，每年都需要消耗大量的煤炭和石油，并且會排放大量污染物，這是很多北方城市冬季空氣質量不佳的重要原因之一。目前，隨著我國環保政策推行以及能源結構的變化，供熱行業開始逐步以新能源替代傳統化石燃料。熱泵供熱方式以其節能、高效、清潔的特點被廣泛應用于城市供熱領域。當下使用較為廣泛的熱泵供熱方式中，污水源熱泵主要由污水處理廠提取熱能；地源熱泵主要以土壤作為蓄熱體，將熱量儲存在土壤中；空氣源熱泵主要是提取室外空氣中的熱量。不同的熱泵供熱方式雖然都具有節能環保的特征，但在供熱成本以及造價方面存在一定的差異，本文將對此進行深入研究。

2 熱泵供熱技術概述

熱泵是一種能夠從水源、土壤以及空氣等介質中提取低品位熱能，在電力做功條件下，將低品位熱能轉化為高品位熱能的裝置，其本質上屬于一種熱量提升裝置[1]。熱泵裝置的作用在于可以從自然環境中提取熱量，然后傳遞給供熱對象，其基本運行原理和制冷機類似，都是按照逆卡諾循環運行，只是二者工作溫度范圍不同。熱泵裝置在運行時，其本身需要消耗較少的能量，以提取自然環境中的熱量，然后通過傳熱工質循環將提取的低品位熱能轉化為高品位熱能并加以利用，相較于熱泵裝置的輸出功而言，其消耗功僅占一小部分，因此，采用熱泵供熱技術可以有效節約能源，相較于傳統供熱方式綜合效益更高。以下介紹目前使用較為廣泛的3種熱泵的供熱方式。

2.1 污水源熱泵

污水源熱泵主要是以城市產生的污水作為能量提取對象，通過熱泵機組內部的物態循環變化，以消耗少量的電能為代價，實現供熱或制冷效果的新型技術。污水源熱泵的基本工作原理是通過熱泵壓縮機系統，在冬季消耗少量的電能提取污水當中的低品位熱能，并利用熱泵裝置將其轉化為高品位熱能，然后為用戶供熱；在夏季則將室內熱量提取出來，并利用熱泵裝置釋放到污水中，以達到制冷效果。污水源熱泵按照污水是否進入熱泵裝置中可以分為兩種形式：（1）直接利用的方式，即熱泵裝置在提取污水中的熱量后直接送達供熱對象；（2）間接利用的方式，即先利用熱交換器對污水進行熱交換，然后由熱泵裝置提取熱量輸送至供熱對象。

2.2 空氣源熱泵

空氣源熱泵主要利用空氣中的熱量，通過壓縮機完成熱量轉移，裝置構成相對簡單，不需要專用機房以及換熱系統，在實現供熱目標的同時也能實現節能環保。空氣源熱泵由電動機驅動，基本運行原理是蒸汽壓縮冷循環原理，主要從空氣中換取熱量，其主要設備包括電動機、壓縮機以及換熱設備等[2]。空氣源熱泵按照機組容量進行分類可以分為大型、中型以及小型機組3種類型；按照機組的組合形式進行分類可以分為模塊化機組與整體機組兩種。

2.3 地源熱泵

地源熱泵簡單來說就是在地表淺層能源中加入少量高品位能源，從而使其轉化為高品位熱能的裝置，其本質上屬于熱能提升裝置，運行時僅需消耗少量電能，而其從環境介質當中所提取的熱能至少是消耗電能的4倍以上，節能效果顯著。地源熱泵的主要構成包括3部分，分別是地源換熱系統、熱泵主機以及室內終端系統。目前，地源熱泵是供熱行業中應用最為廣泛的熱泵供熱形式，其與節能空調系統的配合顯著降低了建筑供熱成本以及能源消耗。

3 不同熱泵供熱方式供熱成本對比研究

目前，熱泵供熱技術發展衍生出多種供熱方式，包括污水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵等，本文以這3種熱泵供熱方式為研究對象，對比分析了3種熱泵供熱方式的供熱成本。

以目前熱泵技術發展應用情況來看，污水源熱泵制熱性能系數為3.0～4.0；空氣源熱泵制熱性能系數為2.5～3.5，地源熱泵制熱性能系數為3.5～4.5，本文取三者制熱性能的平均數：污水源熱泵為3.5，空氣源熱泵為3.0，地源熱泵為4.0。按照當前燃料的價格來看，天然氣價格約為4.0元/m3；生物質燃料價格約為1.0元/kg；電價峰谷時期為0.69元/（kW·h），低谷時期為0.35元/（kW·h）。假設供熱量在1 GJ時，參照上述數據，污水源熱泵、空氣源以及地源熱泵供熱方式的供熱成本見表1。

表1 不同熱泵供熱方式供熱成本表

雖然不同熱泵供熱方式都是以消耗少量電能為代價，從環境介質中提取熱量，經過熱泵裝置處理后為供熱對象進行供熱，都具備良好的節能環保性能，但是由于不同熱泵的供熱方式所采用的裝置不同，制熱性能系數存在差異，因此，在供熱成本上也存在一定差異。由表1可知，在污水源熱泵、空氣源熱泵以及地源熱泵3種熱泵供熱方式中，以地源熱泵的供熱成本最低，1 GJ供熱量的成本為43.65元；次之為污水源熱泵，1 GJ供熱量的供熱成本為52.38元；空氣源熱泵供熱成本最高，1 GJ供熱量的供熱成本為61.11元，三者之間差異較為明顯。

空氣源熱泵供熱成本偏高的主要原因是在氣候較為寒冷的條件下，空氣源熱泵能效比大幅下降，這就導致當供熱量需求較大時，空氣源熱泵制熱量卻不足，并且在寒冷氣候條件下，空氣源熱泵可靠性相對較差，這在很大程度上增加了空氣源熱泵的供熱成本。污水源熱泵的供熱成本高于地源熱泵主要與污水利用方式有關，若污水源熱泵機組采用的是直接利用的方式，則成本相對較低，但是這對于熱泵系統蒸發器的性能要求較高，并且在運行過程中對機組影響較大，因此，直接利用的方式相對少見。而采用間接利用的方式，則需要先將污水經過熱交換器進行熱交換，然后才能完成供熱，流程更為復雜，因此，必然導致供熱成本增加。地源熱泵供熱成本較低的主要原因在于其制熱性能系數較高，同時其能效比（COP值）可以達到4以上，即地源熱泵機組單位耗能所能獲取的能量可以達到耗能的4倍以上。相較于傳統鍋爐供熱，地源熱泵可以節省約70%的電能，相較于空氣源熱泵，地源熱泵制熱性能系數要高出40%以上。

4 不同熱泵供熱方式工程造價對比研究

由于不同熱泵的供熱方式所需設備類型以及安裝施工工藝等方面存在差異，因此，其整體造價必然存在差異，為確保研究成果的可靠性與科學性，本文在某省范圍內就污水源熱泵、空氣源熱泵以及地源熱泵3種供熱方式分別選擇2個項目，并盡可能地使其建造年份接近，以對比分析不同熱泵供熱方式的工程造價。表2為選取的熱泵供熱工程項目情況。

表2 3種熱泵供熱工程項目情況表

1號項目的整體造價為95.2萬元，單位供熱面積造價為158.7元/m2；2號項目的整體造價為87.9萬元，單位供熱面積造價為175元/m2；3號項目的整體造價為125.9萬元，單位供熱面積造價為139.6元/m2；4號項目的整體造價為80萬元，單位供熱面積造價為133.4元/m2；5號項目的整體造價為411萬元，單位供熱面積造價為411元/m2；6號項目的整體造價為328萬元，單位供熱面積造價為401元/m2。

污水源熱泵的工程造價主要包括3個方面：（1）設備費用。污水源熱泵系統包括污水循環系統、中介循環系統以及末端循環系統3部分，主要設備有污水泵、中介泵、污水換熱器、蒸發器、熱泵機組以及末端泵等。（2）安裝施工費用。包括人工費用、耗材以及工具器械購買或租賃費用。（3）系統維護成本。由于污水及地表水的水質條件較差，利用過程中又是開式循環，懸浮物和雜質迅速累積，因此，提取熱量時需解決防堵、防垢及低能耗運行等一系列問題[3]。地源熱泵的工程造價主要包括兩方面費用：（1）是設備費用，包括室外地源換熱系統裝置、熱泵主機以及室內終端系統裝置；（2）安裝施工費用，包括人工費用、耗材以及工具器械購買或租賃費用。空氣源熱泵的工程造價主要包括兩方面：其一是設備費用，主要包括蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥以及熱泵主機；其二是安裝施工費用，包括人工費用、耗材以及工具器械購買或者租賃費用等。

從上述數據來看，同類型熱泵供熱方式單位供熱面積造價成本比較接近，沒有較為明顯的差異，其中，以空氣源熱泵的工程造價最低，其單位供熱面積造價最高為139.6元/m2，以污水源熱泵的工程造價最高，其單位供熱面積的工程造價最高為411元，這主要是由于污水源熱泵需要增加防堵漏、防垢處理，并且后續運行維護費用較高；地源熱泵的工程造價居中，其單位供熱面積造價最高為175元。

5 結語

綜上所述，不同熱泵供熱方式在供熱成本以及工程造價方面存在顯著差異，以當下技術條件來看，供熱成本最低的是地源熱泵，次之為污水源熱泵，空氣源熱泵最高；工程造價最低的是空氣源熱泵，次之為地源熱泵，最高的是污水源熱泵。就綜合效益而言，顯然地源熱泵最高，其供熱成本最低，雖然工程造價并非最低，但隨著使用年限增加，這一缺陷足以被彌補，這也符合當前地源熱泵應用最為廣泛的現狀。從發展前景來看，空氣源熱泵前景廣闊，主要是其可以從多種環境介質中提取熱量，且COP值較高，節能效果顯著；污水源熱泵也具有一定發展前景，隨著技術不斷進步，其運行維護費用必然降低，因此，其綜合效益必然會得到提升。