烏魯木齊某大廈電供暖設計方案對比分析

戴日騰，王紹瑞

（1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆建筑設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著我國經濟發展和社會進步，冬季供暖需求面積也隨之不斷擴大。傳統的燃煤供暖方式對大氣環境造成嚴重污染，利用清潔能源、可再生能源替代燃煤供暖是降低碳排放、改善環境的最好選擇。新疆地區供電充足，政府在“煤改電”方面給予了強有力的政策支持，給空氣源熱泵的應用帶來了契機。但由于空氣源熱泵初始投資較大，許多“煤改電”工程案例都采用初始投資較小的純電暖器供暖。如何因地制宜做到空氣源熱泵機組在嚴寒地區使用并發揮其節能潛力，如何從長遠考慮空氣源熱泵機組是否比電暖器經濟適用，是需要解決的問題，文中以烏魯木齊某大廈電供暖設計方案為例，試做分析。

1 建筑概況

烏魯木齊某大廈是既有公共建筑，位于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，所處氣候分區為嚴寒C區。大廈底層為商業，采用風機盤管加新風空調系統，冬季供暖，夏季供冷。本次電供暖改造僅針對該大廈12～15層及22～26層，共9層辦公場所，供暖建筑面積11 188 m2。該電供暖項目提出2種設計方案：一是冬季空氣源熱泵輔助電加熱系統供暖，夏季空氣源熱泵機組供冷；二是冬季全部改用電暖器供暖，夏季仍用原空調系統供冷。

改造區域供暖熱負荷為：12～15層，面積6 267 m2，熱負荷427 kW；22～26層，面積4 921 m2，熱負荷300 kW。總熱負荷727 kW，熱指標65 W·m-2。

2 嚴寒地區空氣源熱泵供暖性能分析

2.1 室外氣象條件

烏魯木齊所處氣候分區為嚴寒C區，供暖期為起始年10月14日—次年4月11日（取日平均溫度≤+8℃起止日期）。供暖期總日數為180 d，供暖期總小時數為4 320 h。由《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》［1］可得該地區逐時氣象參數，并統計出供暖期內室外氣溫分布小時數（將溫度頻段定為2℃）。供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量見表1。

表1 烏魯木齊供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量Tab.1 Monthly average dry bulb temperature，relative humidity and humidity ratio during heating period in Urumqi

烏魯木齊冬季供暖室外計算溫度為-19.7℃，極端最低氣溫-32.8℃［2］，供暖期室外氣溫分布小時數見表2。空氣源熱泵在室外氣溫高于-15.0℃時能夠保持高效運行。烏魯木齊供暖期內室外氣溫高于-15.0℃的時數占比高達90.7%，這為在該地區空氣源熱泵供暖的推廣與應用提供了良好的室外氣溫條件。同時，不容忽視結除霜給機組運行性能帶來的影響，考慮到新疆嚴寒地區空氣源熱泵機組低溫結霜的特點，在下文計算中結霜除霜損失系數取0.95［3］。

表2 烏魯木齊供暖期室外氣溫分布小時數Tab.2 Outdoor temperature distribution hours during heating period in Urumqi

此外，為提高供暖系統安全可靠性、經濟性，以及應對室外氣溫極低時機組制熱能力衰減幅度較大且很可能出現停機等問題，需對空氣源熱泵機組設置輔助熱源并按100%建筑設計熱負荷配置輔助熱源容量。

2.2 空氣源熱泵HSPF值與機組選型

2.2.1 空氣源熱泵HSPF值

空氣源熱泵供熱季節性能系數HSPF是解決空氣源熱泵機組穩定高效運行的關鍵問題之一，也是評價空氣源熱泵有關于某地區在整個采暖季節運行時的熱力經濟性的重要概念。熱泵的HSPF值不僅與熱泵的性能有關，還與氣候條件及熱泵供熱負荷系數有關［4］。供熱季節性能系數計算公式為：

2.2.2 空氣源熱泵機組選型

文中將采用某品牌A、B兩種型號空氣源熱泵機組，具體性能參數如下。

A型號機組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量102 kW，制熱COP為2.02，壓縮機功率50.5 kW，風機功率1.8×2 kW。

B型號機組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量92 kW，制熱COP為2.57，壓縮機功率35.7 kW，風機功率1.5×2 kW。

對以上2種型號機組，按建筑設計熱負荷727 kW的60%、70%、80%配置機組容量。通過計算可得，A型號機組供熱季節性能系數HSPFA（60%）=1.98、HSPFA（70%）=1.98、HSPFA（80%）=2.10，B型號機組供熱季節性能系數HSPFB（60%）=2.20、HSPFB（70%）=2.37、HSPFB（80%）=2.46。B型號機組按80%建筑設計熱負荷配置機組容量時，HSPF最大、平衡點溫度較低、經濟性更佳。此處按60%、70%建筑設計熱負荷配置機組容量的HSPF值計算已省略。表3和表4為按80%建筑設計熱負荷計算A、B兩種型號空氣源熱泵機組HSPF值計算表。

表3 A型號空氣源熱泵機組HSPF計算表Tab.3 Type A air source heat pump unit HSPFcalculation table

表4 B型號空氣源熱泵機組HSPF計算表Tab.4 Type B air source heat pump unit HSPFcalculation table

圖1清楚地對比出A、B兩種型號空氣源熱泵機組的制熱特性。盡管在室外氣溫低于-20℃的情況下，B型機組制熱量低于A型機組，但考慮到烏魯木齊供暖期內-15℃以上的時數占比大，室外氣溫在-20℃以上時B型機組制熱量要高于A型機組。B型機組名義工況下的制熱COP較高，圖1反映出2種機型的平衡點溫度不同，平衡點溫度較低的B型機組節能效果更好。因此，方案1將采用B型空氣源熱泵機組。

圖1 A、B兩種型號空氣源熱泵機組供熱量和建筑物熱負荷與室外氣溫的關系Fig.1 Relationship between outdoor temperature and heating capacity of two types of air source heat pump units（A and B）and heat loads of building

通過對機組進行合理的選型，按80%建筑設計熱負荷配置機組容量時，B型機組HSPF值能夠達到2.46，在-14℃以上都可100%使用空氣源熱泵機組供暖。說明在嚴寒地區采用空氣源熱泵供暖具有較好的節能潛力。同時，在嚴寒地區為應對極端低溫天氣的出現，需要配備電熱水鍋爐輔助加熱系統，這也使得整個供暖系統在安全性方面得到了提高。

3 熱源設備配置方案

3.1 方案1熱源設備配置

3.1.1 配置原則。

由上文中空氣源熱泵能機組選型時的分析確定在冬季供暖期室外氣溫-14℃以上全部采用空氣源熱泵供暖，室外氣溫在-14℃及以下則采用空氣源熱泵與電鍋爐輔助供暖模式。

3.1.2 空氣源熱泵配置。

室外氣溫-14℃時，熱負荷為620.4 kW；空氣源熱泵熱水機組7臺，單臺機組制熱量94.28 kW（室外氣溫-14℃）；熱水供回水溫度45℃/40℃；壓縮機輸入功率36.04 kW。

3.1.3 電熱水鍋爐配置。

直熱式電熱水鍋爐1臺，考慮到出現極端寒冷天氣（室外氣溫低于-26℃）時空氣源熱泵機組可能會出現停機的情況，設置電熱水鍋爐的供熱量為730 kW，供回水溫度60℃/55℃。

3.1.4 附屬設備配置

冷熱水循環泵：流量140 m3·h-1，揚程20 m，功率15 kW，2臺（1臺備用）。

膨脹水箱：不銹鋼水箱，有效容積1 m3·h-1，1臺。

軟化水裝置：處理水量1～2 m3·h-1，1臺。

3.1.5 設備布置

擬將空氣源熱泵機組布置于26層屋面，并在屋面新建輕質結構保溫房，以布置電鍋爐、循環泵、水處理裝置等。

3.1.6 總配電容量

按電鍋爐運行容量為：765 kW+15 kW=780 kW。

3.2 方案2熱源設備配置

按房間和熱負荷布置電暖器，考慮到充分利用谷電供暖，或辦公室無人期間設置較低溫度，電暖器間歇運行，各房間電暖器按熱負荷1.3倍配置，總配電容量950 kW。共安裝475組電暖器，每組2 kW。

4 技術經濟分析

4.1 一次能源效率對比

空氣源熱泵機組的制熱量與所消耗的電能不是同等品質的能量，因此，需要轉換成一次能源效率來評價熱泵的節能效果［5］。

式中，E：一次能源效率；TQ：供暖期熱泵總供熱量（kW·h）；TP：供暖期熱泵總耗電量（kW·h）；β：發電廠發配電效率。

根據文獻［6］，燃煤發電的熱效率為38.4%，燃氣發電的熱效率為50.2%，電網的輸電效率為95%。這樣得出燃煤發電廠的發配電效率β1為36.48%，燃氣發電廠的發配電效率β2為47.69%。B型號機組供暖季節性能系數HSPFB=2.46。因此可得B型號機組使用燃煤發電廠的電能時的一次能源效率E1為89.74%，使用燃氣發電廠的電能時的一次能源效率E2為117.32%。

電暖器的電熱轉換率一般在96%左右。則可得使用燃煤發電廠的電能時的一次能源效率E1為35.02%，使用燃氣發電廠的電能時的一次能源效率E2為45.78%。

通過計算結果可明顯看出，采用電暖器的一次能源效率遠低于空氣源熱泵系統的一次能源效率。因此，從能源利用的角度來講，采用空氣源熱泵更加節能。

4.2 經濟性分析

采用投資償還年限法進行經濟性分析，選擇較佳方案。投資償還年限法是通過比較2個技術上可行的方案，在多長時間內節能方案可以通過其年運行費用的節省，將多支出的投資收回來［7］。

投資償還年限法公式如下：

式中，M1：方案1初始投資（萬元）；M2：方案2初始投資（萬元）；N1：方案1運行費用（萬元）；N2：方案2運行費用（萬元）。

4.2.1 初始投資

方案1空氣源熱泵機組與電熱水鍋爐設備及管路投資費用為237.46萬元，配電系統投資費用為81.00萬元，投資費用合計318.46萬元。

方案2電暖器投資費用為55.20萬元，配電系統投資費用為111.00萬元，投資費用合計166.20萬元。

4.2.2 運行費用

文中2個設計方案運行費用計算公式［8］：

式中，Nd：電費（萬元）；Nwx：維修費（萬元），取Gy的1%；Nzj：折舊費（萬元），按Gy的4%～5%選取，本文取4%；Nqt：其他費用（萬元），取Gy的2%。

其中，除電費外其他費用一般按工程中固定資產的百分率進行估算［8］。計算公式如下：

式中，n：系數，取90%；M：初始投資（萬元）。

烏魯木齊地區分散式電采暖電價為0.22元·（kW·h）-1。從表4可計算出方案1采用B型號空氣源熱泵機組在供暖期總耗電量為877 831.159 3 kW·h。供暖所需電費為877 831.159 3 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=193 122.90元，折合每平米供暖所需電費為17.30元·m-2。

方案2采用電暖器在供暖期總耗電量為2 656 072.286 0 kW·h。供暖所需電費為2 656 072.286 0 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=584 335.90元，折合每平米供暖所需電費為52.20元·m-2。

表5 初始投資與運行費用表Tab.5 Initial investment and operating cost table 萬元

空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐系統與純電暖器系統相比，初始投資高，但運行費用低。并且空氣源熱泵設備壽命期在15～20年，投入運行第6年開始投資即可償還。

通過技術經濟分析對比可知，方案1在一次能源效率和系統經濟性兩方面都優于方案2，這也說明，在嚴寒地區采用空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐的供暖方式經濟適用，與純電暖器供暖相比，節能優勢亦十分明顯。

5 結語

烏魯木齊供暖期內室外氣溫高于-15℃的小時數占比大，這為發揮空氣源熱泵供暖節能的優勢奠定了基礎。以HSPF值為評價指標對空氣源熱泵機組進行選型，并按80%建筑設計熱負荷配置機組容量，達到了多用熱泵機組、少用輔助電鍋爐的目的。從長遠來看，空氣源熱泵供暖的經濟性也優于電暖器供暖。這表明，在嚴寒地區推廣使用空氣源熱泵供暖系統有著很好的應用前景。在全球變暖問題日益嚴峻的背景下，空氣源熱泵供暖具有很大的節能環保意義，也是助力我國達成雙碳目標的重要途徑之一。