空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電鍋爐調(diào)峰比例的研究

□李 爍

近年來(lái)，每逢進(jìn)入供暖期，我國(guó)北方地區(qū)空氣質(zhì)量均會(huì)有不同程度的下降，影響人們的正常生活和身體健康，而傳統(tǒng)燃煤供暖是空氣質(zhì)量下降的主要原因之一[1～2]。針對(duì)此情況由國(guó)家十部委聯(lián)合頒布的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017～2021年)》中明確指出，“到2021年北方地區(qū)清潔取暖率達(dá)到70%”，并對(duì)“2+26”城市提出了更高的要求。而空氣源熱泵供暖系統(tǒng)作為一種高效能、低排放的清潔取暖方式，在清潔取暖替代中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著熱泵技術(shù)的進(jìn)步，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)從我國(guó)南方夏熱冬冷地區(qū)擴(kuò)展到了我國(guó)北方大部分地區(qū)，并均可實(shí)現(xiàn)可靠、節(jié)能運(yùn)行[3～4]。然而相較于傳統(tǒng)供暖方式，空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，要想進(jìn)一步在北方地區(qū)清潔取暖替代中占有更大的市場(chǎng)份額，就必須合理進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

在常規(guī)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，按照當(dāng)?shù)毓┡彝庥?jì)算溫度計(jì)算的熱負(fù)荷直接選取空氣源熱泵機(jī)組，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組數(shù)量偏多，而且在整個(gè)供暖期機(jī)組全部同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間所占比例極低。相對(duì)來(lái)說(shuō)，空氣源熱泵機(jī)組具有設(shè)備成本較高、運(yùn)行費(fèi)用較低的特點(diǎn)；而電鍋爐具有設(shè)備成本較低、運(yùn)行費(fèi)用較高的特點(diǎn)。因此將兩者相結(jié)合，用空氣源熱泵承擔(dān)基本負(fù)荷，用電鍋爐承擔(dān)調(diào)峰負(fù)荷，組成帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)初投資降低，且運(yùn)行費(fèi)用增加不多。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，峰谷分時(shí)電價(jià)作為電力需求側(cè)改革的重要措施之一，已在全國(guó)各省級(jí)電網(wǎng)得到廣泛推行[5～6]。而承擔(dān)調(diào)峰負(fù)荷的電鍋爐全部運(yùn)行在峰谷分時(shí)電價(jià)的夜間低谷電價(jià)時(shí)段，可以享受低谷優(yōu)惠電價(jià)政策，使增加的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)一步減少。因此，峰谷分時(shí)電價(jià)可以使帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。本文結(jié)合具體工程項(xiàng)目，為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電鍋爐調(diào)峰比例的選取提供參考。

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目位于山東省濰坊市昌邑市，根據(jù)地方政府的要求，對(duì)某住宅小區(qū)進(jìn)行供暖改造，采用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，滿足56,000m2的供暖需求。住宅小區(qū)均為節(jié)能建筑，末端形式均為地板輻射采暖，設(shè)計(jì)供回水溫度為45/35℃。室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃。當(dāng)?shù)貓?zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策,高峰、低谷時(shí)段的電價(jià)分別按基礎(chǔ)電價(jià)上下浮動(dòng)50%。

根據(jù)改造前的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，可知該住宅小區(qū)的供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1.96MW。根據(jù)濰坊市供暖期的氣溫變化，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了逐時(shí)熱負(fù)荷計(jì)算，見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，整個(gè)采暖季絕大部分時(shí)間的逐時(shí)熱負(fù)荷都低于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，最大熱負(fù)荷出現(xiàn)頻率很低，持續(xù)的時(shí)間很短。因此，按照設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選取空氣源熱泵機(jī)組，會(huì)造成機(jī)組數(shù)量偏多，系統(tǒng)初投資較大，且機(jī)組同時(shí)開(kāi)啟的時(shí)間極短，機(jī)組的利用率偏低。

圖1 逐時(shí)熱負(fù)荷

二、系統(tǒng)介紹

將空氣源熱泵機(jī)組和電鍋爐結(jié)合起來(lái)，組成帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。空氣源熱泵機(jī)組只承擔(dān)基本熱負(fù)荷，用基本熱負(fù)荷來(lái)確定機(jī)組臺(tái)數(shù)。這樣可以減少空氣源熱泵機(jī)組臺(tái)數(shù)，使系統(tǒng)的初投資顯著下降。當(dāng)熱負(fù)荷大于基本熱負(fù)荷時(shí)，用電鍋爐來(lái)承擔(dān)調(diào)峰熱負(fù)荷，根據(jù)逐時(shí)熱負(fù)荷可知，調(diào)峰熱負(fù)荷全部是在夜間出現(xiàn)，電鍋爐啟動(dòng)時(shí)使用的是當(dāng)?shù)胤骞确謺r(shí)電價(jià)的低谷優(yōu)惠電價(jià)，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用增加較少。因此，采用帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵系統(tǒng)可以降低其在全壽命周期內(nèi)的總費(fèi)用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

三、機(jī)組選型

空氣源熱泵機(jī)組選用某品牌YCAE130C模塊式風(fēng)冷式熱泵機(jī)組。該機(jī)組制熱名義工況下的制熱量為146kW，功耗為43.9kW，COP為3.33。出水溫度為45℃時(shí)，不同環(huán)境溫度下的制熱量和COP見(jiàn)圖2。可見(jiàn)機(jī)組的制熱量和COP隨室外環(huán)境溫度的降低而降低。熱泵機(jī)組的耗電量可由之制熱量除以COP求得。而電鍋爐的制熱量幾乎等于電鍋爐的耗電量。因此，只要確定了基本熱負(fù)荷和調(diào)峰熱負(fù)荷的比例，就可以得到帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的逐時(shí)耗電量。

圖2 熱泵制熱量和COP

四、不同設(shè)計(jì)壽命下系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較時(shí)，只考慮與常規(guī)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)不同的主要工藝設(shè)備(空氣源熱泵機(jī)組和電鍋爐)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用，不考慮循環(huán)水泵、補(bǔ)水定壓裝置和管網(wǎng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用等與常規(guī)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)相同的部分。根據(jù)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的總費(fèi)用，即主要工藝設(shè)備的初投資和設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的運(yùn)行費(fèi)用之和，來(lái)選擇電鍋爐的調(diào)峰比例，在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的總費(fèi)用最低時(shí)的電鍋爐調(diào)峰比例即為系統(tǒng)的最佳調(diào)峰比例。

經(jīng)詢價(jià)，空氣源熱泵機(jī)組的初投資為8萬(wàn)元/臺(tái)，電鍋爐初投資為200元/kW，可得到項(xiàng)目總初投資。根據(jù)逐時(shí)熱負(fù)荷，考慮了當(dāng)?shù)胤謺r(shí)風(fēng)谷電價(jià)和空氣源熱泵機(jī)組COP隨室外氣溫的變化，得到不同設(shè)計(jì)壽命和調(diào)峰比例下的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同調(diào)峰比例和設(shè)計(jì)壽命的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

電鍋爐調(diào)峰比例為0%的系統(tǒng)即為無(wú)電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。從表1可以看出，不論設(shè)計(jì)壽命是10年，還是15年的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的單位面積總費(fèi)用均低于無(wú)電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)。此外,還可以看出電鍋爐調(diào)峰比例從0%到30%的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)壽命期是10年和15年的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)，主要工藝設(shè)備的單位面積總費(fèi)用都是先減小后增大的，即都存在一個(gè)電鍋爐的最佳調(diào)峰比例，使單位面積總費(fèi)用最低。設(shè)計(jì)壽命為10年的系統(tǒng)，最佳調(diào)峰比例為25%；設(shè)計(jì)壽命為15年的系統(tǒng)，最佳調(diào)峰比例為20%。在達(dá)到最佳調(diào)峰比例之前，單位面積總費(fèi)用曲線下降相對(duì)比較緩慢；在超過(guò)最佳調(diào)峰比例后，單位面積總費(fèi)用迅速增加。因此，在帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中電鍋爐的最佳調(diào)峰比例應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命確定，且超過(guò)最佳調(diào)峰比例后單位面積總費(fèi)用迅速增加。

五、結(jié)語(yǔ)

本文以昌邑市的供暖改造項(xiàng)目為例，說(shuō)明了采用帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)可以充分利用峰谷分時(shí)電價(jià)政策，降低設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的總費(fèi)用，提高空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的最佳調(diào)峰比例與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命有關(guān)，設(shè)計(jì)壽命越長(zhǎng)，電鍋爐的最佳調(diào)峰比例越小；本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)壽命為10年的系統(tǒng)，最佳調(diào)峰比例為25%；設(shè)計(jì)壽命為15年的系統(tǒng)，最佳調(diào)峰比例為20%。帶電鍋爐調(diào)峰的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的調(diào)峰比例超過(guò)最佳調(diào)峰比例后，單位面積總費(fèi)用迅速增加，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免調(diào)峰比例超過(guò)最佳調(diào)峰比例。