空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能效分析及系統(tǒng)配置探討

吳東興 鄧宮昊 王金雄

(1. 青島騰遠(yuǎn)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司,青島;2.山東方亞新能源集團(tuán)有限公司,青島)

0 引言

人類工業(yè)化以來,二氧化碳排放量激增,全球變暖成為不可避免的事實(shí)。2013年,“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞,霧霾嚴(yán)重影響了北方供暖地區(qū)的大氣環(huán)境及老百姓的身心健康。

全球氣溫上升及產(chǎn)生霧霾的根本原因是化石燃料的燃燒導(dǎo)致的大量二氧化碳及粉塵顆粒的排放。中國(guó)中央政府莊嚴(yán)承諾“碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值,爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”,意味著要大量減少化石能源的使用和依賴,加快可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用[1]。

2020年建筑運(yùn)行碳排放中建筑直接碳排放量為5.5億t,占排放總量的25%;電力碳排放量為11.5億t,占排放總量的53%;熱力碳排放量為4.7億t,占排放總量的22%[2]。北方城鎮(zhèn)供暖熱源主要為熱電聯(lián)產(chǎn)和各類燃煤、燃?xì)忮仩t生產(chǎn)的熱力,燃煤比例高達(dá)70%～80%,供暖消耗的一次能源依然以煤為主。空氣源熱泵作為可再生能源應(yīng)用技術(shù)的一種,以其綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、運(yùn)維便利等優(yōu)點(diǎn),迅速成為北方地區(qū)清潔供暖的主要技術(shù)路徑之一,且有著巨大的發(fā)展?jié)摿3]。

隨著自上而下的建筑節(jié)能強(qiáng)力有序地推進(jìn),大量低能耗、超低能耗建筑不斷涌現(xiàn),低溫輻射供暖系統(tǒng)以其良好的舒適性、安全性逐漸代替了傳統(tǒng)的對(duì)流輻射供暖系統(tǒng)。新的末端供暖技術(shù)對(duì)集中供熱熱源溫度要求的降低,使得空氣源熱泵等供暖系統(tǒng)得以大量推廣應(yīng)用。

1 熱泵供暖系統(tǒng)能效分析

由于傳統(tǒng)集中燃煤供熱方式受到限制,北方供暖地區(qū)始于2016年的聲勢(shì)浩大的煤改電工程主要就是用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)替代燃煤供熱系統(tǒng),比如針對(duì)農(nóng)村住戶的小型熱泵熱水機(jī)組、熱泵熱風(fēng)機(jī)組,針對(duì)公共建筑或區(qū)域性供暖需求的模塊式熱泵熱水機(jī)組迅速得到了大量推廣應(yīng)用,霧霾及二氧化碳排放取得了一定程度的遏制。

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)相對(duì)于絕大多數(shù)其他清潔供暖方式(比如燃?xì)狻⑻?yáng)能、電蓄熱等)無(wú)疑要經(jīng)濟(jì)得多,空氣源熱泵供暖綜合能效與供暖地區(qū)環(huán)境溫度、不同環(huán)境溫度下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、不同環(huán)境溫度下的設(shè)備能效比等因素高度相關(guān)。

綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)及實(shí)驗(yàn)工況下的熱泵制熱性能系數(shù)(COP)等評(píng)價(jià)指標(biāo)不能科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)整個(gè)供暖季的能效狀況,不能有效指導(dǎo)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)合理配置,也不能科學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行管理中的優(yōu)化控制。本文嘗試建立一種以整個(gè)供暖季為時(shí)間跨度的空氣源熱泵制熱能效評(píng)價(jià)思路,希望能夠有助于改善采用IPLV及COP評(píng)價(jià)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)存在的問題,優(yōu)化系統(tǒng)配置。

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能效比與環(huán)境溫度高度相關(guān),本文以筆者所在城市青島(青島地區(qū)連續(xù)供暖設(shè)計(jì)干球溫度為-5 ℃,供暖周期為每年的11月16日至次年的4月5日,共141 d)為例進(jìn)行分析。青島地區(qū)不同環(huán)境溫度區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)及占比見表1。

表1 青島地區(qū)不同環(huán)境溫度區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)及占比

從表1可以看出：青島地區(qū)整個(gè)供暖季室外環(huán)境溫度在0 ℃以上的時(shí)間占比為71%,在該環(huán)境溫度范圍內(nèi)空氣源熱泵制熱能效比較高,-4 ℃以下環(huán)境溫度時(shí)長(zhǎng)占比較小,雖然此溫度以下的空氣源熱泵制熱能效比較低,但對(duì)整個(gè)供暖季的能耗并不占主導(dǎo)作用。如果系統(tǒng)配置上側(cè)重使空氣源熱泵盡可能在高效區(qū)域工作,避開低效區(qū)域,空氣源熱泵供暖系統(tǒng)就能充分發(fā)揮自身的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性,同時(shí)也能保障供熱品質(zhì)。

表2顯示了某種低溫模塊空氣源熱泵變工況下的制熱能效比(焓差實(shí)驗(yàn)室測(cè)定制熱能效比的運(yùn)行過程中包含了除霜能耗),部分溫度下的能效比采用差值法得出(表2溫度對(duì)應(yīng)取自表1中各溫度段的平均值)。

通過簡(jiǎn)化計(jì)算,取-10～-4 ℃溫度區(qū)間的平均溫度-7 ℃為環(huán)境溫度,將此溫度下計(jì)算所得熱負(fù)荷作為滿負(fù)荷,可以推算出-2、2、7、12 ℃環(huán)境溫度下的供暖熱負(fù)荷率,從而可以計(jì)算得出每個(gè)溫度段下的能耗占比,見表3。

表3 變工況能耗及時(shí)長(zhǎng)占比

從表3可以看出：-10～-4 ℃溫度區(qū)間雖然熱負(fù)荷大,但是整個(gè)供暖季能耗占比僅為13%;-4 ℃以上溫度區(qū)間供暖能耗占比為87%;0 ℃以上的溫度區(qū)間供暖能耗占比為59%。因此,整個(gè)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)、系統(tǒng)配置及控制管理策略應(yīng)關(guān)注能耗及環(huán)境溫度分布特點(diǎn),并采取相應(yīng)的技術(shù)措施,才能有效提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,降低初投資。

根據(jù)每個(gè)溫度區(qū)間的制熱能效比及能耗占比,通過加權(quán)計(jì)算,可以得出空氣源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)供暖季的綜合能效比(不包括輸配能耗),見表4,該綜合能效比相對(duì)比較貼近系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況。

表4 供暖季綜合能效比

綜合表3、4數(shù)據(jù)分析可知：空氣源熱泵系統(tǒng)在環(huán)境溫度-4 ℃以下時(shí)的制熱能效比是顯著降低的,但供暖能耗占比并不大,僅占整個(gè)供暖季能耗的13%;環(huán)境溫度-4 ℃以上,尤其是0 ℃以上時(shí)的制熱能效比是比較高的,且能耗占比大。所以空氣源熱泵系統(tǒng)的整個(gè)供暖季綜合能效比相對(duì)于電加熱供暖、燃?xì)夤┡绕渌┡绞绞欠浅８叩摹Ｔ诋?dāng)前的居民電價(jià)水平下(取綜合電價(jià)0.67元/(kW·h)),輸配能耗約占10%,綜合能效比為3.33(見表4),則平均運(yùn)行成本約為0.67元/(kW·h)÷(3.33×0.9)=0.22元/(kW·h)。當(dāng)然,考慮到不同地區(qū)的溫度及每個(gè)溫度段的時(shí)長(zhǎng)差距非常大,每個(gè)地區(qū)的綜合能效比會(huì)有比較明顯的不同,所以利用空氣源熱泵進(jìn)行供暖需要具體地區(qū)具體分析,選擇合適的系統(tǒng)配置和控制策略。

2 熱泵供暖系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

隨著節(jié)能減碳要求的提高及環(huán)保壓力的增加,絕大部分北方供暖城市均限制了傳統(tǒng)燃煤供熱的增容擴(kuò)展,鼓勵(lì)清潔能源供熱方式的使用及多種清潔能源供熱方式的聯(lián)合使用,如空氣源熱泵、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、污水源熱泵、電蓄熱、天然氣分布式能源等供熱方式。越來越多的專業(yè)能源公司參與了清潔能源供熱項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與服務(wù)。空氣源熱泵作為主要的技術(shù)手段之一,其經(jīng)濟(jì)性到底如何,相對(duì)于其他常見的清潔供暖及傳統(tǒng)的燃煤集中供暖究竟孰優(yōu)孰劣?本文以青島地區(qū)的氣候條件及能源價(jià)格為基礎(chǔ)參數(shù),對(duì)空氣源熱泵、燃?xì)夤┡⒐入娦顭帷⑵诫娂訜徇@幾種比較常用的清潔供熱能源方式進(jìn)行對(duì)比。

電價(jià)：綜合電價(jià)為0.67元/(kW·h)(此電價(jià)為山東省工業(yè)用電峰谷平電價(jià)加權(quán)平均值);谷電價(jià)格為0.33元/(kW·h)。電蓄熱轉(zhuǎn)換效率取95%。

燃?xì)鈨r(jià)格：非居民用氣價(jià)格為3.6元/m3。燃?xì)鉄嶂禐?6 MJ/m3,燃?xì)忮仩t效率取0.92(規(guī)范限值)。

空氣源熱泵供暖季節(jié)綜合能效比(見表4)：3.33。

燃煤集中供熱價(jià)格：85.57元/GJ(青島市物價(jià)局定價(jià))。

參照以上參數(shù),可以得出不同熱源形式(不含輸配系統(tǒng)能耗)下1 GJ熱量的成本,見圖1。

圖1 1 GJ熱量成本對(duì)比

從圖1可以得出以下結(jié)論：

1) 空氣源熱泵相對(duì)于常見的燃?xì)忮仩t、谷電蓄熱等方式,運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)明顯,僅為其他供暖方式的一半,即使相對(duì)于燃煤集中供暖,成本優(yōu)勢(shì)也比較明顯。

2) 上述運(yùn)行成本是按整個(gè)供暖季綜合能效比測(cè)算得到的值,涵蓋了低溫低效工作區(qū),如果系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)及后期的運(yùn)行管理能夠規(guī)避掉-4 ℃以下的低效工作區(qū),則采用多能互補(bǔ)的系統(tǒng)形式會(huì)有更高的經(jīng)濟(jì)性及更好的供熱品質(zhì)。

以青島地區(qū)10萬(wàn)m2普通高層住宅小區(qū)為例,該小區(qū)供暖熱負(fù)荷為3 500 kW(考慮了保溫散熱等輸配損失),供暖周期為141 d,根據(jù)CJJ/T 34—2022《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4],供暖年耗熱量計(jì)算式為

(1)

式中Qa為供暖全年耗熱量,GJ;N為供暖期天數(shù),d;Qs為供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷,kW;ti為室內(nèi)計(jì)算溫度,℃;ta為供暖期室外平均溫度,℃;tj為供暖期室外計(jì)算溫度,℃。

將數(shù)據(jù)N=141 d、Qs=3 500 kW、ti=18 ℃、ta=2.6 ℃、tj=-5 ℃代入式(1)可得Qa=28 549 GJ,根據(jù)圖1空氣源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行成本,附加10%輸配能耗,可以得出單位面積的供暖成本為17.44元/m2,相對(duì)于30.4元/m2的青島居民供暖收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。隨著室外溫度下降,制冷劑蒸發(fā)溫度下降、壓縮機(jī)吸氣壓力下降、吸氣比體積增加,導(dǎo)致制冷劑單位容積的制熱量下降,當(dāng)壓縮機(jī)理論輸氣量不變時(shí),總制熱量下降,這是空氣源熱泵制熱量衰減的主要原因。考慮到空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱量衰減明顯的特性,空氣源熱泵系統(tǒng)供暖的舒適性、穩(wěn)定性相對(duì)燃煤或燃?xì)饧泄岱绞接兴啡?這就需要在系統(tǒng)配置及運(yùn)行管理控制方面盡量結(jié)合供暖地區(qū)的資源稟賦情況,采用多能互補(bǔ)的形式揚(yáng)長(zhǎng)避短,發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)的效能。

3 系統(tǒng)配置要點(diǎn)

在合適的環(huán)境溫度下,空氣源熱泵供暖相對(duì)于其他常見的供暖方式經(jīng)濟(jì)性無(wú)疑是比較好的,所以在市政供熱能力不足、周邊沒有集中熱網(wǎng)配套的新建小區(qū),以及一些偏遠(yuǎn)的學(xué)校、辦公樓、工廠、酒店、甚至醫(yī)院等建筑中越來越多地采用空氣源熱泵配套供暖。不少新興清潔能源公司限于資源或技術(shù)問題,往往采用單一的空氣源熱泵進(jìn)行供暖,如果對(duì)于僅白天有供暖需求的辦公樓、學(xué)校等建筑倒也勉強(qiáng)可行,但是對(duì)于住宅、醫(yī)院等需24 h連續(xù)供暖的項(xiàng)目,會(huì)有以下諸多的不利：1) 設(shè)計(jì)選型容量偏大,導(dǎo)致初投資增大;2) 部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),大量設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間閑置,設(shè)備故障率高;3) 極端天氣下供暖效果不好;4) 設(shè)備低效工作區(qū)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),供暖季綜合節(jié)能效率低。所以,采用空氣源熱泵集中供暖的系統(tǒng),宜配置部分燃?xì)忮仩t供熱、電加熱,甚至市政集中熱源等相對(duì)穩(wěn)定的能源形式,實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ),以提高整體的運(yùn)行效率,保障供熱品質(zhì),降低初投資。

那么,如果采用其他的能源形式做補(bǔ)充,應(yīng)該補(bǔ)充多少是個(gè)值得研究的問題。本文以青島地區(qū)的氣溫變化作為研究依據(jù),分析供暖負(fù)荷及空氣源熱泵機(jī)組在不同環(huán)境溫度下的變化特點(diǎn)。

以7 ℃實(shí)驗(yàn)室工況下機(jī)組的額定制熱能力作為比較基準(zhǔn),不同環(huán)境溫度下機(jī)組的相對(duì)制熱能力與供暖負(fù)荷率的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 供暖負(fù)荷率及熱泵機(jī)組相對(duì)制熱能力與環(huán)境溫度的關(guān)系

從圖2可以得出：1) 如果分別以-7、-2、0、2環(huán)境溫度下的供暖負(fù)荷進(jìn)行系統(tǒng)配置,則7 ℃額定工況下的機(jī)組制熱能力分別為供暖負(fù)荷的158%、114%、85%、72%;2) 以-7 ℃下的供暖負(fù)荷配置空氣源熱泵機(jī)組,機(jī)組容量配置過大,初投資較高,而同等負(fù)荷下的燃?xì)忮仩t或電加熱等常規(guī)熱源方式投資則低得多(經(jīng)驗(yàn)表明,空氣源熱泵初投資可按額定供熱量1.2元/W考慮,燃?xì)忮仩t的投資額可按0.2元/W考慮),以-2、0、2環(huán)境溫度下的供暖負(fù)荷配置空氣源熱泵機(jī)組,分別需要補(bǔ)充28%、47%、55%滿負(fù)荷的其他能源形式;3) 建議對(duì)供暖品質(zhì)要求高、24 h連續(xù)供暖的場(chǎng)合(如高檔住宅、醫(yī)院等),補(bǔ)充47%滿負(fù)荷的其他能源形式,對(duì)供暖品質(zhì)要求不太高的場(chǎng)合,補(bǔ)充28%滿負(fù)荷的其他能源形式。

結(jié)合各地氣候特點(diǎn)及資源稟賦的多能互補(bǔ)配置方案,以及結(jié)合各能源形式自身運(yùn)行特點(diǎn)的控制策略,一方面可以最大程度上節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用及初投資,另一方面也能保障供暖效果。

4 結(jié)論

1) 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在“雙碳”“減霾”的大環(huán)境下,因?yàn)槠浔憷浴⒖煽匦浴⒔?jīng)濟(jì)性、安全性等特點(diǎn),是目前主流的清潔供暖技術(shù)之一,隨著建筑節(jié)能技術(shù)的提高及供暖熱源溫度的逐步降低,有著更加廣闊的發(fā)展空間。

2) 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)以整個(gè)供暖季為時(shí)間跨度,結(jié)合環(huán)境溫度的變化及供暖負(fù)荷的分布特點(diǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),會(huì)更客觀、更貼近運(yùn)行實(shí)際特點(diǎn)、更具參考價(jià)值。

3) 采用多能互補(bǔ)的空氣源熱泵供暖系統(tǒng),補(bǔ)充能源的配比根據(jù)項(xiàng)目具體特點(diǎn)及環(huán)境條件宜為30%～50%,供暖效果的保障與初投資及運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)約會(huì)達(dá)到比較理想的結(jié)合點(diǎn)。

4) 隨著以供暖為主要任務(wù)的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的項(xiàng)目體量越來越大,輻射半徑越來越長(zhǎng),常規(guī)的5 ℃溫差機(jī)型輸配能耗較大,開發(fā)10 ℃溫差的空氣源熱泵機(jī)組甚為必要。