燃?xì)忮仩t耦合空氣源熱泵供熱節(jié)能分析

在“雙碳”目標(biāo)背景下，構(gòu)建低碳能源體系和推動(dòng)終端電氣化對減碳至關(guān)重要。空氣源熱泵作為一種高效、低碳的供熱技術(shù)，能夠?qū)⒌推肺豢諝鉄崮苻D(zhuǎn)化為高品位熱能，是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)路徑。然而，該技術(shù)存在低溫環(huán)境制熱效率下降和初投資較高等不足。因此，將其與燃?xì)忮仩t耦合運(yùn)行，以兼顧節(jié)能性與穩(wěn)定性，成為提升供暖系統(tǒng)效率的有效途徑[1]。

1.燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵系統(tǒng)特性對比

1.1能效性能分析

燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵耦合的供暖系統(tǒng)，是當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)背景下具備廣泛推廣前景的高效節(jié)能解決方案。兩種熱源設(shè)備在能效特征方面各具優(yōu)勢：空氣源熱泵具有較高的性能系數(shù)（COP），在中低溫環(huán)境下展現(xiàn)出良好的能效表現(xiàn)，適用于電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)較清潔的區(qū)域，但其初始投資較大，且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性易受氣溫波動(dòng)與電價(jià)影響。相比之下，燃?xì)忮仩t技術(shù)成熟、調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速，在嚴(yán)寒或高負(fù)荷工況下運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)。

1.2燃?xì)忮仩t運(yùn)行效率及排煙余熱利用潛力分析

在傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)中，燃?xì)鉄崴仩t作為主要熱源，其運(yùn)行效率對系統(tǒng)整體能效具有決定性作用。供暖季實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，鍋爐房普遍采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)和質(zhì)量流量調(diào)節(jié)模式，以適應(yīng)負(fù)荷變化和保障熱穩(wěn)定供應(yīng)。供熱系統(tǒng)運(yùn)行溫度范圍通常為供水溫度 80～103^°C ，回水溫度 40～53^°C 在此條件下，燃?xì)忮仩t整個(gè)供暖季負(fù)荷率為 45.3%～95.1% ，過量空氣系數(shù)為1.01～1.22 ，排煙溫度為 65.4～151^°C 鍋爐低熱值熱效率為 92.1%～96.8%

研究表明，鍋爐熱效率與運(yùn)行工況變量之間存在明顯關(guān)聯(lián)。一方面，鍋爐熱效率隨過量空氣系數(shù)的增大先增大后減小，過量空氣系數(shù)為1.10時(shí)，鍋爐熱效率最大，此點(diǎn)對實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)置具有重要指導(dǎo)意義。另一方面，鍋爐熱效率隨負(fù)荷率的增大而增大，鍋爐負(fù)荷率大于 84% 時(shí)，鍋爐熱效率提高較快，鍋爐負(fù)荷率每增大 1% ，鍋爐熱效率增大 0.41%～0.55% 。此外，鍋爐熱效率還隨回水溫度的降低而增大，表明合理控制回水溫度亦可提升系統(tǒng)整體效率。

在系統(tǒng)節(jié)能潛力方面，采用排煙余熱回收技術(shù)可顯著提高鍋爐整體熱效率。對鍋爐進(jìn)行排煙余熱利用，將排煙溫度降到比回水溫度高 5～10^°C 時(shí)，鍋爐系統(tǒng)總熱效率可提高到105.2%～107.6% ，供暖季鍋爐熱效率可平均提高 4.8%～7.5% ，單位容量鍋爐（0.7MW）整個(gè)供暖季可節(jié)約燃?xì)?.03萬 ～1.38 萬 m³ ，并相應(yīng)減少 CO₂ 和NOx等的排放。該結(jié)果表明，對于在不同負(fù)荷率下排煙溫度為 65～150^°C 的燃?xì)鉄崴仩t，通過熱能回收與負(fù)荷優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能與減排效果。

2.耦合運(yùn)行模式設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1并聯(lián)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵的耦合系統(tǒng)普遍采用的是并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，也就是借助管道把兩類熱源設(shè)備并聯(lián)接入供熱系統(tǒng)內(nèi)，控制系統(tǒng)結(jié)合實(shí)時(shí)負(fù)荷與氣溫，靈活地實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停的切換，因具有節(jié)能低碳的特性，空氣源熱泵，一般承載基礎(chǔ)負(fù)荷，而燃?xì)忮仩t主要針對低溫或高負(fù)荷階段開展工作，保障系統(tǒng)供熱的安全性與穩(wěn)定性[2]。

該結(jié)構(gòu)便于維護(hù)，運(yùn)行靈活性高。系統(tǒng)裝配可自動(dòng)調(diào)節(jié)的閥門及換熱設(shè)備，依靠智能化控制平臺(tái)對負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，增進(jìn)整體熱效率水平，相比起串聯(lián)模式，并聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更高的適配性及節(jié)能潛力，尤適用于城市集中與區(qū)域供熱的相關(guān)場景，表1為清楚呈現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩類設(shè)備各自的分工及優(yōu)勢。

2.2運(yùn)行策略優(yōu)化

高效的運(yùn)行策略是提升系統(tǒng)能效的關(guān)鍵。基于室外溫度、熱負(fù)荷、電價(jià)等參數(shù)，智能控制系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備啟停與負(fù)荷分配比例。常規(guī)策略為：當(dāng)氣溫高于 -5^°C 時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行空氣源熱泵以發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢；當(dāng)氣溫低于， ?10^°C 時(shí)，主要由燃?xì)忮仩t承擔(dān)供熱，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該策略基于溫度分區(qū)控制，形成“溫度較高時(shí)熱泵優(yōu)先，溫度較低時(shí)鍋爐主導(dǎo)”的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式。此外，結(jié)合電價(jià)峰谷時(shí)段，可在低谷電價(jià)期增加熱泵運(yùn)行時(shí)長，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。表2列舉了某區(qū)域基于溫度分區(qū)的典型運(yùn)行策略及其節(jié)能效果。

3.經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益分析

3.1年運(yùn)行成本比較

由燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵組成的復(fù)合系統(tǒng)，在日常運(yùn)行中展現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。以北方某城市年熱負(fù)荷約為5000GJ的區(qū)域供熱站為例進(jìn)行分析：若采用單一燃?xì)忮仩t供熱，按天然氣價(jià)格3.5元 /m³ 估算，年燃料費(fèi)用約為58萬元。

若采用耦合系統(tǒng)，引入空氣源熱泵承擔(dān)約 50% 的基礎(chǔ)負(fù)荷，按電價(jià)0.6元/kWh、熱泵COP值3.2計(jì)算，系統(tǒng)綜合運(yùn)行費(fèi)用可降至約46.2萬元，實(shí)現(xiàn)約 20% 的成本節(jié)約。在實(shí)施峰谷電價(jià)的地區(qū)，通過優(yōu)化運(yùn)行策略（如在低谷電價(jià)時(shí)段增加熱泵運(yùn)行），可進(jìn)一步節(jié)省 5%～8% 的運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，空氣源熱泵分擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，減少了燃?xì)忮仩t在中低負(fù)荷下的頻繁啟停，有助于降低設(shè)備磨損，延長使用壽命[3]。

3.2碳排放減量潛力

燃?xì)忮仩t供熱過程直接燃燒天然氣，其碳排放量與燃料消耗量成正比。空氣源熱泵由電力驅(qū)動(dòng)，其間接碳排放強(qiáng)度取決于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。參考2023年某電網(wǎng)碳排放因子（約 0.607kgCO₂/kWh） ，在熱泵承擔(dān) 50% 熱負(fù)荷的情景下，年均可減少天然氣消耗約 1.1×10⁴m³ ，相應(yīng)減少碳排放約23.8噸。

隨著電網(wǎng)中可再生能源比例持續(xù)提高，電力碳排放因子將逐年降低，空氣源熱泵的低碳優(yōu)勢將更加突出。燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵耦合運(yùn)行，在保障供熱可靠性的同時(shí)，有效降低了對化石能源的依賴，為區(qū)域供熱低碳化提供了可行路徑，符合國家“雙碳”目標(biāo)要求。

4.結(jié)束語

燃?xì)忮仩t和空氣源熱泵耦合的供暖系統(tǒng)對節(jié)能減排意義重大，顯著提升系統(tǒng)熱效率可借助排煙余熱回收技術(shù)，耦合系統(tǒng)需依據(jù)全生命周期成本分析進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，優(yōu)先借助低碳熱源，實(shí)現(xiàn)供暖舒適度與經(jīng)濟(jì)自標(biāo)，今后應(yīng)進(jìn)一步深化耦合技術(shù)的研究，驅(qū)動(dòng)低碳供暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)普遍運(yùn)用，為實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)助力。

參考獻(xiàn)：

[1]方宇龍、張小松、邱步等。夏熱冬冷地區(qū)燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵耦合供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析[J].建筑科學(xué)，2023，39（08）：95-103.D0I：10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2023.08.10.

[2]薛小軍、侯智華、張紅昌等。碳中和背景下燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)與地源熱泵耦合替代燃?xì)忮仩t供熱研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2022，42（04）：359-364+386.D0I：10.19805/j.cnki.jcspe.2022.04.009.

[3]彭莉、李碩、高彩鳳等。空氣源熱泵耦合燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)研究與分析[J].暖通空調(diào)，2024，54（S2）：28-32.作者單位：寶雞熱力有限責(zé)任公司