吳東興 鄧宮昊 王金雄

(1. 青島騰遠(yuǎn)設(shè)計事務(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。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。中國中央政府莊嚴(yán)承諾“碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值,爭取2060年前實現(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?？諝庠礋岜米鳛榭稍偕茉磻?yīng)用技術(shù)的一種,以其綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實惠、運(yùn)維便利等優(yōu)點,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)的對流輻射供暖系統(tǒng)。新的末端供暖技術(shù)對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)相對于絕大多數(shù)其他清潔供暖方式(比如燃?xì)狻⑻柲?、電蓄熱?無疑要經(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)行時長、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)及實驗工況下的熱泵制熱性能系數(shù)(COP)等評價指標(biāo)不能科學(xué)準(zhǔn)確地評價空氣源熱泵供暖系統(tǒng)整個供暖季的能效狀況,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供暖季為時間跨度的空氣源熱泵制熱能效評價思路,希望能夠有助于改善采用IPLV及COP評價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)間的時長及占比見表1。

表1 青島地區(qū)不同環(huán)境溫度區(qū)間的時長及占比

從表1可以看出：青島地區(qū)整個供暖季室外環(huán)境溫度在0 ℃以上的時間占比為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)境溫度時長占比較小,雖然此溫度以下的空氣源熱泵制熱能效比較低,但對整個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(焓差實驗室測定制熱能效比的運(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溫度對應(yīng)取自表1中各溫度段的平均值)。

通過簡化計算,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,從而可以計算得出每個溫度段下的能耗占比,見表3。

表3 變工況能耗及時長占比

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,整個空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能效評價、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,并采取相應(yīng)的技術(shù)措施,才能有效提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率,降低初投資。

根據(jù)每個溫度區(qū)間的制熱能效比及能耗占比,通過加權(quán)計算,可以得出空氣源熱泵系統(tǒng)在整個供暖季的綜合能效比(不包括輸配能耗),見表4,該綜合能效比相對比較貼近系統(tǒng)的真實運(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,僅占整個供暖季能耗的13%;環(huán)境溫度-4 ℃以上,尤其是0 ℃以上時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)的整個供暖季綜合能效比相對于電加熱供暖、燃?xì)夤┡绕渌┡绞绞欠浅８叩?。在?dāng)前的居民電價水平下(取綜合電價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)的溫度及每個溫度段的時長差距非常大,每個地區(qū)的綜合能效比會有比較明顯的不同,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目的建設(shè)、運(yùn)營與服務(wù)?？諝庠礋岜米鳛橹饕募夹g(shù)手段之一,其經(jīng)濟(jì)性到底如何,相對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格為基礎(chǔ)參數(shù),對空氣源熱泵、燃?xì)夤┡?、谷電蓄熱、平電加熱這幾種比較常用的清潔供熱能源方式進(jìn)行對比。

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

燃?xì)鈨r格：非居民用氣價格為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。

燃煤集中供熱價格：85.57元/GJ(青島市物價局定價)。

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熱量成本對比

從圖1可以得出以下結(jié)論：

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

2) 上述運(yùn)行成本是按整個供暖季綜合能效比測算得到的值,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)計標(biāo)準(zhǔn)》[4],供暖年耗熱量計算式為

(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)計熱負(fù)荷,kW;ti為室內(nèi)計算溫度,℃;ta為供暖期室外平均溫度,℃;tj為供暖期室外計算溫度,℃。

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。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,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)長避短,發(fā)揮系統(tǒng)最優(yōu)的效能。

3 系統(tǒng)配置要點

在合適的環(huán)境溫度下,空氣源熱泵供暖相對于其他常見的供暖方式經(jīng)濟(jì)性無疑是比較好的,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,但是對于住宅、醫(yī)院等需24 h連續(xù)供暖的項目,會有以下諸多的不利：1) 設(shè)計選型容量偏大,導(dǎo)致初投資增大;2) 部分負(fù)荷運(yùn)行時間較長,大量設(shè)備長時間閑置,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)行時間長,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穩(wěn)定的能源形式,實現(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。

以7 ℃實驗室工況下機(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) 建議對供暖品質(zhì)要求高、24 h連續(xù)供暖的場合(如高檔住宅、醫(yī)院等),補(bǔ)充47%滿負(fù)荷的其他能源形式,對供暖品質(zhì)要求不太高的場合,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,因為其便利性、可控性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等特點,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)的能效評價以整個供暖季為時間跨度,結(jié)合環(huán)境溫度的變化及供暖負(fù)荷的分布特點進(jìn)行綜合評價,會更客觀、更貼近運(yùn)行實際特點、更具參考價值。

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)項目具體特點及環(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)約會達(dá)到比較理想的結(jié)合點。

4) 隨著以供暖為主要任務(wù)的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的項目體量越來越大,輻射半徑越來越長,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。