新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統經濟性分析

祝銘 劉雄* 李林蔚 錢亞中 葉志成 王彥杰

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

空氣源熱泵憑借其環保節能的優勢發展迅速，但在使用過程中存在除霜過程不能連續供熱、除霜能耗大以及運行電費高昂等缺點。

為彌補傳統除霜方式缺陷，大量學者進行了深入研究。如：①提供新型除霜方式：蓄能除霜[1-3]、雙熱氣旁通除霜[4]、多熱源輔助除霜[5]等。②選擇先進抑霜方式：高壓電場抑霜[6]、磁場抑霜[7]、超聲波抑霜[8]等。③改善蒸發器側表面及結構：聚合物親水表面[9]，疏水表面[10]，不對稱百葉式翅片[11]等。

雖然大量的相關研究有效地改善了系統運行穩定性或連續性，但在工程實際運用推廣中，不僅要避免結霜、除霜帶來的負面影響，還應當控制額外的經濟成本，平衡初投資與運行費用關系。

本文提供一種額外造價低、能夠克服現有除霜技術缺陷并可以利用峰谷電及變流量運行實現經濟性運行的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統。以西安某別墅建筑作為研究對象，基于 Trnsys 平臺建立仿真模型，分析其在設計運行模式下全年運行費用和經濟性。

1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統工作原理

如圖1 所示為本文所研究的系統，其主要組成部件為：壓縮機構1，四通閥20，四通閥30，單向閥4，單向閥5，室外換熱器6，室內換熱器7，室外換熱器8，節流機構9，節流機構10，蓄熱水箱11，壓差傳感器12，電磁閥13，變頻水泵14，三通閥15和壓差控制閥16。

圖1 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統原理圖

該系統能實現連續供熱除霜，并且在運行過程中室內換熱器7 一直處于冷凝壓力下，沒有凍結的風險，故在變流量運行節約能耗上有一定的優勢。它能夠實現以下功能：連續供熱除霜功能、熱泵邊蓄邊供功能、熱泵直供不蓄功能、水箱釋熱供暖功能。文獻[13]介紹了該熱泵機組的工作流程及連續供熱除霜原理，下面是該系統在夜間和日間運行工況下，系統的運行控制方案。

1）夜間運行。當開啟蓄熱時，系統夜間運行采取熱泵邊蓄邊供形式，充分利用低谷時段電能，不僅能滿足夜間用戶的熱需求，還能儲存一定的熱量在水箱之中，用于第二天高峰時段時使用。此時該工況下，熱泵機組開啟，水環路側電磁閥13 及壓差控制閥16 關閉，蓄熱水箱11 與用戶端并聯，變頻水泵 14 工頻運行,三通閥 15 調節開度,優先滿足用戶熱需求，多余熱量通過旁通進入水箱進行蓄熱。

2）日間運行。在高峰時段運行，蓄熱充足時采用水箱釋熱供暖，關閉熱泵機組和壓差控制閥 16，開啟電磁閥 13，三通閥 15 旁通關閉，而直通全開，此時變頻水泵14 根據壓差傳感器12 的信號變頻運行，可節省部分高峰時段耗電量。

當蓄熱遇到蓄熱不足的情況時，采取熱泵直供不蓄形式，避免消耗過多高峰電力。此時，熱泵機組處于開啟狀態，關閉電磁閥13，壓差控制閥 16 開啟正常工作，三通閥15 直通開啟，旁通關閉,阻止水流進入蓄水箱11 中，多余流量通過壓差控制閥16 回到室內換熱器7 完成循環。

2 建筑熱負荷計算及設備選型

2.1 建筑熱負荷計算

采用西安市某小型別墅建筑作為模型，空調面積為 130 m2，地上兩層，頂層加蓋閣樓，總建筑高度8.3 m，建筑采用毛細管輻射板供暖。建筑圍護結構參數如表1。

表1 外圍護結構參數

采用Energyplus 軟件，建立建筑模型如圖2 所示，導入西安地區氣象參數，設置滲透換氣次數為 0.5 次/h。設置供暖設計溫度為18 ℃。輸入合理內擾及活動表。24 h 連續供暖，對供暖季（11 月15 日至次年3 月15 日）逐時負荷進行模擬。

圖2 西安某別墅建筑模型示意圖

模擬結果見圖 3，可知全供暖季總熱負荷為7158.36 kW。最大熱負荷為7.24 kW，出現在1 月16 日8:00，此時室外干球溫度為-5.9 ℃。按照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》確定室外設計溫度為-3.2 ℃，此時對應設計熱負荷為5.04 kW。

圖3 建筑逐時熱負荷

2.2 設備選型

1）空氣源熱泵機組

本文所研究空氣源熱泵系統，在非除霜工況下運行期間兩側室外換熱器共同吸熱運行，為便于分析評價，可以認為其在運行時與廠家樣本所示參數相同。

根據負荷結果確定空氣源熱泵機組選型負荷，為滿足全年熱負荷工況，忽略電輔助加熱影響，選型條件需滿足最不利條件下的熱負荷。

選用 DNF-E80W-520 型空氣能熱泵機組，額定值熱量8000 W，額定功率2490 W。

2）毛細管輻射板設計

參照文獻[14]實驗測試數據對目標建筑鋪設面積Am進行計算：

式中：Qs為建筑設計熱負荷，W；Qd為毛細管輻射板單位面積散熱量，取 170.6 W/m2。

定目標建筑物鋪設毛細管輻射板共計30 m2。

實際供水流量G滿足以下關系：

式中：tg為供水溫度，℃；G為供水流量，kg/h。

3）蓄熱水箱

為確定蓄熱水箱體積，自供暖開始時刻（11 月15日）起對供暖日白天逐日總熱負荷進行統計，設計水箱蓄熱量為 40 kWh，并參照文獻[15]計算得水箱為體積4.08 m3，直徑1.8 m，高 1.47 m 的圓柱體。

4）水泵

水泵設計流量計算公式如下：

式中：Qe為熱泵機組額定熱負荷，kW；△t1為系統設計供回水溫差，本設計取5 ℃。

水泵揚程主要包括管道總阻力，熱泵阻力及末端阻力等。

計算得到選取 CME3-2 型號變頻泵，流量1.4 m3/h，揚程11 m，功率0.14 kW。

3 系統仿真

3.1 簡化假設

由于系統復雜，想要精準的進行模擬仿真較難達到，根據 Trnsys 模擬特點及仿真目的，在系統建模時做以下假設：

1）忽略載熱流體熱物性隨流體溫度的變化。

2）忽略系統中管路熱損失。

3）忽略水泵及熱泵在運行過程中的能耗造成的溫升及性能變化。

4）管內流體在同一截面上溫度和速度分布是均勻一致的。

5）運行過程中不考慮結、除霜對熱泵制熱能力的影響。

6）忽略設備停開造成的瞬時額外功耗。

7）認為在短暫時間間隔內各節點溫度恒定。

3.2 運行策略

1）流量控制策略

熱泵機組壓縮機為定頻壓縮機，室內換熱器7 的水流量應該在額定流量的±30%內，以保證熱泵的正常運行。

邊蓄邊供狀態下，優先滿足用戶的用熱需求，額外熱水流量進入水箱進行蓄熱。當不需要蓄熱時，則通過壓差控制閥16 旁通流回熱泵。

2）溫度控制策略

熱泵啟停控制：保證熱泵回水溫度不超過 40 ℃，當熱泵回水水溫超過40 ℃即關閉熱泵機組，同時保證水循環泵開啟持續供熱。

根據末端供熱溫度范圍要求，水箱蓄熱時認為45 ℃以上為蓄滿狀態，38 ℃以下為釋熱下限。

3）時間控制策略

供暖季連續供暖即 11月15日至下一年 3月15日。其他時間不開啟機組。

電力條件考慮峰谷電價差異，高峰時段為8:00～20:00、低谷時段為20:00～次日8:00。按照西安地區電價進行設置：高峰電價 0.5983 元/kWh、低谷電價0.3483 元/kWh。

蓄熱工況下，高峰電力時段優先使用水箱釋熱，若出現蓄熱不足情況則開啟熱泵直供不蓄。

3.2 仿真模型

采用Trnsys 軟件對圖1 所示系統進行建模，主要使用部件有：空氣源熱泵模塊（type941）、變頻水泵（type270）、負荷處理模塊（type682）、水箱（type4c）、分流器（type11f）、合流器（type11h）、計算器等。通過計算器及分集水器的信號實現供熱系統控制切換。各部件鏈接示意如圖4。

圖4 新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統仿真模型

3.3 結果分析

全供暖季耗電量為 3753.7 kWh，運行價格為1323.88 元，供暖費用為2.55 元/(m2·月)。全年COP 平均為2.7。

4 經濟性分析

由于空氣源熱泵節能環保的特性，在“煤改電”推進中得到了較高重視，很多地區有不同的鼓勵政策以降低用戶改造費用，一般為不同額度的一次性補貼或享受更優惠的低谷電價兩種途徑。本文將分析用戶在不同補貼條件下的經濟效益。

4.1 初投資分析

不考慮室內側造價差異，新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統初投資主要包括：熱泵機組14300 元，變頻水泵700 元，蓄熱水箱2000 元，共計17000 元。“煤改電”用戶一般可享受 3000 至 25000 元額度不等的一次性補貼，對于用戶而言極大地降低了初投資費用。

4.2 運行費用分析

從運行費用來看，西安地區集中供暖費用為 5.8元/(m2·月)，計算得供暖季一年費用為 3016 元。采用新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統時，當不采用低谷電優惠時，由模擬可知該系統在本文運行策略下不考慮除霜時年運行費用約為1324 元。

根據文獻[13]的介紹，圖 1 所示系統因為有兩組室外換熱器，故可以實現一種新的除霜方法，即：從室外空氣中吸熱化霜并同時可以連續供熱，避免了常規空氣源熱泵系統的冷熱抵消問題，更節能，而且化霜時間可以大幅度降低，根據實測，圖 1 所示系統的化霜時間只有常規空氣源熱泵系統化霜時間的大約四分之一，因此由于除霜造成的額外費用遠低于常規空氣源熱泵系統的10%[16-17]。

另一方面，在運行控制策略上有較大優化空間，能夠進一步降低運行費用。綜上分析，該系統運行費用較集中供暖能夠節省一半以上。

在此同時，“煤改電”用戶可享受為 0.1～0.3 元/kWh 不等的低谷電優惠價格，極大地降低了用戶的運行成本。

4.3 經濟性評價指標

為綜合研究新型空氣源熱泵供暖系統的經濟性，本文使用凈現值及動態回收期的方法進行分析。

凈現值法計算方法如下：

式中：CF 為凈現值流量，元；i為基準折現率，取 0.08；I為系統的總投資額，元；n則為項目方案壽命周期，取 12 年。

當凈現值＞0 時方案可行，并且值越大則經濟性越高。

動態回收期計算方式如下：

Pt=(累計凈現金流量現值出現正值的年數-1)+上一年累計凈現金流量現值的絕對值/出現正值年份凈現金流量的現值

忽略如維修費用、用戶端費用、管道造價、集中供暖系統初投資等次要因素影響，可認為凈現值流量為集中供暖與新系統運行費用的差值。

4.4 經濟性分析

在不同一次性補貼及低谷電價情況下該系統的NPV 計算結果如圖5 所示，系統的運行動態回收年限如圖6 所示。

圖5 不同補貼情況下NPV 情況

圖6 不同補貼情況下動態回收期

可以看出，與集中供暖相比，使用熱泵供暖對用戶而言會產生較高的初投資成本，但是由于該新系統的優勢，在較少補貼政策下，用戶即可在熱泵壽命周期內享受到較高經濟收益。

在“煤改電”政策補貼力度大的地區，如北京，一次性補貼設備投資的90%，且可享受0.1 元/kWh 的低谷電價，采用該系統 NPV=11051＞0，動態回收期為0.7 年。補貼力度小時，如一次性補貼3000 元、低谷電優惠價格0.3 元/kWh 情況下，系統NPV=92 元＞0，動態回收期為11.9 年。

綜上所述，該系統經濟性受補貼額度影響較大，在高一次性補貼及較低低谷電價情況下經濟性效果更加凸顯。

5 結語

本文提出的新型空氣源熱泵蓄熱供暖系統，解決了現有除霜方式缺陷的同時控制了初投資的增加，并且能有效地利用峰谷電及變流量運行。通過Energyplus 及Trnsys 軟件模擬計算和分析，結果表明：在西安現有的峰谷電價下，該系統供暖季運行費用與集中供暖年費用相比可降低50%以上。在低谷電價為0.2 元/kWh，且有 6000 元設備補貼的情況下，該系統能夠在7 年左右回收初投資。