基于某校區(qū)清潔能源供熱節(jié)能循環(huán)利用改造的研究

楊猛，王英杰

（濟南能源建設發(fā)展集團有限公司，濟南 250000）

1 引言

秋冬季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)霧霾天氣，因此，很多市民希望可以推出更清潔的新能源供暖方式，進而逐步實現(xiàn)供暖“無煤化”的目標。在新能源使用方面，未來集中供熱將不會像傳統(tǒng)方式那樣建鍋爐房，而要采用其他新能源、新技術替代，比如，利用空氣源、地熱、冰放熱技術、光發(fā)電技術等。未來還將不斷研究更多的供熱新技術、新能源。中國工程院院士、清華大學教授江億認為:“煤改電，絕不是煤改電熱，而是用電來驅動空氣源熱泵，這可能是煤改電供暖的最佳方式。”隨著《“十三五”全民節(jié)能行動計劃》的實施以及各地政府陸續(xù)開展“煤改電”工程招標，由此可以看出，將來空氣源熱泵在供暖行業(yè)備受青睞，供暖行業(yè)中使用空氣源熱泵更加廣泛。根據(jù)此研究背景，對學校的換熱站進行改造設計。

2 空氣源熱泵的可行性

2.1 空氣源熱泵機組的工作原理

空氣源熱泵熱水機組分為4 個部分，分別為蒸發(fā)器、膨脹閥、壓縮機、冷凝器。機組封閉運行，傳熱工質在機組內運行，熱交換發(fā)生在冷凝器和蒸發(fā)器與外部的地方。空氣源熱泵的工作原理比較簡單，與空調的工作原理是相同的，都是按照逆卡諾循環(huán)，如圖1 所示。空氣源熱泵從周圍環(huán)境中提取熱能，品質通過壓縮機得以提升，此時空氣變?yōu)楦邷馗邏海橘|（水）將從熱交換器中獲取熱能，最后終端用戶通過介質（水）獲取熱能，最終可以達到采暖的目的。然而二者也有不同之處，主要是空氣源熱泵的冷凝溫度比空調更高，蒸發(fā)溫度更低。空氣源熱泵適應環(huán)境溫度的范圍更寬，與普通空調相比，空氣源熱泵更能適應環(huán)境溫度的變化，溫差更大，運輸熱能的能力也更大。

圖1 空氣源熱泵機組工作原理

目前，傳熱工質的種類有很多，空氣源熱泵熱水機組常用的傳熱工質有R22 和R134，用性能系數(shù)COP 來評價其機組的運行效率，性能系數(shù)COP 的計算公式如下【1】：

在標準工況下，機組的性能系數(shù)COP 通常是大于4 的。因為機組的傳熱工質、壓縮機型號、容量以及種類不同，其性能系數(shù)COP 也有所不同。在運行過程中，蒸發(fā)器和冷凝器外部介質（空氣或水）的工作溫度以及它們之間的溫差是影響熱泵機組性能系數(shù)COP 的主要因素。溫差越大， 性能系數(shù)COP就會越低；反之，性能系數(shù)COP 就會越高。

2.2 空氣源熱泵的可行性分析

1）分析空氣源熱泵的工作原理可以得到，空氣源熱泵能從周圍環(huán)境中獲取大量免費的熱量，即空氣源熱泵的能效為2.5～3，而鍋爐的熱效率最高才能達到95% ，因此，從節(jié)能的角度來說，利用空氣源熱泵采暖是可行的。

2）空氣源熱泵配置電腦芯片，整機可以實現(xiàn)自動化控制，無需專人維護，比起傳統(tǒng)的供熱方式節(jié)省了人工維護的投入問題，不需要填煤、加煤，不用擔心發(fā)生火災或爆炸，而且溫度可控，可根據(jù)自身需要調節(jié)溫度高低，并保持溫度恒定，不會像燃煤取暖一樣出現(xiàn)溫度時高時低的情況，采暖舒適性更好。

3）機組出水溫度過高是空氣源熱泵熱水機組的運行特點。當需要高溫熱水時，需要采用輔助熱源；被加熱水1 次溫升通常為5℃，故采用蓄熱運行。另外，當性能系數(shù)COP 達到最高時，其機組處于最佳運行工況；當運行工況逐漸偏離時，性能系數(shù)COP 逐漸降低，當運行工況偏離過大時甚至不能正常工作。

4）空氣源熱泵供熱，能效比高達4.0。能效高，省電，運行成本低，安全可靠。空氣源熱泵運行過程中對大氣及環(huán)境不會造成污染，其符合我國目前的減排環(huán)保方面的基本政策。

5）空氣源熱泵工作適應環(huán)境溫度范圍比較寬，室外環(huán)境溫度在-15～40℃時，熱泵機組都可以正常工作，因此，可以滿足濟南市范圍內的室外環(huán)境溫度要求。

總而言之，綜述空氣源熱泵用于學校教學樓的清潔能源改造，從能效、運營成本、綠色環(huán)保和適用范圍4 個角度分析是可行的。

3 改造設想

1）為了全面改善城市空氣質量，積極響應濟南市委、市政府、環(huán)保局提出的加強環(huán)境監(jiān)管和大氣污染深度治理，切實提升空氣環(huán)境質量，推進碧水藍天工程建設的號召，改變現(xiàn)有能源結構，濟南能源建設發(fā)展集團有限公司進行了深入的方案探討，充分利用學校場地條件建設空氣源熱泵，煙氣余熱回收型熱泵配合燃氣鍋爐使用。

2）如今節(jié)能減排已經(jīng)成為時代潮流。節(jié)約能源，減少碳排放是最時尚的生活方式。空氣源熱泵的工作原理采用的是逆卡諾循環(huán)，可以將空氣中的能量轉移到水中，而不是直接用電熱元件加熱，因此，其能效可達到電熱水器的4 倍，即加熱等量的熱水，耗電量相當于電熱水器的1/4，大大節(jié)約了電力的消耗。中國的電力70%是通過火電廠燒煤產生的，節(jié)約電力意味著減少碳的排放量。

3）空氣是可再生能源，是取之不盡用之不竭的天然資源，熱泵利用可再生能源——空氣能，并輔以清潔能源——電能，運行過程中不會產生任何污染，是國家大力推廣的開發(fā)和利用可再生能源的綠色環(huán)保設備。

4 空氣源熱泵與燃氣鍋爐的比較

以濟南市山東大學清潔能源供熱節(jié)能循環(huán)利用改造——護理學院換熱站改造項目為例進行節(jié)能改造前后的對比分析【2】。

4.1 項目概況

濟南市山東大學護理學院換熱站的改造，項目包括護理學院以及教學6 樓，共19 000m2。

4.2 項目改造內容

熱指標取70W/m2，冷指標取85W/m2，保留原有的燃氣鍋爐，在原有燃氣鍋爐供熱的基礎上，加入空氣源熱泵。空氣源熱泵機組冬季制熱，夏季制冷。

換熱站介質參數(shù)，制熱工況：設計供回水溫度55℃/40℃，設計壓力為1.6MPa；制冷工況：設計供回水溫度12℃/7℃，設計壓力為1.6MPa。

4.3 運行策略

初末寒時，熱泵能效較高，此時優(yōu)先使用空氣源熱泵制熱。隨著溫度下降，熱泵效率降低，當室外氣溫低于0℃時，優(yōu)先使用燃氣鍋爐制熱，其中，煙氣余熱回收系統(tǒng)配合燃氣鍋爐使用。通過數(shù)據(jù)計算，空氣源熱泵提供60%的熱量，燃氣鍋爐提供40%的熱量。

4.4 運行過程

冬天空氣源熱泵機組是以制冷劑為熱媒，在空氣中吸收熱能（在蒸發(fā)器中間接換熱），經(jīng)壓縮機將低溫位的熱能提升為高溫位熱能，加熱系統(tǒng)循環(huán)水（在冷凝器中間接換熱）。這可使不能直接利用的熱能再生為可直接利用的熱能，只消耗少量電能，而獲得2～6 倍于輸入功率的節(jié)能回報。

燃氣鍋爐的高溫煙氣與低溫采暖回水在換熱器中換熱降溫，回收煙氣顯熱，然后由引風機導流進入冷凝器，在冷凝器中與水源熱泵循環(huán)水進行進一步換熱，回收煙氣潛熱。采暖回水或衛(wèi)生熱水經(jīng)高溫煙氣和熱泵加熱后，溫度提升，進入原熱系統(tǒng)。實現(xiàn)煙氣余熱到中溫熱水的轉移，提高鍋爐的熱效率。

4.5 經(jīng)濟分析

山東大學清潔能源供熱節(jié)能環(huán)保循環(huán)利用改造項目的主要技術經(jīng)濟指標、各項費用匯總分別如表1、表2 所示。

4.5.1 運行費用分析

以下對燃氣鍋爐及空氣源熱泵進行經(jīng)濟比較，本方案能源價格按：0.5469 元/（kW·h），燃氣價格3.6 元/m3，天然氣熱值按3.6×104kJ/m3。空氣源熱泵與燃氣鍋爐運行費用如表3 所示。

表1 山東大學趵突泉校區(qū)節(jié)能環(huán)保主要經(jīng)濟指標

表2 各項費用匯總

表3 運行費用表

改造前項目采用燃氣鍋爐供熱，濟南市燃氣價格為3.6元/m2。因此，經(jīng)計算改造前該校每年供熱采暖費用為6.84萬元。改造后，全年采暖耗電量為3.88×104kW·h，電費價格為0.546 9 元/（kW·h），改造后每年供熱采暖費用為2.12 萬元。因此，改造后每年節(jié)約費用4.72 萬元【3】。

從上述計算結果來看，采用空氣源熱泵和燃氣鍋爐聯(lián)合供熱費用少于以往單獨燃氣鍋爐供熱花費，基本滿足該高校的供暖需求。

4.5.2 節(jié)能效果分析

本項目通過空氣源熱泵技術提取空氣中的低品位熱量供熱，實現(xiàn)了低品位能源的開發(fā)利用，采用高能效比的空氣源熱泵機組及煙氣余熱回收系統(tǒng)，補充燃氣鍋爐制熱量，均以所消耗的一次能源（標煤）為評價標準，項目實施后每年可節(jié)約1 112t 標煤，節(jié)能效果顯著。

5 未來展望

1）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在節(jié)能與環(huán)境保護方面有明顯的優(yōu)勢，但其效能的發(fā)揮受使用條件限制【4】。當室外空氣溫度大于5℃時，空氣源熱泵機組的性能系數(shù)COP 一般在2～6，平均可以達到3 以上；其能源利用效率為電加熱器的3～4 倍以上，比一般熱源節(jié)能30%～80%，是供熱方式中效率最高、節(jié)能最多的供熱方式。

2）空氣源熱泵系統(tǒng)在濟南市利用狀況可觀，其運行成本低于集中供熱費用，且改善了室內的熱環(huán)境，能基本保障采暖溫度在20℃左右。在夏熱冬冷地區(qū)以及更為溫暖地區(qū)使用空氣源熱泵熱水技術是可行的，并有較好的節(jié)能效果，值得推廣，但熱泵機組冬季性能還需要進一步提高。

6 結語

綜上所述，本項目對原有燃氣鍋爐進行煙氣排放改造，實現(xiàn)達標排放；根據(jù)現(xiàn)場實際情況，建設空氣源熱泵能源站替代部分燃氣鍋爐供熱能力，有效降低天然氣燃氣用量和煙氣排放；煙氣余熱吸收式熱泵配合燃氣鍋爐使用，有效提高燃氣鍋爐的效率，減少煙氣排放污染。符合國家現(xiàn)行產業(yè)發(fā)展政策，具有很好的節(jié)能效益、環(huán)保效益、經(jīng)濟效益及社會效益。