空氣源熱泵供暖系統能效分析及系統配置探討

吳東興 鄧宮昊 王金雄

(1. 青島騰遠設計事務所有限公司,青島;2.山東方亞新能源集團有限公司,青島)

0 引言

人類工業化以來,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”成為年度關鍵詞,霧霾嚴重影響了北方供暖地區的大氣環境及老百姓的身心健康。

全球氣溫上升及產生霧霾的根本原因是化石燃料的燃燒導致的大量二氧化碳及粉塵顆粒的排放。中國中央政府莊嚴承諾“碳排放力爭2030年前達到峰值,爭取2060年前實現碳中和”,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展和應用[1]。

2020年建筑運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]。北方城鎮供暖熱源主要為熱電聯產和各類燃煤、燃氣鍋爐生產的熱力,燃煤比例高達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用技術的一種,以其綠色環保、性能穩定、經濟實惠、運維便利等優點,迅速成為北方地區清潔供暖的主要技術路徑之一,且有著巨大的發展潛力[3]。

隨著自上而下的建筑節能強力有序地推進,大量低能耗、超低能耗建筑不斷涌現,低溫輻射供暖系統以其良好的舒適性、安全性逐漸代替了傳統的對流輻射供暖系統。新的末端供暖技術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得以大量推廣應用。

1 熱泵供暖系統能效分析

由于傳統集中燃煤供熱方式受到限制,北方供暖地區始于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替代燃煤供熱系統,比如針對農村住戶的小型熱泵熱水機組、熱泵熱風機組,針對公共建筑或區域性供暖需求的模塊式熱泵熱水機組迅速得到了大量推廣應用,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相對于絕大多數其他清潔供暖方式(比如燃氣、太陽能、電蓄熱等)無疑要經濟得多,空氣源熱泵供暖綜合能效與供暖地區環境溫度、不同環境溫度下的運行時長、不同環境溫度下的設備能效比等因素高度相關。

綜合部分負荷性能系數(IPLV)及實驗工況下的熱泵制熱性能系數(COP)等評價指標不能科學準確地評價空氣源熱泵供暖系統整個供暖季的能效狀況,不能有效指導空氣源熱泵供暖系統合理配置,也不能科學指導系統運行管理中的優化控制。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存在的問題,優化系統配置。

空氣源熱泵供暖系統能效比與環境溫度高度相關,本文以筆者所在城市青島(青島地區連續供暖設計干球溫度為-5 ℃,供暖周期為每年的11月16日至次年的4月5日,共141 d)為例進行分析。青島地區不同環境溫度區間的時長及占比見表1。

表1 青島地區不同環境溫度區間的時長及占比

從表1可以看出：青島地區整個供暖季室外環境溫度在0 ℃以上的時間占比為71%,在該環境溫度范圍內空氣源熱泵制熱能效比較高,-4 ℃以下環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作用。如果系統配置上側重使空氣源熱泵盡可能在高效區域工作,避開低效區域,空氣源熱泵供暖系統就能充分發揮自身的經濟性和穩定性,同時也能保障供熱品質。

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 ℃溫度區間的平均溫度-7 ℃為環境溫度,將此溫度下計算所得熱負荷作為滿負荷,可以推算出-2、2、7、12 ℃環境溫度下的供暖熱負荷率,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 ℃溫度區間雖然熱負荷大,但是整個供暖季能耗占比僅為13%;-4 ℃以上溫度區間供暖能耗占比為87%;0 ℃以上的溫度區間供暖能耗占比為59%。因此,整個空氣源熱泵供暖系統能效評價、系統配置及控制管理策略應關注能耗及環境溫度分布特點,并采取相應的技術措施,才能有效提高整個系統的運行效率,降低初投資。

根據每個溫度區間的制熱能效比及能耗占比,通過加權計算,可以得出空氣源熱泵系統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的真實運行情況。

表4 供暖季綜合能效比

綜合表3、4數據分析可知：空氣源熱泵系統在環境溫度-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的整個供暖季綜合能效比相對于電加熱供暖、燃氣供暖等其他供暖方式是非常高的。在當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),則平均運行成本約為0.67元/(kW·h)÷(3.33×0.9)=0.22元/(kW·h)。當然,考慮到不同地區的溫度及每個溫度段的時長差距非常大,每個地區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行供暖需要具體地區具體分析,選擇合適的系統配置和控制策略。

2 熱泵供暖系統經濟性分析

隨著節能減碳要求的提高及環保壓力的增加,絕大部分北方供暖城市均限制了傳統燃煤供熱的增容擴展,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合使用,如空氣源熱泵、太陽能、生物質能、污水源熱泵、電蓄熱、天然氣分布式能源等供熱方式。越來越多的專業能源公司參與了清潔能源供熱項目的建設、運營與服務。空氣源熱泵作為主要的技術手段之一,其經濟性到底如何,相對于其他常見的清潔供暖及傳統的燃煤集中供暖究竟孰優孰劣?本文以青島地區的氣候條件及能源價格為基礎參數,對空氣源熱泵、燃氣供暖、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行對比。

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

燃氣價格：非居民用氣價格為3.6元/m3。燃氣熱值為36 MJ/m3,燃氣鍋爐效率取0.92(規范限值)。

空氣源熱泵供暖季節綜合能效比(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,可以得出不同熱源形式(不含輸配系統能耗)下1 GJ熱量的成本,見圖1。

圖1 1 GJ熱量成本對比

從圖1可以得出以下結論：

1) 空氣源熱泵相對于常見的燃氣鍋爐、谷電蓄熱等方式,運行成本優勢明顯,僅為其他供暖方式的一半,即使相對于燃煤集中供暖,成本優勢也比較明顯。

2) 上述運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,如果系統配置設計及后期的運行管理能夠規避掉-4 ℃以下的低效工作區,則采用多能互補的系統形式會有更高的經濟性及更好的供熱品質。

以青島地區10萬m2普通高層住宅小區為例,該小區供暖熱負荷為3 500 kW(考慮了保溫散熱等輸配損失),供暖周期為141 d,根據CJJ/T 34—2022《城鎮供熱管網設計標準》[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,d;Qs為供暖設計熱負荷,kW;ti為室內計算溫度,℃;ta為供暖期室外平均溫度,℃;tj為供暖期室外計算溫度,℃。

將數據N=141 d、Qs=3 500 kW、ti=18 ℃、ta=2.6 ℃、tj=-5 ℃代入式(1)可得Qa=28 549 GJ,根據圖1空氣源熱泵供暖系統運行成本,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標準有顯著的經濟優勢。隨著室外溫度下降,制冷劑蒸發溫度下降、壓縮機吸氣壓力下降、吸氣比體積增加,導致制冷劑單位容積的制熱量下降,當壓縮機理論輸氣量不變時,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境下制熱量衰減明顯的特性,空氣源熱泵系統供暖的舒適性、穩定性相對燃煤或燃氣集中供熱方式有所欠缺,這就需要在系統配置及運行管理控制方面盡量結合供暖地區的資源稟賦情況,采用多能互補的形式揚長避短,發揮系統最優的效能。

3 系統配置要點

在合適的環境溫度下,空氣源熱泵供暖相對于其他常見的供暖方式經濟性無疑是比較好的,所以在市政供熱能力不足、周邊沒有集中熱網配套的新建小區,以及一些偏遠的學校、辦公樓、工廠、酒店、甚至醫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問題,往往采用單一的空氣源熱泵進行供暖,如果對于僅白天有供暖需求的辦公樓、學校等建筑倒也勉強可行,但是對于住宅、醫院等需24 h連續供暖的項目,會有以下諸多的不利：1) 設計選型容量偏大,導致初投資增大;2) 部分負荷運行時間較長,大量設備長時間閑置,設備故障率高;3) 極端天氣下供暖效果不好;4) 設備低效工作區運行時間長,供暖季綜合節能效率低。所以,采用空氣源熱泵集中供暖的系統,宜配置部分燃氣鍋爐供熱、電加熱,甚至市政集中熱源等相對穩定的能源形式,實現多能互補,以提高整體的運行效率,保障供熱品質,降低初投資。

那么,如果采用其他的能源形式做補充,應該補充多少是個值得研究的問題。本文以青島地區的氣溫變化作為研究依據,分析供暖負荷及空氣源熱泵機組在不同環境溫度下的變化特點。

以7 ℃實驗室工況下機組的額定制熱能力作為比較基準,不同環境溫度下機組的相對制熱能力與供暖負荷率的關系曲線見圖2。

圖2 供暖負荷率及熱泵機組相對制熱能力與環境溫度的關系

從圖2可以得出：1) 如果分別以-7、-2、0、2環境溫度下的供暖負荷進行系統配置,則7 ℃額定工況下的機組制熱能力分別為供暖負荷的158%、114%、85%、72%;2) 以-7 ℃下的供暖負荷配置空氣源熱泵機組,機組容量配置過大,初投資較高,而同等負荷下的燃氣鍋爐或電加熱等常規熱源方式投資則低得多(經驗表明,空氣源熱泵初投資可按額定供熱量1.2元/W考慮,燃氣鍋爐的投資額可按0.2元/W考慮),以-2、0、2環境溫度下的供暖負荷配置空氣源熱泵機組,分別需要補充28%、47%、55%滿負荷的其他能源形式;3) 建議對供暖品質要求高、24 h連續供暖的場合(如高檔住宅、醫院等),補充47%滿負荷的其他能源形式,對供暖品質要求不太高的場合,補充28%滿負荷的其他能源形式。

結合各地氣候特點及資源稟賦的多能互補配置方案,以及結合各能源形式自身運行特點的控制策略,一方面可以最大程度上節約運行費用及初投資,另一方面也能保障供暖效果。

4 結論

1) 空氣源熱泵供暖系統在“雙碳”“減霾”的大環境下,因為其便利性、可控性、經濟性、安全性等特點,是目前主流的清潔供暖技術之一,隨著建筑節能技術的提高及供暖熱源溫度的逐步降低,有著更加廣闊的發展空間。

2) 空氣源熱泵供暖系統的能效評價以整個供暖季為時間跨度,結合環境溫度的變化及供暖負荷的分布特點進行綜合評價,會更客觀、更貼近運行實際特點、更具參考價值。

3) 采用多能互補的空氣源熱泵供暖系統,補充能源的配比根據項目具體特點及環境條件宜為30%～50%,供暖效果的保障與初投資及運行費用的節約會達到比較理想的結合點。

4) 隨著以供暖為主要任務的空氣源熱泵系統應用的項目體量越來越大,輻射半徑越來越長,常規的5 ℃溫差機型輸配能耗較大,開發10 ℃溫差的空氣源熱泵機組甚為必要。