居民小区燃煤供热站改造为空气源热泵典型应用分析

何 建

（国网冀北节能服务有限公司，北京 100045）

目前，我国北方仍存在较多的分散式燃煤锅炉采暖，能源消耗处于粗放型模式。按照国家关于大气污染防治工作的部署与要求，燃煤锅炉需在2020年前予以全部拆除。根据大部分区域当前的实际情况，燃煤锅炉拆除后可选择的替代采暖方式主要有天然气、电供暖等。为推动用能方式的升级转型，促进能源的高效、可持续、清洁利用，改善冬、夏季电网负荷不平衡现状，通过探索研究多种合作方式，在华北区域试点开展空气源热泵电采暖应用项目。

1 改造可行性分析

1.1 技术上实际可行

目前，空气源热泵产品的研发、生产和销售，旨在形成制冷、热水、供暖三位一体的高配置空气源热泵产品。多年来国内各厂商与科研机构致力于产品的优化与升级，注重产品的适用性，研究并有针对性地解决系统技术瓶颈，如：气温低时存在启动难、能效比低下等问题［1］。

低温运行、高效、节能环保是热泵的首要定位。如某厂家的空气源热泵处在寒冷的北方，经历近10年寒冷运行实践、多地实际应用，其生产的热泵可在-25°C的恶劣工况下正常工作。热泵系统一般配置为美国谷轮超低温压缩机，爱默生公司的能源供应组件，新一代的空气源热泵机组高效、可靠，使节能环保采暖、制冷系统的建设成为可能。

1.2 经济效益相当

新一代空气源环境工程智能系统机组，根据逆卡诺循环原理，采用电能驱动压缩机做功，充分利用传热工质，对系统循环水进行加热或降温，从而获取相应能量。

与普通采暖相比，具有无可比拟的优势，利用水系统换热，出风温度舒适，采暖温度均匀，人体舒适度明显提高。

在不同的运行工况下，每消耗1 kWh电能就能从低温热源中吸收相当于2～6 kWh的热量，可以节省大量的运行费用。经多个实体项目运行监测与分析，能效比高达3.57，经济效益显著。

1.2.1 经济效益测算，投资回收期短

该类机组系统冬季为地暖，夏季为中央空调制冷。使用空气源环境工程智能系统机组能最大限度地为用户供暖、制冷工况节省营运成本，对比其他传统地暖供暖方式，短时间内即可收回投资成本。

按照华北区域类一般建筑物进行分析测算，空气源机组设备投资约100元/m2，以10万m2建筑体为示例，其项目设备初投为1 000万元。地区居民采暖费用按30元/m2核算，采暖电价按合表用电核算约为20元/m2（每平方米每季的采暖用电量在50～60 kWh）的运行费用。则每平方米盈利10元，针对不同项目的实际情况，考虑政府政策的支持，该类项目的投资回收期约为5～7年，项目经济效益良好。

1.2.2 使用寿命长，运行费用低

空气源环境工程智能系统机组经分析研究与反复的实验证实，机组综合运行寿命可达15～20年。机组是根据逆卡诺原理开发生产的，利用管路中制冷剂与空气当中热量交换，流经换热器起到加热冷水和降温热水的作用。机组系统在此基础上更经过优化设计，实现了更高的能效比。能效比越高就会越省电，可以为用户带来更高的利润空间，使用户切实节约运行费用成为可能。

2 实际应用案例

2.1 方案设计依据

方案设计依据为建筑专业提供的设计资料及现行国家设计规范。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012；《住 宅 设 计 规 范》GB 50096—2011；《建筑设计防火规范》GB 50016—2014；《居住建筑节能设计标准》DB13（J）63—2011；《通风与空调工程施工质量验收规范》GB 50243—2002等。

2.2 方案基本参数

本工程为华北地区某居民小区供热站燃煤锅炉改造项目，共涉及建筑面积13万m2，原有2台燃煤采暖锅炉，分别为1台8 t锅炉、1台6 t锅炉，原锅炉采暖系统供、回水温度分别为65℃、40℃。

室外气象参数：经统计分析，该项目区域内冬季空气调节室外设计计算温度为-12℃，调节室外计算湿度取51%，冬季室外平均风速为2.5 m/s。

2.3 供暖方案设计

2.3.1 供暖热源选型

综合考虑一次性投资、运行经济性、运营管理及建筑物整体美观、和谐等多方面因素，设计采用循环可再生的空气源热泵机组能源管理站方案。

2.3.2 能源管理站控制系统

空气源热泵机组能源管理站自控系统由供暖机组及本地自动控制端、供暖机组与监控中心之间的通信系统、监控中心管理系统3个部分构成。

供暖机组及本地自动控制端系统可独立完成本地控制。供暖机房利用通信系统将现场状态参数、运行数据、监测情况传送至监控中心管理系统，同时接受各类监控管理指令。供暖机组、本地站与监控中心采用光纤通信。

监控中心管理系统安装在中央调度室的服务器上，通过网络和供暖机组系统通信模块相连，完成供暖机房运程与管理系统之间的数据交换，既可以监视各供暖机组的运行情况，同时亦可以调整、控制供暖机组的运行状态。系统构成示意图如图1所示。

图1 系统构成示意图

2.3.3 机组及本地自动控制系统

供暖机房包括供暖用智能空气源热泵机组系统，循环管网与水泵组成的循环系统，补水泵组成的补水系统构成。空气源热泵机组和水泵运行状况与室外天气、采暖需求联动。计算机控制系统采集当地天气状况进行分析，根据建筑物环境需求，自动调整机组的运行，同时调节机组进、回水口电动控制阀，以实现智能、高效采暖运行。本地站同时监控空气源热泵采暖机组和循环水泵机组主要运行参数。

采暖温度自动控制：根据室外温度和室内采暖需求，自动调整空气源热泵主机的运行情况。

在控制过程中，需要采集大量的物理量，如：系统压力、温度、流量等模拟量参数，通过DDC控制器对参数进行实时采集和处理。供暖机房DDC控制系统对电动调节阀、循环系统、补水系统等控制对象实时监控，实现供暖系统的自动控制。

能源管理站机组及本地自动控制系统主要完成基础数据采集、自动调节、参数调整、实时通信、故障报警等功能。可独立完成本地控制，也可受控于物业管理监控中心。

2.4 设计内容

2.4.1 设计计算

华北地区某小区供热站为建筑面积13万m2的小区供暖，原有燃煤锅炉为1台8 t DZL5.6-0.7/95/70-ALL（05）锅炉、1台6 t DZL4.2-0.7/95/70-ALL（05）锅炉。此型号锅炉的热效率为80%，总额定制热量为9.80MW，经现场检测分析，实际运行制热量为7.8MW。结合现场实际情况选定采暖热负荷指标为60 W/m2，总采暖所需热功率为：130 000 W×60=7 800 kW，与原燃煤锅炉采暖系统实际功率相吻合。分析工程规模实际，从管理控制出发，设备选型为25 p/台。

分别配置蓄能热水箱80 t 1套、60 t 1套。根据项目实际，同时考虑储能缓冲，此计算热负荷选择空气源热泵采暖机组178台18.375 kW（25 p，机组综合能效比选定为2.39），最大需求用电功率为3 271 kW。项目需配套供电容量约为：3 271 kW÷0.7÷0.95=4 919 kVA。

2.4.2 设计方案

将原有采暖燃煤锅炉拆除，其他供暖设备（包括循环水泵、补水系统等）不做处理，将原有对接燃煤锅炉管网改成对接蓄能水箱，空气源热泵机组系统再对接蓄能水箱，结构示意简图如图2所示。

图2 空气源热泵能源管理站链接示意图

2.4.3 具体运行投入方案

根据往年供暖收费金额统计华北某小区供热站小区采暖的入住率情况，通过入住率情况计算空气源热泵能源管理站匹配机组台数。以下为假设小区入住率的几种情况：

若30%入住率，则按总机组数量40%投入，即178×40%=71台18.375 kW（25 p）匹配机组；

若50%入住率，则按总机组数量60%投入，即178×60%=107台18.375 kW（25 p）匹配机组；

若60%入住率，则按总机组数量70%投入，即178×70%=125台18.375 kW（25 p）匹配机组。

若按照如上的建设实施对接方案，既能保证小区供暖的正常运行，又能最大限度地缓解项目初投资成本。随着小区入住率不断提升，可根据增加入住率的实际情况，动态补充空气源热泵采暖机组数，灵活投入。

3 效益分析及存在的问题

运行费用：根据华北地区某小区2011—2016年采暖季每月平均最高和平均最低气温计算（电价按照0.52元/kWh计算），以下为采暖运行费用详细计算。

华北地区某小区2011—2016年采暖季（150天）平均气温以及机组能效比情况核定如下：

11月（-1℃～7℃）、3月（-1℃～9℃）采暖机组综合能效比取3.2；

12月（-6℃～3℃）、2月（-8℃～2℃）采暖机组综合能效比取2.4；

1月（-13℃～2℃）采暖机组综合能效比取2.1。

（1）入住率为100%情况下运行费用分析（热负荷指标60 W/m2）

11月、3月，机组采暖系统50%负荷运行60天（机组能效比3.2）：

7 800 kW×24 h÷3.2×60×0.52元/kWh×50%=91.3万元

12月、2月份，机组采暖系统80%负荷运行60天（机组能效比2.4）：

7 800 kW×24 h÷2.4×60×0.52元/kWh×80%=194.7万元

1月份机组采暖系统100%负荷运行计30天（机组能效比2.1）：

7 800 kW×24 h÷2.1×30×0.52元/kWh=139.1万元

空气源热泵采暖机组系统采暖运行费用总计约为：（91.30+194.70+139.10）万元=425.10万元

机组系统循环泵费用分析：

132 kW×24 h×0.52元/kWh×150×80%=19.8万元

综上所述：整个冬季（150天）空气源热泵能源管理站采暖运行费用约为：（425.10+19.80）万元=444.90万元。通过以上综合分析与计算，空气源环境工程智能机组采暖系统采暖运行费用平均约为：

4 449 000元÷130 000 m2÷5月=6.85元/m2·月

（2）入住率为60%情况下运行费用分析（热负荷指标67 W/m2）

11月、3月份，机组采暖系统50%负荷运行60天（机组能效比3.2）：

130 000 W×67×60%=5 226 kW

5 226 kW×24 h÷3.2×60×0.52元/kWh×50%=61.14万元

12月、2月份，机组采暖系统80%负荷运行60天（机组能效比2.4）：

5 226 kW×24 h÷2.4×60×0.52元/kWh×80%=130.44万元

1月份机组采暖系统100%负荷运行30天（机组能效比2.1）：

5 226 kW×24 h÷2.1×30×0.52元/kWh×100%=93.17万元

整个冬季空气源热泵机组采暖系统运行费用总计约为：（61.14+130.44+93.17）万元=284.75万元

机组系统循环泵费用分析：

80 kW×24 h×0.52元/kWh×150×80%=11.98万元

综上所述，整个冬季（150天）空气源热泵采暖运行费用约为：（284.75+11.98）万元=296.73万元。通过以上综合分析与计算，空气源环境工程智能机组采暖系统采暖运行费用平均约为：

2967300元÷（130000m2×60%）÷5月=7.61元/m2·月

4 结束语

2015—2020年中国空气能热泵行业发展分析及投资潜力研究报告显示，空气源热泵因其环保节能的明显优势，已经开始应用于高层小区采暖配套设施。当前，国内能源相对紧张，环境污染问题不断恶化，新型清洁可再生能源普及已迫在眉睫，空气源热泵的市场通过消耗极少的电能，将空气中的低品位热能，经压缩机做功转化为高品位热能，用于采暖，获得热水与夏季制冷，既经济节能又清洁环保。D

［1］ 鲁松林，代家元，周春蕾，等.基于积分制的燃煤机组节能减排综合绩效评估方法与应用［J］.江苏电机工程，2016，35（5）：90-93.