小型低温空气源热泵供热系统的优化设计

雒俐暖

（山西建筑职业技术学院，山西 太原 030000）

随着社会的发展及人民生活水平的提高，能源需求量不断增大，为了节能减排，低温型空气源热泵在北方地区小型供热系统中得到了大力的推广。作为可再生能源的一种，空气源热泵有诸多优点，但是由于设计的不合理，往往造成投资大，效果不佳的运行误区，本文就工程实例针对寒冷地区小型空气源热泵设计进行了优化分析。

1 低温空气源热泵运行中存在问题 [1]

1） 低温工况时，机组的结霜会造成机组的COP 下降35%～55%，除霜期间热泵机组的实际出力降低，影响室内供热效果；2） 室外温度越低，机组COP 越低，低温会导致机组的COP 下降高达24%，制热量衰减高达55%。

所以无论是除霜还是室外低温造成的供热量的减小都都会造成系统供热量不足。

2 工程应用

2.1 实际工程概况

本项目位于山西省保德县，总建筑面积约6000m2，热负荷为376kW。

2.2 室外气象参数

冬季供暖室外计算温度：-13℃

冬季≤5℃时的平均温度为-3.8℃

2.3 热源的选择及优化分析

1） 热源筛选，经调研该项目周围无集中供热，也没有市政燃气管道，传统的热源形式及水、地源热泵均无法实施。

由于本项目所在地电力余量充足，且目前低温型空气源热泵在室外-25℃时依然能正常工作，故热源方案在电锅炉及空气源热泵之间做比选。

2） 电锅炉及空气源热泵机组对比分析；①热源设备选型,当采用电锅炉时，考虑70%的备用系数，选择两台280kW的电锅炉作为热源。当采用低温空气源热泵机组时，需要根据以下公式对负荷进行修正计算：

Q实— 热泵机组的实际运行供热量，KW；

Q名— 热泵机组的名义工况供热量，KW；

K1— 室外干球温度修正系数（由厂家变工况运行资料提供）；

K2— 机组化霜修正系数，取0.9。

经过设备的选型本工程选择5 台名义制热量（室外干球温度为-12℃时） 为90 KW 的低温热泵模块机组，经实际设计工况修正后的单台实际制热量为77 KW。

②初投资及运行费用的对比,由于热泵及电锅炉的水系统差别不大，以下仅对热源部分的初投资及运行费用做比较。

从初投资上比较两台280KW 的锅炉价格约24 万，5 台140KW 的空气源热泵的价格约75 万，空气源热泵较电锅炉初投资增加约51 万，但在一个采暖季节省的运行费用约32.55 万，静态的投资回收期为1.57年，所以空气源热泵系统的经济性要远高于电锅炉系统。

3） 热源选配的优化分析[2-3]①优化原因,单纯空气源供热能满足供热的要求，但初投资较大，实际运行中低温工况的运行时间很短，据统计主机增加的20%～30%的容量可能只有不到2%的时间是有用的，其余时间均不工作。这样虽然运行成本节省了2%～3%，但初投资增加了很多，不经济。

表1 空气源热泵及电锅炉供暖运行费用比较

而电锅炉作为一种热源形式，它在低温工况的运行稳定，虽然运行费用很高，但初投资较空气源便宜很多。故在一定时间内空气源热泵与电锅炉在低温工况的联合运行是一种可靠、经济的运行模式，能有效缓解低温及热泵除霜工况对系统的影响。如何确定空气源热泵和电锅炉的配比是我们需要优化的内容。

②临界经济平衡点温度的提出

图1 按平衡点温度选择的空气源热泵机组

图1是考虑辅助热源后的机组选型，从图中可以看出临界经济平衡点温度越高，电锅炉的容量就越大，整个供暖季的运行费用就高，不经济。

③临界经济平衡点温度的确定，临界经济平衡点的确定是以空气源热泵运行能力的最大化为前提，与热泵的性能、电锅炉的性能、当地电价、电力增容费、空气源热泵价格、锅炉价格、当地的气象参数有很大关系。我们可以从空气源热泵与电锅炉的投资和运行费用的平衡上求出一个临界点，列平衡方程：

Nd— 辅助电锅炉的制热量，kW；Php— 1KW 空气源热泵的投资估算，元；Pd— 1KW 电锅炉的投资估算，元；Ck—产1KW 热量的空气源热泵所需的电力增容费，元；Cd— 产1KW 热量的电锅炉所需的电力增容费，元；n— 空气源热泵的寿命周期，取15年；Qd— 电锅炉在一个采暖季的运行负荷，kW；η— 电锅炉的使用效率；COP— 空气源热泵机组的能效比；Pe— 电价，元/（kW·h），方程的左侧公式为设备每年节约的初投资，它主要考虑了热源的价格及电力增容费。右侧公式为设备每年增加的运行费用，空气源热泵的投资价格约在1950 元/ kW，电锅炉的投资价格约在420 元/ kW；电锅炉效率取0.98；每kW 的电力增容费约为1100 元。电价按普通工商业取值0.65 元/（kW·h）；同时对室外-6～-13℃时的热泵机组的COP、室外热负荷及供暖时间做了统计，详见表2。

表2 机组运行参数

一个采暖季各个平衡点温度下电锅炉代替空气源热泵运行时的初投资及运行费用见图2。

图2 投资与运行费用对比图

由图2 可知，在室外温度低于-9℃时，运行寿命周期内采用电锅炉所节约的初投资要大于电锅炉所增加的运行费用，此时采用电锅炉代替空气源热泵承担部分室内负荷是经济的，当室外温度高于-9℃时，此时采用电锅炉节约的初投资将小于电锅炉较空气热泵所增加的运行费用，故电锅炉在高于-9℃时运行是不经济的。本项目以室外-9℃为临界平衡点温度选取热泵机组的容量。经计算此时热泵的选型容量应≥282KW，对应在-9℃时能提供的供热量将≥327KW。

故本工程选择4 台名义制热量（室外干球温度为-12℃时） 为90 KW 的低温热泵模块机组，单台热泵机组在设计工况的制热量为77 KW，需配一台略大于376-77 4=68 KW 的电锅炉。这样的热源搭配是最优的，此时实际运行的临界平衡点温度在-10.5℃，既室外温度低于-10.5℃时，电锅炉开始投入运行，与热泵机组联合供热.

3 结语

空气源热泵作为一种可再生能源，同时也是一种清洁能源，发展潜力巨大，是国家“煤改电”的主力军，但空气源热泵也有其局限性，本文以实际工程为例，以优化为目的，得出利用临界经济平衡点温度确定的电锅炉配比方法，在经济不增加的前提下，发挥了电锅炉的稳定优势，缓解了空气源热泵机组除霜及低温工况COP 低的缺点，增加了系统的可靠性。