热泵供热方式供热成本及工程造价对比

金 意， 王 钦

(1.青岛能源集团有限公司，山东青岛266072；2.青岛市城市规划设计研究院，山东青岛266022)

1 概述

为提升大气环境质量，2017年国家相关部门联合发布建城[2017]196号文件《关于推进北方供热地区城镇清洁供热的指导意见》，要求大力发展清洁能源供热，全面取消散煤供热。北方地区清洁供暖能源包括天然气、电、清洁燃煤和可再生能源等。目前，我国北方煤改电工程在经历探索与发展后取得了快速的发展，特别是在政府的大力支持下发展势头迅猛。电供暖前后经历了两个阶段：第一阶段是电的直接利用，通常是采用电锅炉，虽然解决了清洁排放问题，但是以消耗更多的电煤为代价，供热成本比较高。第二阶段是电的热泵利用方式，具备一定的节能减排效果。

本文对热泵供热技术的发展进行分析，理论计算热泵供热方式的供热成本，结合已建项目对热泵系统的工程造价进行对比。

2 热泵供热技术的发展

热泵的低温热源包括空气、污水、浅层土壤等。近年来，我国热泵方面的技术进步迅速。针对空气源热泵在北方寒冷地区面临的制热能力衰减、制热效率低、排气温度高，以及在一些空气湿度大的地区易出现频繁结霜的问题，研究人员通过开发新的压缩机技术、变频技术和新的系统集成，已经将空气源热泵的应用范围扩展到-20 ℃的低温环境[1]。对于污水源热泵，挪威、瑞典等发达国家多采用污水直接利用方式以避免中间过程的热量损失[2]，而国内主要是以间接利用为主，并通常采用经过处理的二级污水[3]。随着防堵塞换热技术的研发[4]，污水直接换热技术也将在国内逐步推广。对于地埋管地源热泵，国内对系统匹配、新型制冷剂应用以及变负荷运行进行了研究[5]，并进行了太阳能、水电能、风能等与地埋管地源热泵联合应用的研究[6]。

3 供热成本及工程造价

3.1 供热成本

① 锅炉

燃气锅炉通过天然气燃烧加热热水为用户供热，热效率随容量的不同存在差异[7]。本文取燃气锅炉的平均热效率为85%，天然气低热值取36.0 MJ/m3。

根据工程实测，蓄热式电锅炉的热效率可达95%[8]。本文取蓄热式电锅炉的平均热效率为90%，按照夜间谷电蓄热，白天放热方式考虑。

生物质燃料燃烧率可达95%以上，环保性好[9]。生物质锅炉原理与燃气锅炉相似，利用生物质燃料直接燃烧供热，平均热效率按80%考虑，生物质燃料的低位发热量取16.7 MJ/kg。

② 热泵

热泵最突出的特点是拥有较高的制热性能系数，根据技术发展情况，当前空气源热泵的制热性能系数为3.0～3.5[4]，污水源热泵、地埋管地源热泵的制热性能系数为3.5～4.0[10-11]。本文将空气源热泵、污水源热泵、地埋管地源热泵的平均制热性能系数分别取为3.0、3.5、3.5。

参考青岛市近期供热燃料价格、电价，天然气价格按照4.0 元/m3计算，峰谷电均价取0.66 元/(kW·h)，低谷电价取0.32 元/(kW·h)，生物质燃料价格按照1.0 元/kg计算。根据上述数据，测算供热量为1 GJ时，不同供热方式的供热成本(见表1)，供热成本仅为热源设备的电费、燃料费，不包括水泵等其他辅助设备产生的费用。

表1 不同供热方式的供热成本

由表1数据可知，在当前能源价格条件下，与3种锅炉供热方式相比，3种热泵的供热成本均比较低。在3种锅炉供热方式中，生物质锅炉的供热成本最低，主要是得益于生物质燃料低廉的价格。3种热泵的供热成本比较接近，主要是由于本质上3种热泵均为电驱动，不同的是空气源热泵的制热性能系数比较低，导致供热成本在3种热泵中居高。若要求燃气锅炉、生物质锅炉达到与空气源热泵相同的供热成本，则要求天然气价格降至1.87 元/m3，生物质燃料价格需降至0.82 元/kg，但当前条件下很难实现。由此可见，热泵供热方式在供热成本上具有明显优势。

3.2 工程造价

笔者整理了青岛市近10年建成并运行的热泵供热项目资料，分别选取空气源热泵、污水源热泵和地埋管地源热泵的多项工程进行工程造价对比。热泵供热项目的基本情况见表2，热泵供热项目工程造价见表3。

表2 热泵供热项目的基本情况

表3 热泵供热项目工程造价

为提高项目的可比性以及相关数据的代表性，选取的工程均采用集中式热泵机组为单体建筑或小范围内建筑群供热，项目建设年份尽可能相近。

① 空气源热泵。工程造价包括热泵机组、循环泵、管道、末端散热设备及其相应的安装费用等。4项空气源热泵工程中，k-4项目位于市中心之外的周边县市，在站址选择和施工难度上均低于其他3个项目。公建用户为幼儿园，热泵机组安装在建筑屋顶，室内末端散热装置为散热器。住宅用户为居住小区，热泵机组集中安装在小区庭院热力站内，末端采用地面辐射供暖。

② 污水源热泵。工程造价包括热泵机组、循环泵、管道、末端散热设备及其相应的安装费外，还包括修建污水池及重新布置排水管道的材料和安装费用。2项污水源热泵供热项目的供热对象均为住宅用户。项目w-1的热泵机组设置在污水厂内，通过供热管道为用户供热，热源距热用户1.5 km。项目w-2的热泵机组设置在小区热力站，污水由污水厂经管道引入热力站，热力站距污水厂2 km。两个项目的末端散热装置以散热器为主，项目w-2有部分地面辐射供暖用户。

③ 地埋管地源热泵。工程造价在热泵机组、循环泵、管道、末端设备及其相应的安装费用的基础上，增加钻孔和地埋管等材料和安装费用。2项地埋管地源热泵供热工程均采用竖直埋管方式，钻孔深度为100 m，钻孔间距为4.5～5.0 m，末端散热装置均采用风机盘管。

由表3可知，同种类型热泵供热项目的单位供热面积造价接近，由于空气源热泵供热项目k-4的施工条件便利，单位供热面积造价低于其他空气源热泵供热项目。虽然污水源热泵供热项目w-1与w-2的热泵机组设置位置不同，但由于污水厂与热力站距离接近，且建成年份和末端散热装置基本相同，因此单位供热面积造价非常接近。两项地埋管地源热泵供热项目的单位供热面积造价基本一致。

空气源热泵供热项目的单位供热面积造价最低，污水源热泵与地埋管地源热泵供热项目的单位供热面积造价接近且比空气源热泵供热项目高。分析认为，系统复杂程度是影响工程造价的主要原因。通常，空气源热泵系统相对简单，而污水源热泵系统需要修建输送热水或污水的管道以及布置相对复杂的换热系统，地埋管地源热泵的地埋管换热器侧比较复杂。

4 结论

在当前能源价格条件下，与3种锅炉供热方式相比，3种热泵的供热成本均比较低。在3种锅炉供热方式中，生物质锅炉的供热成本最低。相同类型热泵供热方式的单位供热面积造价接近，空气源热泵的单位供热面积造价最低，污水源热泵与地埋管地源热泵的单位供热面积造价接近且比空气源热泵供热项目高。