生物质锅炉与空气源热泵供暖系统发展现状

韩霆傲，苑 翔

(北方工业大学,北京 100144)

1 概述

根据研究数据[2]，与燃煤电厂相比，燃烧1 t煤所排放的污染物分别是燃煤电厂排放的SO2，NOx和烟尘的5倍，2倍和66倍。随着冬季取暖过程中大量煤的集中燃烧，会排放很多污染物到空气中。尤其是排放PM2.5，冬季燃煤加热对大气环境PM2.5的产生率高达48%，年平均质量浓度可达到7.2 μg/m3～9.2 μg/m3[3]。根据研究统计[4]，在2019年，我国一整年的能源消耗为48.6亿t标准煤，能源总消耗的57.7%是煤炭的消耗，相比2018年减少了1.5%，而能源总消耗的23.4%为水电、天然气、风能和核能等清洁能源的消耗，相比2018年上升了1.3%。虽然清洁能源的使用比之前有一些增加，但是我国能源消耗的主要部分还是化石能源。冬季，北京、天津、河北地区的大部分氮氧化物(NOx)排放是因为燃烧燃料而产生的[5]。北部城市通过燃烧煤采暖的面积约占整个北方地区总供暖面积的83%，而剩下的17%则为地热能、天然气、生物质能等多种清洁能源[6]。所以说我国北部城市对清洁能源的推广和使用是非常需要尽快实施的。

空气源热泵不仅成本不高，还操作方便并且安全可靠。与水源热泵、地源热泵比较，空气源热泵不需要多余的空间配置专用的机房，在提供足够的热量进行供暖时，还可以起到环保和节能的作用。在农村，生物质能源利用使用起来是最方便的，生物质能源的表现形式主要是秸秆、动物粪便和林业薪柴，全国范围内每年的秸秆总量约为8.2亿t，这些秸秆中可以利用的资源约为每年6.9亿t，其中的3.5亿t用来作为生产的材料，另外的3.4亿t为可利用的原料来作为能源供给。

2 清洁供暖方式发展现状

农村供暖方式有很多种，例如燃煤锅炉、燃气壁挂炉、生物质锅炉、空气源热泵、电暖气、太阳能等，其中在农村使用比较适宜且不会污染环境的方式主要是生物质锅炉、空气源热泵。一直以来，在中国农村地区使用最多的采暖方式就是燃煤，而这种方式十分污染环境，所以急需改善；燃气在农村运输不方便，且有一定的危险性，二氧化碳的排放量也很高，所以也不适合大范围普及；电暖气对于电量的要求过高，耗电量大，供暖的效率很低，费用巨大，也不合适；太阳能虽然是清洁能源，但是对于天气的要求过高，天气是无法控制的，所以系统不稳定，不能达到供暖要求。所以本文主要针对适合在农村使用的生物质锅炉与空气源热泵两种供暖方式进行发展现状的论述。

2.1 空气源热泵

2.1.1 空气源热泵发展概述

空气源热泵技术早在20世纪20年代就在国外出现，但是空气源热泵空调在我国的市场状况在20世纪80年代以前一直不好。我国早期供暖方面应用上基本都是空气源热泵机组。到目前为止，我国仍是世界上空气源热泵使用最多的国家之一[7]。

不论是国内还是国外，研究人员们都在研究如何在空气源热泵运行时提高系统的效率，而且有了一定的成果，在室外温度较低而且湿度较高的情况下，蒸发器很容易结霜、导致错误的除霜，运行不稳定，效率低下，并且限制了这种供暖系统在市场上的发展和使用。针对这些技术问题，我国各个研究组织也开展了空气源热泵的除霜、控制结霜的重点研究和在低温环境下运行的空气源热泵的研制。

2.1.2 空气源热泵国内外研究现状

基于整体效益最优的钻井市场管理体制机制研究 黄伟和，刘海 5 85——以中国石油天然气集团有限公司为例

由于空气无处不在，具有流动性，可以看作是无限热源，使用方便、成本低廉。因此，空气源热泵系统是最容易建造的。但是由于热源的波动性和低温性，在应用中还存在两个问题：1)作为空气源热泵的热源和建筑散热的散热器，空气源热泵的供热性能与建筑热负荷不匹配。此时，建筑热负荷增加，导致系统长期处于部分负荷下运行，季节性性能系数较低[8]。2)环境温度过低会导致蒸发器结霜、压缩机压比升高、排气温度升高、制冷剂流量减小，从而降低系统的运行性能和可靠性，甚至无法运行。

目前，通过改善制冷循环部件性能、改进和优化制冷循环控制、使用新制冷剂、改进除霜技术等措施，提高了系统的低温制热性能。国外一些研究人员通过一些辅助加热的设备来增加供热量，以免空气源热泵在室外空气过低的情况下供热量不够[9]。

国内学者马国元研究了在低温条件下，如何通过向带辅助进汽口的涡旋压缩机工作间内喷射制冷剂来改善空气源热泵的低温供热性能[10]；结果表明，空气-水热泵和水-水热泵通过中间水回路耦合，从系统层面实现了单级和双级交替运行的条件[11]。当室外空气温度较低时，可通过降低空气/水热泵压缩机出口水温、排气压力和压缩比等参数来降低低压，提高机组的运行效率。在设计方面，部分工程增设辅助热源，选用高压缩比的压缩机，提高系统低温供热性能[12]。但当室外温度较高时，由于压缩过度，系统效率会大大降低，不利于系统的年运行效率。

2.1.3 空气源热泵发展前景

我国的北方城市，所有供暖地区的70%为集中供暖，剩下的都是分散供暖。各地区都在开展城市化，但是还是有一些农村地区，主要是周边比较偏远的山区，不方便进行集中供暖，他们还是使用小型燃煤锅炉采暖，长期这样会给环境带来很大很严重的影响。因为环境问题日益严重、节约能源行动迫在眉睫，但是在城市建设初期，并没有非常完善的计划来设计对于城市的供热系统，所以无法很快地完成供暖系统的建设。根据我国南北方各城市的实际问题和各地的政策问题，选用空气源热泵作为供暖系统，不仅清洁环保，而且效率高，适用的范围广，市场前景也非常好。山西省也积极响应国家的号召，成为第三个颁布相应政策的地区，将帮助数十万的家庭进行“煤改电”，而且给予各家购置空气源热泵资金上的支持，每户改造成空气源热泵采暖的家庭最多可以得到2万元的补助[13]。

2.2 生物质锅炉

2.2.1 生物质锅炉发展概述

普通的燃煤锅炉在使用时的污染十分严重，所以为了解决这个问题，研究出了生物质锅炉。实际利用的生物质主要是我国农业生产过程中除谷物和水果以外的秸秆，以及农产品加工过程中剩余的废料。利用生物质燃料的好处是对空气的污染比较低，而且是可再生能源。

2.2.2 生物质锅炉国内外利用现状

我国的资源储备十分丰富，尤其生物质能源数量很大，有很高的利用潜能。我国目前生物质资源可转换为能源的潜力约5亿t标准煤[14]，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿t标准煤。目前，使用生物质能源的方法有以下几点：

1)通过生物质进行发电。2020年通过生物质的发电量为510亿kW时，利用生物质发电已经很普遍了。2)生物质成型燃料。我国2020年使用生物质成型燃料的总量约为5 000万t，这些燃料大多使用在城镇采暖或者工业上的供热等方面。3)生物质气体。2020年，我国的沼气年产量约为190亿m3，大部分都用于各个家庭，约4 000万户。

美国、丹麦、挪威的生物质能源的利用情况都非常好，在这三个国家，将生物质作为能源占总能源的比例分别是5%,17%,15%。在美国市场上，有一些使用生物质颗粒作为燃料的取暖炉，已经在很多家庭使用起来了。与其他国家相比，欧盟在生物质能源方面的科技水平非常高，发展的也很快，现在已经十分完善了。欧洲在采暖方面，利用生物质能源的采暖量大概为总采暖量的12%[15]。

2.2.3 生物质锅炉国内外研究现状

目前中国在生物质锅炉方面的科技水平还不够，还有很多问题需要解决，比如生物质锅炉的排污、燃烧形式问题，还有锅炉的制作、节能环保等问题，只有解决了这些问题，才能更广泛的使用生物质锅炉，节约更多的资源[16]。

很多研究机构或者学生教师等，都对于生物质锅炉有很多研究。根据中国的普遍情况，国内有一些锅炉的生产企业生产了一些生物质锅炉，不仅可以满足很多普通家庭的供暖需求，而且比国外的生物质锅炉还要便宜[17]。

现在在中国所使用的生物质锅炉中，大部分在供暖的时候都会遇到很多问题，例如供暖的时候不稳定、供暖的效率低、实际使用时操作困难且会出现故障、燃烧排放的污染物不能满足相关管理局的规定等，由于生产生物质锅炉的技术落后，也没有统一的生产规范，导致我国很多厂家在设计制造生物质锅炉时的技术比较落后，并不实用，而且由于环境质量不高，对于污染物排放的要求也导致了生物质锅炉没有很好地推广。为了进一步推广生物质锅炉的发展，需要更多的去研究相关技术，让生物质锅炉在市场上大力的推广起来[18]。

国外生物质锅炉的发展大概经历了100 a的时间，大致可以概括为三个部分。20世纪20年代初到50年代是早期阶段，很多不可再生的能源十分缺少，所以人们开始找寻其他的可再生能源来代替这些稀少的能源，之后发现了生物质能源的优点并进行相关的研究。20世纪50年代到90年代是中期阶段，这个时期因为煤、石油这些燃烧会产生污染物的燃料被大量使用，环境问题日益严重，这引起了人们的关注。因为生物质能源对环境的破坏小，资源众多，并且为可再生能源，收集的难度很小，所以在一些地区非常适合代替煤、石油等不可再生能源。到1990年左右，很多发达国家和部分发展中国家在家庭采暖方面开始大量替换成使用生物质能源。第三阶段是从20世纪90年代到现在，欧盟的一些国家已经非常注重生物质能源的重要性，开始大力研究这方面的相关内容。在美国，大部分家庭都已经将传统的燃煤锅炉替换成可再生的，对环境污染很小的生物质锅炉[19]。

3 生物质与空气源热泵供热系统在农村的适应性概述

在冬天需要采暖的时候，如果只使用空气源热泵，供暖的效率会非常低，而且运行的时候还会出现很多问题，这都是因为室外的空气温度过低导致的，同时，北方建筑的最大热负荷时间往往较短，因此把生物质锅炉作为辅助热源来满足较大负荷时供热要求，可以避免热泵机组的选型过大，节省初投资。

3.1 寒冷环境对空气源热泵COP值的影响

当温度下降时，空气源热泵系统的蒸发压力就会下降，但是设备的冷凝压力数值变化很小，然后就会导致压缩比上升，能耗也会变高，并且还会导致风量变小，从而影响了循环的制冷剂量变小。因此，该机组将减少从外部的吸热和向室内的散热，并且加热效果将变差。当蒸发器的结霜现象越来越严重，传热的效果就会越来越差，压缩比也会升高。之后还会影响压缩机，使之电流变大，就会自动关闭以进行保护，否则压缩机也会损坏。所以说，空气源热泵在室外环境温度较低的时候，会出现结霜的现象，若结霜严重，COP值就会降低。室外的温度越来越低，设备的结霜可能就会很严重，热效率也会变差。它甚至根本无法启动，也无法燃烧压缩机。因此，怎么让空气源热泵在室外温度很低的情况下很好地进行制热，并且提高热效率，变成了一个很关键也很困难的研究问题。本次实验拟采用生物质锅炉的烟气余热给空气源热泵蒸发器进风口空气进行预热，来解决空气源热泵在低温环境下COP值低下的问题。

3.2 生物质与煤的比较

目前，北方农村地区大部分都是使用燃煤锅炉进行供暖，但是燃煤锅炉的污染问题极为严重，效率问题也迫切需要得到解决。锅炉的能效状况日益引起重视，评价锅炉能效的指标主要有热效率、燃料消耗量等。燃烧生物质与燃煤的元素分析可以分析出燃烧这两种燃料排出的烟气成分比例，低位发热量值的对比可以比较出两种燃料的燃烧效率。一般通过元素分析确定生物质中 C，H，O，N，S这5种可燃成分的质量分数[20]。表1为生物质与煤的元素分析典型数据和低位发热量值的对比。

表1 生物质与煤的燃料对比

由表1中数据可知，生物质的含碳量比煤低了很多，含碳量小于50%，而煤的含碳量接近70%。生物质的氮和硫元素含量几乎没有，而煤的含氮量接近0.7%，含硫量也接近1.6%，在所有污染物中，氮氧化合物和二氧化硫都是对环境造成伤害非常大的污染物，从表1中反映的热值来看，生物质的热值为16 570 kJ/kg，煤的热值为23 730 kJ/kg，生物质的热值明显要低一些，但是相比来说，生物质能十分清洁，又是可再生能源，非常适合代替煤。

3.3 生物质锅炉与空气源热泵联合供暖

锅炉热损失最大的是排烟热损失，所以如果可以尽可能的回收烟气的热量，便可以很大程度上提高锅炉的制热效率。而空气源热泵在低温环境下的制热效率不高，且容易结霜，使设备寿命缩短，两种供暖方式都有缺点，可以将锅炉的排烟热量利用起来给空气源热泵进行预热，不仅回收了锅炉的排烟热损失，又能防止蒸发器结霜，还可以提高整体系统的供暖效率，从而使两种供暖方式的缺点互补。

4 结语

生物质锅炉与空气源热泵都是北方农村地区可用的制热设备，但两个独立设备都具有明显缺陷，限制了这两个设备进一步的发展。独立的生物质锅炉制热系统初成本略高，生物质材料不够充足，独立的空气源热泵冬季易结霜、能效比低。而生物质能空气源热泵耦合热泵系统有效地克服了生物质材料不够充足的问题，也克服了空气源热泵系统在室外环境温度较低的情况下效率较低的问题。未来应该从节能、成本、工程化三个方面考虑发展生物质能空气源热泵耦合技术系统发展方向，更好的推进我国的清洁取暖工作。生物质能空气源热泵耦合热泵系统研究的成功也会使得应用前景十分广阔，具有很高的制热效率并且对于环境的保护也十分有利。