乌鲁木齐某大厦电供暖设计方案对比分析

戴日腾，王绍瑞

（1.新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆建筑设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

随着我国经济发展和社会进步，冬季供暖需求面积也随之不断扩大。传统的燃煤供暖方式对大气环境造成严重污染，利用清洁能源、可再生能源替代燃煤供暖是降低碳排放、改善环境的最好选择。新疆地区供电充足，政府在“煤改电”方面给予了强有力的政策支持，给空气源热泵的应用带来了契机。但由于空气源热泵初始投资较大，许多“煤改电”工程案例都采用初始投资较小的纯电暖器供暖。如何因地制宜做到空气源热泵机组在严寒地区使用并发挥其节能潜力，如何从长远考虑空气源热泵机组是否比电暖器经济适用，是需要解决的问题，文中以乌鲁木齐某大厦电供暖设计方案为例，试做分析。

1 建筑概况

乌鲁木齐某大厦是既有公共建筑，位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，所处气候分区为严寒C区。大厦底层为商业，采用风机盘管加新风空调系统，冬季供暖，夏季供冷。本次电供暖改造仅针对该大厦12～15层及22～26层，共9层办公场所，供暖建筑面积11 188 m2。该电供暖项目提出2种设计方案：一是冬季空气源热泵辅助电加热系统供暖，夏季空气源热泵机组供冷；二是冬季全部改用电暖器供暖，夏季仍用原空调系统供冷。

改造区域供暖热负荷为：12～15层，面积6 267 m2，热负荷427 kW；22～26层，面积4 921 m2，热负荷300 kW。总热负荷727 kW，热指标65 W·m-2。

2 严寒地区空气源热泵供暖性能分析

2.1 室外气象条件

乌鲁木齐所处气候分区为严寒C区，供暖期为起始年10月14日—次年4月11日（取日平均温度≤+8℃起止日期）。供暖期总日数为180 d，供暖期总小时数为4 320 h。由《中国建筑热环境分析专用气象数据集》［1］可得该地区逐时气象参数，并统计出供暖期内室外气温分布小时数（将温度频段定为2℃）。供暖期月平均干球温度、相对湿度、含湿量见表1。

表1 乌鲁木齐供暖期月平均干球温度、相对湿度、含湿量Tab.1 Monthly average dry bulb temperature，relative humidity and humidity ratio during heating period in Urumqi

乌鲁木齐冬季供暖室外计算温度为-19.7℃，极端最低气温-32.8℃［2］，供暖期室外气温分布小时数见表2。空气源热泵在室外气温高于-15.0℃时能够保持高效运行。乌鲁木齐供暖期内室外气温高于-15.0℃的时数占比高达90.7%，这为在该地区空气源热泵供暖的推广与应用提供了良好的室外气温条件。同时，不容忽视结除霜给机组运行性能带来的影响，考虑到新疆严寒地区空气源热泵机组低温结霜的特点，在下文计算中结霜除霜损失系数取0.95［3］。

表2 乌鲁木齐供暖期室外气温分布小时数Tab.2 Outdoor temperature distribution hours during heating period in Urumqi

此外，为提高供暖系统安全可靠性、经济性，以及应对室外气温极低时机组制热能力衰减幅度较大且很可能出现停机等问题，需对空气源热泵机组设置辅助热源并按100%建筑设计热负荷配置辅助热源容量。

2.2 空气源热泵HSPF值与机组选型

2.2.1 空气源热泵HSPF值

空气源热泵供热季节性能系数HSPF是解决空气源热泵机组稳定高效运行的关键问题之一，也是评价空气源热泵有关于某地区在整个采暖季节运行时的热力经济性的重要概念。热泵的HSPF值不仅与热泵的性能有关，还与气候条件及热泵供热负荷系数有关［4］。供热季节性能系数计算公式为：

2.2.2 空气源热泵机组选型

文中将采用某品牌A、B两种型号空气源热泵机组，具体性能参数如下。

A型号机组名义工况：室外气温-12℃，出水温度41℃，制热量102 kW，制热COP为2.02，压缩机功率50.5 kW，风机功率1.8×2 kW。

B型号机组名义工况：室外气温-12℃，出水温度41℃，制热量92 kW，制热COP为2.57，压缩机功率35.7 kW，风机功率1.5×2 kW。

对以上2种型号机组，按建筑设计热负荷727 kW的60%、70%、80%配置机组容量。通过计算可得，A型号机组供热季节性能系数HSPFA（60%）=1.98、HSPFA（70%）=1.98、HSPFA（80%）=2.10，B型号机组供热季节性能系数HSPFB（60%）=2.20、HSPFB（70%）=2.37、HSPFB（80%）=2.46。B型号机组按80%建筑设计热负荷配置机组容量时，HSPF最大、平衡点温度较低、经济性更佳。此处按60%、70%建筑设计热负荷配置机组容量的HSPF值计算已省略。表3和表4为按80%建筑设计热负荷计算A、B两种型号空气源热泵机组HSPF值计算表。

表3 A型号空气源热泵机组HSPF计算表Tab.3 Type A air source heat pump unit HSPFcalculation table

表4 B型号空气源热泵机组HSPF计算表Tab.4 Type B air source heat pump unit HSPFcalculation table

图1清楚地对比出A、B两种型号空气源热泵机组的制热特性。尽管在室外气温低于-20℃的情况下，B型机组制热量低于A型机组，但考虑到乌鲁木齐供暖期内-15℃以上的时数占比大，室外气温在-20℃以上时B型机组制热量要高于A型机组。B型机组名义工况下的制热COP较高，图1反映出2种机型的平衡点温度不同，平衡点温度较低的B型机组节能效果更好。因此，方案1将采用B型空气源热泵机组。

图1 A、B两种型号空气源热泵机组供热量和建筑物热负荷与室外气温的关系Fig.1 Relationship between outdoor temperature and heating capacity of two types of air source heat pump units（A and B）and heat loads of building

通过对机组进行合理的选型，按80%建筑设计热负荷配置机组容量时，B型机组HSPF值能够达到2.46，在-14℃以上都可100%使用空气源热泵机组供暖。说明在严寒地区采用空气源热泵供暖具有较好的节能潜力。同时，在严寒地区为应对极端低温天气的出现，需要配备电热水锅炉辅助加热系统，这也使得整个供暖系统在安全性方面得到了提高。

3 热源设备配置方案

3.1 方案1热源设备配置

3.1.1 配置原则。

由上文中空气源热泵能机组选型时的分析确定在冬季供暖期室外气温-14℃以上全部采用空气源热泵供暖，室外气温在-14℃及以下则采用空气源热泵与电锅炉辅助供暖模式。

3.1.2 空气源热泵配置。

室外气温-14℃时，热负荷为620.4 kW；空气源热泵热水机组7台，单台机组制热量94.28 kW（室外气温-14℃）；热水供回水温度45℃/40℃；压缩机输入功率36.04 kW。

3.1.3 电热水锅炉配置。

直热式电热水锅炉1台，考虑到出现极端寒冷天气（室外气温低于-26℃）时空气源热泵机组可能会出现停机的情况，设置电热水锅炉的供热量为730 kW，供回水温度60℃/55℃。

3.1.4 附属设备配置

冷热水循环泵：流量140 m3·h-1，扬程20 m，功率15 kW，2台（1台备用）。

膨胀水箱：不锈钢水箱，有效容积1 m3·h-1，1台。

软化水装置：处理水量1～2 m3·h-1，1台。

3.1.5 设备布置

拟将空气源热泵机组布置于26层屋面，并在屋面新建轻质结构保温房，以布置电锅炉、循环泵、水处理装置等。

3.1.6 总配电容量

按电锅炉运行容量为：765 kW+15 kW=780 kW。

3.2 方案2热源设备配置

按房间和热负荷布置电暖器，考虑到充分利用谷电供暖，或办公室无人期间设置较低温度，电暖器间歇运行，各房间电暖器按热负荷1.3倍配置，总配电容量950 kW。共安装475组电暖器，每组2 kW。

4 技术经济分析

4.1 一次能源效率对比

空气源热泵机组的制热量与所消耗的电能不是同等品质的能量，因此，需要转换成一次能源效率来评价热泵的节能效果［5］。

式中，E：一次能源效率；TQ：供暖期热泵总供热量（kW·h）；TP：供暖期热泵总耗电量（kW·h）；β：发电厂发配电效率。

根据文献［6］，燃煤发电的热效率为38.4%，燃气发电的热效率为50.2%，电网的输电效率为95%。这样得出燃煤发电厂的发配电效率β1为36.48%，燃气发电厂的发配电效率β2为47.69%。B型号机组供暖季节性能系数HSPFB=2.46。因此可得B型号机组使用燃煤发电厂的电能时的一次能源效率E1为89.74%，使用燃气发电厂的电能时的一次能源效率E2为117.32%。

电暖器的电热转换率一般在96%左右。则可得使用燃煤发电厂的电能时的一次能源效率E1为35.02%，使用燃气发电厂的电能时的一次能源效率E2为45.78%。

通过计算结果可明显看出，采用电暖器的一次能源效率远低于空气源热泵系统的一次能源效率。因此，从能源利用的角度来讲，采用空气源热泵更加节能。

4.2 经济性分析

采用投资偿还年限法进行经济性分析，选择较佳方案。投资偿还年限法是通过比较2个技术上可行的方案，在多长时间内节能方案可以通过其年运行费用的节省，将多支出的投资收回来［7］。

投资偿还年限法公式如下：

式中，M1：方案1初始投资（万元）；M2：方案2初始投资（万元）；N1：方案1运行费用（万元）；N2：方案2运行费用（万元）。

4.2.1 初始投资

方案1空气源热泵机组与电热水锅炉设备及管路投资费用为237.46万元，配电系统投资费用为81.00万元，投资费用合计318.46万元。

方案2电暖器投资费用为55.20万元，配电系统投资费用为111.00万元，投资费用合计166.20万元。

4.2.2 运行费用

文中2个设计方案运行费用计算公式［8］：

式中，Nd：电费（万元）；Nwx：维修费（万元），取Gy的1%；Nzj：折旧费（万元），按Gy的4%～5%选取，本文取4%；Nqt：其他费用（万元），取Gy的2%。

其中，除电费外其他费用一般按工程中固定资产的百分率进行估算［8］。计算公式如下：

式中，n：系数，取90%；M：初始投资（万元）。

乌鲁木齐地区分散式电采暖电价为0.22元·（kW·h）-1。从表4可计算出方案1采用B型号空气源热泵机组在供暖期总耗电量为877 831.159 3 kW·h。供暖所需电费为877 831.159 3 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=193 122.90元，折合每平米供暖所需电费为17.30元·m-2。

方案2采用电暖器在供暖期总耗电量为2 656 072.286 0 kW·h。供暖所需电费为2 656 072.286 0 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=584 335.90元，折合每平米供暖所需电费为52.20元·m-2。

表5 初始投资与运行费用表Tab.5 Initial investment and operating cost table 万元

空气源热泵辅助电热水锅炉系统与纯电暖器系统相比，初始投资高，但运行费用低。并且空气源热泵设备寿命期在15～20年，投入运行第6年开始投资即可偿还。

通过技术经济分析对比可知，方案1在一次能源效率和系统经济性两方面都优于方案2，这也说明，在严寒地区采用空气源热泵辅助电热水锅炉的供暖方式经济适用，与纯电暖器供暖相比，节能优势亦十分明显。

5 结语

乌鲁木齐供暖期内室外气温高于-15℃的小时数占比大，这为发挥空气源热泵供暖节能的优势奠定了基础。以HSPF值为评价指标对空气源热泵机组进行选型，并按80%建筑设计热负荷配置机组容量，达到了多用热泵机组、少用辅助电锅炉的目的。从长远来看，空气源热泵供暖的经济性也优于电暖器供暖。这表明，在严寒地区推广使用空气源热泵供暖系统有着很好的应用前景。在全球变暖问题日益严峻的背景下，空气源热泵供暖具有很大的节能环保意义，也是助力我国达成双碳目标的重要途径之一。