空气源热泵供暖系统能效分析及系统配置探讨

吴东兴 邓宫昊 王金雄

(1. 青岛腾远设计事务所有限公司,青岛;2.山东方亚新能源集团有限公司,青岛)

0 引言

人类工业化以来,二氧化碳排放量激增,全球变暖成为不可避免的事实。2013年,“雾霾”成为年度关键词,雾霾严重影响了北方供暖地区的大气环境及老百姓的身心健康。

全球气温上升及产生雾霾的根本原因是化石燃料的燃烧导致的大量二氧化碳及粉尘颗粒的排放。中国中央政府庄严承诺“碳排放力争2030年前达到峰值,争取2060年前实现碳中和”,意味着要大量减少化石能源的使用和依赖,加快可再生能源的发展和应用[1]。

2020年建筑运行碳排放中建筑直接碳排放量为5.5亿t,占排放总量的25%;电力碳排放量为11.5亿t,占排放总量的53%;热力碳排放量为4.7亿t,占排放总量的22%[2]。北方城镇供暖热源主要为热电联产和各类燃煤、燃气锅炉生产的热力,燃煤比例高达70%～80%,供暖消耗的一次能源依然以煤为主。空气源热泵作为可再生能源应用技术的一种,以其绿色环保、性能稳定、经济实惠、运维便利等优点,迅速成为北方地区清洁供暖的主要技术路径之一,且有着巨大的发展潜力[3]。

随着自上而下的建筑节能强力有序地推进,大量低能耗、超低能耗建筑不断涌现,低温辐射供暖系统以其良好的舒适性、安全性逐渐代替了传统的对流辐射供暖系统。新的末端供暖技术对集中供热热源温度要求的降低,使得空气源热泵等供暖系统得以大量推广应用。

1 热泵供暖系统能效分析

由于传统集中燃煤供热方式受到限制,北方供暖地区始于2016年的声势浩大的煤改电工程主要就是用空气源热泵供暖系统替代燃煤供热系统,比如针对农村住户的小型热泵热水机组、热泵热风机组,针对公共建筑或区域性供暖需求的模块式热泵热水机组迅速得到了大量推广应用,雾霾及二氧化碳排放取得了一定程度的遏制。

空气源热泵供暖系统相对于绝大多数其他清洁供暖方式(比如燃气、太阳能、电蓄热等)无疑要经济得多,空气源热泵供暖综合能效与供暖地区环境温度、不同环境温度下的运行时长、不同环境温度下的设备能效比等因素高度相关。

综合部分负荷性能系数(IPLV)及实验工况下的热泵制热性能系数(COP)等评价指标不能科学准确地评价空气源热泵供暖系统整个供暖季的能效状况,不能有效指导空气源热泵供暖系统合理配置,也不能科学指导系统运行管理中的优化控制。本文尝试建立一种以整个供暖季为时间跨度的空气源热泵制热能效评价思路,希望能够有助于改善采用IPLV及COP评价空气源热泵供暖系统存在的问题,优化系统配置。

空气源热泵供暖系统能效比与环境温度高度相关,本文以笔者所在城市青岛(青岛地区连续供暖设计干球温度为-5 ℃,供暖周期为每年的11月16日至次年的4月5日,共141 d)为例进行分析。青岛地区不同环境温度区间的时长及占比见表1。

表1 青岛地区不同环境温度区间的时长及占比

从表1可以看出：青岛地区整个供暖季室外环境温度在0 ℃以上的时间占比为71%,在该环境温度范围内空气源热泵制热能效比较高,-4 ℃以下环境温度时长占比较小,虽然此温度以下的空气源热泵制热能效比较低,但对整个供暖季的能耗并不占主导作用。如果系统配置上侧重使空气源热泵尽可能在高效区域工作,避开低效区域,空气源热泵供暖系统就能充分发挥自身的经济性和稳定性,同时也能保障供热品质。

表2显示了某种低温模块空气源热泵变工况下的制热能效比(焓差实验室测定制热能效比的运行过程中包含了除霜能耗),部分温度下的能效比采用差值法得出(表2温度对应取自表1中各温度段的平均值)。

通过简化计算,取-10～-4 ℃温度区间的平均温度-7 ℃为环境温度,将此温度下计算所得热负荷作为满负荷,可以推算出-2、2、7、12 ℃环境温度下的供暖热负荷率,从而可以计算得出每个温度段下的能耗占比,见表3。

表3 变工况能耗及时长占比

从表3可以看出：-10～-4 ℃温度区间虽然热负荷大,但是整个供暖季能耗占比仅为13%;-4 ℃以上温度区间供暖能耗占比为87%;0 ℃以上的温度区间供暖能耗占比为59%。因此,整个空气源热泵供暖系统能效评价、系统配置及控制管理策略应关注能耗及环境温度分布特点,并采取相应的技术措施,才能有效提高整个系统的运行效率,降低初投资。

根据每个温度区间的制热能效比及能耗占比,通过加权计算,可以得出空气源热泵系统在整个供暖季的综合能效比(不包括输配能耗),见表4,该综合能效比相对比较贴近系统的真实运行情况。

表4 供暖季综合能效比

综合表3、4数据分析可知：空气源热泵系统在环境温度-4 ℃以下时的制热能效比是显著降低的,但供暖能耗占比并不大,仅占整个供暖季能耗的13%;环境温度-4 ℃以上,尤其是0 ℃以上时的制热能效比是比较高的,且能耗占比大。所以空气源热泵系统的整个供暖季综合能效比相对于电加热供暖、燃气供暖等其他供暖方式是非常高的。在当前的居民电价水平下(取综合电价0.67元/(kW·h)),输配能耗约占10%,综合能效比为3.33(见表4),则平均运行成本约为0.67元/(kW·h)÷(3.33×0.9)=0.22元/(kW·h)。当然,考虑到不同地区的温度及每个温度段的时长差距非常大,每个地区的综合能效比会有比较明显的不同,所以利用空气源热泵进行供暖需要具体地区具体分析,选择合适的系统配置和控制策略。

2 热泵供暖系统经济性分析

随着节能减碳要求的提高及环保压力的增加,绝大部分北方供暖城市均限制了传统燃煤供热的增容扩展,鼓励清洁能源供热方式的使用及多种清洁能源供热方式的联合使用,如空气源热泵、太阳能、生物质能、污水源热泵、电蓄热、天然气分布式能源等供热方式。越来越多的专业能源公司参与了清洁能源供热项目的建设、运营与服务。空气源热泵作为主要的技术手段之一,其经济性到底如何,相对于其他常见的清洁供暖及传统的燃煤集中供暖究竟孰优孰劣?本文以青岛地区的气候条件及能源价格为基础参数,对空气源热泵、燃气供暖、谷电蓄热、平电加热这几种比较常用的清洁供热能源方式进行对比。

电价：综合电价为0.67元/(kW·h)(此电价为山东省工业用电峰谷平电价加权平均值);谷电价格为0.33元/(kW·h)。电蓄热转换效率取95%。

燃气价格：非居民用气价格为3.6元/m3。燃气热值为36 MJ/m3,燃气锅炉效率取0.92(规范限值)。

空气源热泵供暖季节综合能效比(见表4)：3.33。

燃煤集中供热价格：85.57元/GJ(青岛市物价局定价)。

参照以上参数,可以得出不同热源形式(不含输配系统能耗)下1 GJ热量的成本,见图1。

图1 1 GJ热量成本对比

从图1可以得出以下结论：

1) 空气源热泵相对于常见的燃气锅炉、谷电蓄热等方式,运行成本优势明显,仅为其他供暖方式的一半,即使相对于燃煤集中供暖,成本优势也比较明显。

2) 上述运行成本是按整个供暖季综合能效比测算得到的值,涵盖了低温低效工作区,如果系统配置设计及后期的运行管理能够规避掉-4 ℃以下的低效工作区,则采用多能互补的系统形式会有更高的经济性及更好的供热品质。

以青岛地区10万m2普通高层住宅小区为例,该小区供暖热负荷为3 500 kW(考虑了保温散热等输配损失),供暖周期为141 d,根据CJJ/T 34—2022《城镇供热管网设计标准》[4],供暖年耗热量计算式为

(1)

式中Qa为供暖全年耗热量,GJ;N为供暖期天数,d;Qs为供暖设计热负荷,kW;ti为室内计算温度,℃;ta为供暖期室外平均温度,℃;tj为供暖期室外计算温度,℃。

将数据N=141 d、Qs=3 500 kW、ti=18 ℃、ta=2.6 ℃、tj=-5 ℃代入式(1)可得Qa=28 549 GJ,根据图1空气源热泵供暖系统运行成本,附加10%输配能耗,可以得出单位面积的供暖成本为17.44元/m2,相对于30.4元/m2的青岛居民供暖收费标准有显著的经济优势。随着室外温度下降,制冷剂蒸发温度下降、压缩机吸气压力下降、吸气比体积增加,导致制冷剂单位容积的制热量下降,当压缩机理论输气量不变时,总制热量下降,这是空气源热泵制热量衰减的主要原因。考虑到空气源热泵在低温环境下制热量衰减明显的特性,空气源热泵系统供暖的舒适性、稳定性相对燃煤或燃气集中供热方式有所欠缺,这就需要在系统配置及运行管理控制方面尽量结合供暖地区的资源禀赋情况,采用多能互补的形式扬长避短,发挥系统最优的效能。

3 系统配置要点

在合适的环境温度下,空气源热泵供暖相对于其他常见的供暖方式经济性无疑是比较好的,所以在市政供热能力不足、周边没有集中热网配套的新建小区,以及一些偏远的学校、办公楼、工厂、酒店、甚至医院等建筑中越来越多地采用空气源热泵配套供暖。不少新兴清洁能源公司限于资源或技术问题,往往采用单一的空气源热泵进行供暖,如果对于仅白天有供暖需求的办公楼、学校等建筑倒也勉强可行,但是对于住宅、医院等需24 h连续供暖的项目,会有以下诸多的不利：1) 设计选型容量偏大,导致初投资增大;2) 部分负荷运行时间较长,大量设备长时间闲置,设备故障率高;3) 极端天气下供暖效果不好;4) 设备低效工作区运行时间长,供暖季综合节能效率低。所以,采用空气源热泵集中供暖的系统,宜配置部分燃气锅炉供热、电加热,甚至市政集中热源等相对稳定的能源形式,实现多能互补,以提高整体的运行效率,保障供热品质,降低初投资。

那么,如果采用其他的能源形式做补充,应该补充多少是个值得研究的问题。本文以青岛地区的气温变化作为研究依据,分析供暖负荷及空气源热泵机组在不同环境温度下的变化特点。

以7 ℃实验室工况下机组的额定制热能力作为比较基准,不同环境温度下机组的相对制热能力与供暖负荷率的关系曲线见图2。

图2 供暖负荷率及热泵机组相对制热能力与环境温度的关系

从图2可以得出：1) 如果分别以-7、-2、0、2环境温度下的供暖负荷进行系统配置,则7 ℃额定工况下的机组制热能力分别为供暖负荷的158%、114%、85%、72%;2) 以-7 ℃下的供暖负荷配置空气源热泵机组,机组容量配置过大,初投资较高,而同等负荷下的燃气锅炉或电加热等常规热源方式投资则低得多(经验表明,空气源热泵初投资可按额定供热量1.2元/W考虑,燃气锅炉的投资额可按0.2元/W考虑),以-2、0、2环境温度下的供暖负荷配置空气源热泵机组,分别需要补充28%、47%、55%满负荷的其他能源形式;3) 建议对供暖品质要求高、24 h连续供暖的场合(如高档住宅、医院等),补充47%满负荷的其他能源形式,对供暖品质要求不太高的场合,补充28%满负荷的其他能源形式。

结合各地气候特点及资源禀赋的多能互补配置方案,以及结合各能源形式自身运行特点的控制策略,一方面可以最大程度上节约运行费用及初投资,另一方面也能保障供暖效果。

4 结论

1) 空气源热泵供暖系统在“双碳”“减霾”的大环境下,因为其便利性、可控性、经济性、安全性等特点,是目前主流的清洁供暖技术之一,随着建筑节能技术的提高及供暖热源温度的逐步降低,有着更加广阔的发展空间。

2) 空气源热泵供暖系统的能效评价以整个供暖季为时间跨度,结合环境温度的变化及供暖负荷的分布特点进行综合评价,会更客观、更贴近运行实际特点、更具参考价值。

3) 采用多能互补的空气源热泵供暖系统,补充能源的配比根据项目具体特点及环境条件宜为30%～50%,供暖效果的保障与初投资及运行费用的节约会达到比较理想的结合点。

4) 随着以供暖为主要任务的空气源热泵系统应用的项目体量越来越大,辐射半径越来越长,常规的5 ℃温差机型输配能耗较大,开发10 ℃温差的空气源热泵机组甚为必要。