金 意， 王 欽

(1.青島能源集團(tuán)有限公司，山東青島266072；2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東青島266022)

1 概述

為提升大氣環(huán)境質(zhì)量，2017年國(guó)家相關(guān)部門聯(lián)合發(fā)布建城[2017]196號(hào)文件《關(guān)于推進(jìn)北方供熱地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供熱的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求大力發(fā)展清潔能源供熱，全面取消散煤供熱。北方地區(qū)清潔供暖能源包括天然氣、電、清潔燃煤和可再生能源等。目前，我國(guó)北方煤改電工程在經(jīng)歷探索與發(fā)展后取得了快速的發(fā)展，特別是在政府的大力支持下發(fā)展勢(shì)頭迅猛。電供暖前后經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段是電的直接利用，通常是采用電鍋爐，雖然解決了清潔排放問(wèn)題，但是以消耗更多的電煤為代價(jià)，供熱成本比較高。第二階段是電的熱泵利用方式，具備一定的節(jié)能減排效果。

本文對(duì)熱泵供熱技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析，理論計(jì)算熱泵供熱方式的供熱成本，結(jié)合已建項(xiàng)目對(duì)熱泵系統(tǒng)的工程造價(jià)進(jìn)行對(duì)比。

2 熱泵供熱技術(shù)的發(fā)展

熱泵的低溫?zé)嵩窗諝?、污水、淺層土壤等。近年來(lái)，我國(guó)熱泵方面的技術(shù)進(jìn)步迅速。針對(duì)空氣源熱泵在北方寒冷地區(qū)面臨的制熱能力衰減、制熱效率低、排氣溫度高，以及在一些空氣濕度大的地區(qū)易出現(xiàn)頻繁結(jié)霜的問(wèn)題，研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)新的壓縮機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)和新的系統(tǒng)集成，已經(jīng)將空氣源熱泵的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到-20 ℃的低溫環(huán)境[1]。對(duì)于污水源熱泵，挪威、瑞典等發(fā)達(dá)國(guó)家多采用污水直接利用方式以避免中間過(guò)程的熱量損失[2]，而國(guó)內(nèi)主要是以間接利用為主，并通常采用經(jīng)過(guò)處理的二級(jí)污水[3]。隨著防堵塞換熱技術(shù)的研發(fā)[4]，污水直接換熱技術(shù)也將在國(guó)內(nèi)逐步推廣。對(duì)于地埋管地源熱泵，國(guó)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)匹配、新型制冷劑應(yīng)用以及變負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行了研究[5]，并進(jìn)行了太陽(yáng)能、水電能、風(fēng)能等與地埋管地源熱泵聯(lián)合應(yīng)用的研究[6]。

3 供熱成本及工程造價(jià)

3.1 供熱成本

① 鍋爐

燃?xì)忮仩t通過(guò)天然氣燃燒加熱熱水為用戶供熱，熱效率隨容量的不同存在差異[7]。本文取燃?xì)忮仩t的平均熱效率為85%，天然氣低熱值取36.0 MJ/m3。

根據(jù)工程實(shí)測(cè)，蓄熱式電鍋爐的熱效率可達(dá)95%[8]。本文取蓄熱式電鍋爐的平均熱效率為90%，按照夜間谷電蓄熱，白天放熱方式考慮。

生物質(zhì)燃料燃燒率可達(dá)95%以上，環(huán)保性好[9]。生物質(zhì)鍋爐原理與燃?xì)忮仩t相似，利用生物質(zhì)燃料直接燃燒供熱，平均熱效率按80%考慮，生物質(zhì)燃料的低位發(fā)熱量取16.7 MJ/kg。

② 熱泵

熱泵最突出的特點(diǎn)是擁有較高的制熱性能系數(shù)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況，當(dāng)前空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)為3.0～3.5[4]，污水源熱泵、地埋管地源熱泵的制熱性能系數(shù)為3.5～4.0[10-11]。本文將空氣源熱泵、污水源熱泵、地埋管地源熱泵的平均制熱性能系數(shù)分別取為3.0、3.5、3.5。

參考青島市近期供熱燃料價(jià)格、電價(jià)，天然氣價(jià)格按照4.0 元/m3計(jì)算，峰谷電均價(jià)取0.66 元/(kW·h)，低谷電價(jià)取0.32 元/(kW·h)，生物質(zhì)燃料價(jià)格按照1.0 元/kg計(jì)算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，測(cè)算供熱量為1 GJ時(shí)，不同供熱方式的供熱成本(見(jiàn)表1)，供熱成本僅為熱源設(shè)備的電費(fèi)、燃料費(fèi)，不包括水泵等其他輔助設(shè)備產(chǎn)生的費(fèi)用。

表1 不同供熱方式的供熱成本

由表1數(shù)據(jù)可知，在當(dāng)前能源價(jià)格條件下，與3種鍋爐供熱方式相比，3種熱泵的供熱成本均比較低。在3種鍋爐供熱方式中，生物質(zhì)鍋爐的供熱成本最低，主要是得益于生物質(zhì)燃料低廉的價(jià)格。3種熱泵的供熱成本比較接近，主要是由于本質(zhì)上3種熱泵均為電驅(qū)動(dòng)，不同的是空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)比較低，導(dǎo)致供熱成本在3種熱泵中居高。若要求燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)鍋爐達(dá)到與空氣源熱泵相同的供熱成本，則要求天然氣價(jià)格降至1.87 元/m3，生物質(zhì)燃料價(jià)格需降至0.82 元/kg，但當(dāng)前條件下很難實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，熱泵供熱方式在供熱成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 工程造價(jià)

筆者整理了青島市近10年建成并運(yùn)行的熱泵供熱項(xiàng)目資料，分別選取空氣源熱泵、污水源熱泵和地埋管地源熱泵的多項(xiàng)工程進(jìn)行工程造價(jià)對(duì)比。熱泵供熱項(xiàng)目的基本情況見(jiàn)表2，熱泵供熱項(xiàng)目工程造價(jià)見(jiàn)表3。

表2 熱泵供熱項(xiàng)目的基本情況

表3 熱泵供熱項(xiàng)目工程造價(jià)

為提高項(xiàng)目的可比性以及相關(guān)數(shù)據(jù)的代表性，選取的工程均采用集中式熱泵機(jī)組為單體建筑或小范圍內(nèi)建筑群供熱，項(xiàng)目建設(shè)年份盡可能相近。

① 空氣源熱泵。工程造價(jià)包括熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、管道、末端散熱設(shè)備及其相應(yīng)的安裝費(fèi)用等。4項(xiàng)空氣源熱泵工程中，k-4項(xiàng)目位于市中心之外的周邊縣市，在站址選擇和施工難度上均低于其他3個(gè)項(xiàng)目。公建用戶為幼兒園，熱泵機(jī)組安裝在建筑屋頂，室內(nèi)末端散熱裝置為散熱器。住宅用戶為居住小區(qū)，熱泵機(jī)組集中安裝在小區(qū)庭院熱力站內(nèi)，末端采用地面輻射供暖。

② 污水源熱泵。工程造價(jià)包括熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、管道、末端散熱設(shè)備及其相應(yīng)的安裝費(fèi)外，還包括修建污水池及重新布置排水管道的材料和安裝費(fèi)用。2項(xiàng)污水源熱泵供熱項(xiàng)目的供熱對(duì)象均為住宅用戶。項(xiàng)目w-1的熱泵機(jī)組設(shè)置在污水廠內(nèi)，通過(guò)供熱管道為用戶供熱，熱源距熱用戶1.5 km。項(xiàng)目w-2的熱泵機(jī)組設(shè)置在小區(qū)熱力站，污水由污水廠經(jīng)管道引入熱力站，熱力站距污水廠2 km。兩個(gè)項(xiàng)目的末端散熱裝置以散熱器為主，項(xiàng)目w-2有部分地面輻射供暖用戶。

③ 地埋管地源熱泵。工程造價(jià)在熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、管道、末端設(shè)備及其相應(yīng)的安裝費(fèi)用的基礎(chǔ)上，增加鉆孔和地埋管等材料和安裝費(fèi)用。2項(xiàng)地埋管地源熱泵供熱工程均采用豎直埋管方式，鉆孔深度為100 m，鉆孔間距為4.5～5.0 m，末端散熱裝置均采用風(fēng)機(jī)盤管。

由表3可知，同種類型熱泵供熱項(xiàng)目的單位供熱面積造價(jià)接近，由于空氣源熱泵供熱項(xiàng)目k-4的施工條件便利，單位供熱面積造價(jià)低于其他空氣源熱泵供熱項(xiàng)目。雖然污水源熱泵供熱項(xiàng)目w-1與w-2的熱泵機(jī)組設(shè)置位置不同，但由于污水廠與熱力站距離接近，且建成年份和末端散熱裝置基本相同，因此單位供熱面積造價(jià)非常接近。兩項(xiàng)地埋管地源熱泵供熱項(xiàng)目的單位供熱面積造價(jià)基本一致。

空氣源熱泵供熱項(xiàng)目的單位供熱面積造價(jià)最低，污水源熱泵與地埋管地源熱泵供熱項(xiàng)目的單位供熱面積造價(jià)接近且比空氣源熱泵供熱項(xiàng)目高。分析認(rèn)為，系統(tǒng)復(fù)雜程度是影響工程造價(jià)的主要原因。通常，空氣源熱泵系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，而污水源熱泵系統(tǒng)需要修建輸送熱水或污水的管道以及布置相對(duì)復(fù)雜的換熱系統(tǒng)，地埋管地源熱泵的地埋管換熱器側(cè)比較復(fù)雜。

4 結(jié)論

在當(dāng)前能源價(jià)格條件下，與3種鍋爐供熱方式相比，3種熱泵的供熱成本均比較低。在3種鍋爐供熱方式中，生物質(zhì)鍋爐的供熱成本最低。相同類型熱泵供熱方式的單位供熱面積造價(jià)接近，空氣源熱泵的單位供熱面積造價(jià)最低，污水源熱泵與地埋管地源熱泵的單位供熱面積造價(jià)接近且比空氣源熱泵供熱項(xiàng)目高。