石 巖，胡恩碩，甄 勃

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118 2長春北湖科技園發(fā)展有限責(zé)任公司,長春 130000

0 引言

我國冬季供暖以化石燃料為主,根據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒-2019》統(tǒng)計(jì)[1],中國是世界上最大的能源消費(fèi)國,煤炭是中國能源消費(fèi)的主要燃料,煤炭消耗占能源消耗總量的59 %.煤炭、石油等化石燃料的燃燒產(chǎn)生大量的PM 2.5,造成嚴(yán)重霧霾危害人的身體健康.2016年,國家要求大力推廣清潔能源,減少環(huán)境的污染[2].在國家大力發(fā)展清潔能源的今天,空氣能受到廣泛關(guān)注.空氣源熱泵以空氣為低品位能源轉(zhuǎn)化為高品位熱能,相比于地源熱泵以及水源熱泵等清潔能源,空氣源熱泵具有初投資較少、安裝方便、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn),在我國長江流域廣泛應(yīng)用.但隨著室外溫度下降,空氣源熱泵存在制熱能力不足、排氣溫度高等缺點(diǎn),這些問題限制了空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的使用[2].目前較為成熟的解決辦法有兩級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng),噴氣增焓系統(tǒng)以及和其他設(shè)備聯(lián)合使用,如太陽能、電加熱等,理論上可以在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)使用[3].

在實(shí)際運(yùn)行效果方面,金洪文等[4]人在敦化市高速公路服務(wù)區(qū)對(duì)空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè),在考慮結(jié)霜、除霜和低溫環(huán)境制熱情況下進(jìn)行分析，該系統(tǒng)平均COP為2.6,能在-20 ℃低溫條件下運(yùn)行，Yaning Zhang等[5]人監(jiān)測(cè)空氣源熱泵在哈爾濱市的應(yīng)用效果，結(jié)果表明,ASHP可在寒冷地區(qū)采暖,室內(nèi)外溫差在41 ℃以內(nèi)達(dá)到可以接受的COP數(shù)值.Amir.A.Safa[6]在加拿大研究了一種兩級(jí)變?nèi)萘靠諝庠礋岜?供暖季期間,隨室外溫度由-19 ℃變至9 ℃,COP在1.79～5之間變化.結(jié)果表明,由于采用了變?nèi)萘繅嚎s機(jī),空氣壓縮機(jī)能夠在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行更長的時(shí)間.眾多學(xué)者測(cè)試說明,空氣源熱泵能在低溫條件下使用，但是能否在嚴(yán)寒地區(qū)長期穩(wěn)定運(yùn)行,仍需對(duì)空氣源熱泵進(jìn)行長期監(jiān)測(cè).本文對(duì)遼寧省鐵嶺市昌圖縣一戶式空氣源熱泵進(jìn)行一個(gè)供暖季的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行分析,對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性進(jìn)行研究，為今后空氣源熱泵機(jī)組在嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行和調(diào)試提供參考.

1 工程概況及測(cè)試方法

該建筑為遼寧省鐵嶺市昌圖縣二層民用建筑,采暖面積為80 m2,末端采用散熱器采暖,外墻采用磚墻,鋪設(shè)保溫材料.本文設(shè)計(jì)了一種空氣源熱泵采暖系統(tǒng),該供暖系統(tǒng)由空氣源熱泵、循環(huán)水泵、水箱及末端散熱器組成.供水溫度設(shè)置為45 ℃.熱泵為低溫空氣源熱泵,型號(hào)為DKFXRS-15 I，該機(jī)組系統(tǒng)詳情如圖1和表1所示.

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump system

表1 DKFXRS-15 I型號(hào)空氣源熱泵機(jī)組性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the air source heat pump unit of DKFXRS-15 I type

續(xù)表1

采集數(shù)據(jù)時(shí)間從2019年11月1日～2020年2月3日共計(jì)95天.采集數(shù)據(jù)包括機(jī)組耗電量、供回水溫度、室外氣象參數(shù)和室內(nèi)溫度,其中室外溫濕度及室內(nèi)溫度由溫度傳感器采集,空氣源熱泵室外機(jī)組及水泵耗電量從配電柜中讀取，供、回水溫度由熱量表溫度探頭測(cè)得，系統(tǒng)循環(huán)水流量由供水管安裝的超聲流量計(jì)測(cè)得.具體測(cè)試內(nèi)容見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容示意圖Fig.2 Schematic diagram of data acquisition contents

2 空氣源熱泵運(yùn)行分析

2.1 供暖季系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

如圖3所示,測(cè)試時(shí)間為2019年11月1日至2020年2月3日共計(jì)95天,其占整個(gè)供暖季(2019年10月27日至2020年4月4日計(jì)160 d)的59.38 %.室外氣溫變化范圍-18.8 ℃ ～ 10.1 ℃,平均氣溫-6.7 ℃.供水溫度變化范圍35.6 ℃～45.8 ℃,供水平均溫度40.4 ℃.回水溫度變化范圍35 ℃ ～ 43.9 ℃,回水平均溫度38.9 ℃.如圖4所示,空氣源熱泵的機(jī)組制熱能力受室外溫度影響較大,室外溫度升高,機(jī)組制熱量增加.

在整個(gè)供暖季,當(dāng)溫度在-18.8 ℃～10.1 ℃之間變化時(shí),COP的變化范圍為1.44～2.22,整個(gè)供暖季平均COP為1.8,如圖5所示.隨著室外溫度下降,系統(tǒng)COP有所下降,最低為1.44,雖然此時(shí)COP略低,但機(jī)組尚能正常工作,機(jī)組平均COP為1.8.采暖季空氣源熱泵11月份耗電763.7 kW·h,12月份耗電1 160.7 kW·h,1月份耗電1 424.3 kW·h,其中11月份最低,12月份其次,1月份最高,這是因?yàn)?月份室外氣溫最低,熱量需求最多.

如圖6所示,11月份平均氣溫為-0.39 ℃,系統(tǒng)供水最高水溫41.6 ℃,最低水溫35.6 ℃,平均水溫38.4 ℃,溫度偏差為±3.2 ℃.回水最高水溫40.5 ℃,最低水溫35 ℃,平均水溫37.3 ℃,溫度偏差±3.2 ℃,基本處于穩(wěn)定狀態(tài).11月份系統(tǒng)COP為1.93,系統(tǒng)制熱能力良好.

由圖6可知,11月份室外氣溫大部分在0 ℃或0 ℃以下,室外氣溫波動(dòng)較大,而供、回水溫度波動(dòng)較小,這是由于供暖季初期建筑負(fù)荷小于設(shè)計(jì)負(fù)荷,熱泵供熱能力充足,供、回水溫度受室外溫度影響不大，說明供熱初期系統(tǒng)供熱能力充足,可穩(wěn)定運(yùn)行.

圖3 供暖季系統(tǒng)供回水溫度及室外溫度的變化Fig.3 Variation of supply and return water temperature of the system and outdoor temperature in heating season

圖4 機(jī)組實(shí)際制熱量隨室外溫度的變化Fig.4 Variation of the actual heating capacity of the unit with the outdoor temperature

圖5 供暖季COP隨室外溫度的變化Fig.5 Variation of COP with the outdoor temperature in heating season

圖6 2019年11月份系統(tǒng)供回水溫度及室外溫度的變化Fig.6 Variation of water supply and return temperature of the system and outdoor temperature in November 2019

圖7 2020年1月份系統(tǒng)供回水溫度及室外溫度的變化Fig.7 Variation of water supply and return temperature of the system and outdoor temperature in January 2020

如圖7所示，1月份為整個(gè)供暖季最冷月份,室外平均氣溫-10.7 ℃,系統(tǒng)供水最高水溫45.75 ℃、最低水溫41.1 ℃,平均水溫41.7 ℃.系統(tǒng)回水最高水溫43.56 ℃,最低水溫39.4℃,平均水溫39.8 ℃.由圖7可見,供回水溫度雖有波動(dòng),但基本趨于穩(wěn)定.1月份系統(tǒng)COP為1.62,因1月份氣溫較低,降雪較多,導(dǎo)致室外換熱器結(jié)霜,對(duì)機(jī)組制熱能力產(chǎn)生不良影響.

2.2 典型日系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

2019年12月30日為整個(gè)供暖季天氣最冷的一天,如圖8所示,日最高氣溫-13.8 ℃,日最低氣溫-22.8 ℃,日平均氣溫-18.8 ℃,供水平均溫度42 ℃,回水平均溫度40.1 ℃.全天耗電量為61.67 kW·h,谷電率為58 %,COP為1.4,系統(tǒng)COP偏低.機(jī)組全天停機(jī)5次,由于室外氣溫過低,對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不利影響導(dǎo)致多次停機(jī).

2019年11月10日為整個(gè)采暖季天氣較暖的一天,如圖9所示,日最高氣溫12.6℃,日最低氣溫7.9℃,日平均氣溫10.1℃,COP為2.14,全天耗電量為15.06 kW·h/d,遠(yuǎn)小于測(cè)試期間的日均耗電量37 kW·h/d.供水平均溫度為35.6 ℃,回水平均溫度為35 ℃.全天停機(jī)10次,這是由于室外氣溫較高,末端熱負(fù)荷需求小,回水溫度高,機(jī)組運(yùn)行良好,機(jī)組能很快使水溫達(dá)到設(shè)定值所致.

圖8 2019年 12月30日系統(tǒng)供回水溫度及室外溫度的變化Fig.8 Variation of water supply and return temperature of the system and outdoor temperature on December 30,2019

圖9 2019年11月10日系統(tǒng)供回水溫度及室外溫度的變化Fig.9 Variation of supply and return water temperature of the system and outdoor temperature on November 10,2019

3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

費(fèi)用年值是衡量經(jīng)濟(jì)技術(shù)的重要指標(biāo).一般來說,常用費(fèi)用年值法分析能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是以資金回收系數(shù)為基礎(chǔ),將初投資平均分?jǐn)偟较到y(tǒng)的整個(gè)使用年限中,加上年運(yùn)行及維保費(fèi)即為費(fèi)用年值.綜合考慮初投資、運(yùn)行及維護(hù)保養(yǎng)費(fèi),其模型如下[7]:

式中,AC為費(fèi)用年值,元/a;Ci為初投資,元/a;Ck為年運(yùn)行及維保費(fèi),元/a;i為標(biāo)準(zhǔn)收益率,%,按10 %計(jì);n為設(shè)備使用年限.

3.1.1 初投資

系統(tǒng)的初投資包括一臺(tái)5 P的低溫空氣源熱泵機(jī)組費(fèi)、水泵費(fèi)、管道費(fèi)和人工安裝費(fèi).經(jīng)計(jì)算,單位建筑面積年初投資為187.5元/(m2·a).

3.1.2 運(yùn)行及維保費(fèi)

運(yùn)行及維保費(fèi)包括采暖運(yùn)行費(fèi)及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi).測(cè)試時(shí)間為2019年11月1日至2020年2月3日計(jì)95天,此期間系統(tǒng)共耗電3 487.69 kW·h(即2019年11月1日至30日計(jì)30天耗電763.7 kW·h + 2019年12月1日至31日計(jì)31天耗電1 160.7 kW·h + 2020年1月1日至31日計(jì)31天耗電1 424.3 kW·h + 2020年2月1日至3日計(jì)3天耗電138.99 kW·h),其中峰電量1 555.71 kW·h(峰電率44.6 %)、谷電量1 931.98 kW·h(谷電率55.4 %),單位建筑面積日均耗電量為0.46(kW·h)/(m2·d),按遼寧省居民電采暖用戶峰谷分時(shí)電價(jià)政策:峰電價(jià)0.52元/(kW·h)、谷電價(jià)0.4元/(kW·h).測(cè)試期間(95天)運(yùn)行電費(fèi)為1 581.76元,按建筑面積80 m2計(jì)單位建筑面積日均運(yùn)行電費(fèi)為0.21元/(m2·d),按采暖期160天計(jì)折算出的1個(gè)采暖期單位建筑面積耗電量、運(yùn)行費(fèi)分別為73.6(kW·h)/(m2·a),33.6元/(m2·a).年維保費(fèi)一般按單位建筑面積年初投資的1 %計(jì)取,故年維保費(fèi)為1.875元/(m2·a).由此可得年費(fèi)為35.475元/(m2·a).

3.2 節(jié)能減排分析

為便于比較分析,在電消耗量統(tǒng)計(jì)能源中,須采用當(dāng)量折標(biāo)系數(shù)0.122 9 kgce/(kW·h)[8].測(cè)試期間(95天)共耗電3 487.69 kW·h,可推算出整個(gè)采暖期系統(tǒng)耗電量為160×3 487.69/95=5 874(kW·h)/a,折合一次能源耗量721.92 kgce/a、單位建筑面積的一次能源耗量9.02 kgce/(m2·a).我國北方城鎮(zhèn)居民采暖單位建筑面積折合標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為20 kgce/(m2·a).由此可算得,與集中供熱相比,空氣源熱泵系統(tǒng)采暖季單位建筑面積標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量為10.98 kgce/(m2·a),約為0.88 t標(biāo)準(zhǔn)煤/年(tce/a),節(jié)能率為54.9 %,節(jié)能效果明顯.

整個(gè)采暖季節(jié)約0.88 t標(biāo)準(zhǔn)煤,減排量可具體到二氧化碳減排、二氧化硫減排、粉塵減排,具體計(jì)算公式如下[9]:

(1) 二氧化碳減排量計(jì)算公式

QCO2=2.47Qbm

式中,QCO2為二氧化碳減排量,t/a;2.47為標(biāo)準(zhǔn)煤二氧化碳排放因子,t/tce;Qbm為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量,tce/a

(2) 二氧化硫減排計(jì)算式

QSO2=0.02Qbm

式中,QSO2為二氧化硫減排量,t/a;0.02為標(biāo)準(zhǔn)煤二氧化硫排放因子,t/tce;Qbm為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量,tce/a.

(3) 粉塵減排量計(jì)算式

QFC=0.01Qbm

式中,QFC為粉塵減排量,t/a;0.01為標(biāo)準(zhǔn)煤粉塵排放因子,t/tce;Qbm為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量,tce/a.

經(jīng)計(jì)算,整個(gè)采暖季二氧化碳減排量為2.17 t/a,二氧化硫減排量為0.018 t,粉塵減排量為0.008 8 t.通過上述分析,采用空氣源熱泵采暖比采用燃煤采暖節(jié)能環(huán)保,其具有推廣應(yīng)用價(jià)值.

4 結(jié)論

通過對(duì)系統(tǒng)的分析可得,整個(gè)測(cè)試期室外平均溫度-6.7 ℃,供水平均溫度40.4 ℃,回水平均溫度38.9 ℃,測(cè)試期間共耗電3 487.69 kW·h,谷電率55.4 %.測(cè)試期間單位建筑面積日均耗電量0.46(kW·h)/(m2·d),單位建筑面積日均運(yùn)行費(fèi)為0.21元/(m2·d).采暖初、中期及典型日系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定,滿足采暖需求.系統(tǒng)平均COP為1.8.系統(tǒng)費(fèi)用年值為35.475元/m2,采暖期節(jié)約0.88 tce/a,減排CO22.17 t/a,SO20.018 t/a,粉塵0.008 8 t/a.本測(cè)試為空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供了參考依據(jù).