戴日騰，王紹瑞

（1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，冬季供暖需求面積也隨之不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)的燃煤供暖方式對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染，利用清潔能源、可再生能源替代燃煤供暖是降低碳排放、改善環(huán)境的最好選擇。新疆地區(qū)供電充足，政府在“煤改電”方面給予了強(qiáng)有力的政策支持，給空氣源熱泵的應(yīng)用帶來了契機(jī)。但由于空氣源熱泵初始投資較大，許多“煤改電”工程案例都采用初始投資較小的純電暖器供暖。如何因地制宜做到空氣源熱泵機(jī)組在嚴(yán)寒地區(qū)使用并發(fā)揮其節(jié)能潛力，如何從長遠(yuǎn)考慮空氣源熱泵機(jī)組是否比電暖器經(jīng)濟(jì)適用，是需要解決的問題，文中以烏魯木齊某大廈電供暖設(shè)計(jì)方案為例，試做分析。

1 建筑概況

烏魯木齊某大廈是既有公共建筑，位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，所處氣候分區(qū)為嚴(yán)寒C區(qū)。大廈底層為商業(yè)，采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，冬季供暖，夏季供冷。本次電供暖改造僅針對該大廈12～15層及22～26層，共9層辦公場所，供暖建筑面積11 188 m2。該電供暖項(xiàng)目提出2種設(shè)計(jì)方案：一是冬季空氣源熱泵輔助電加熱系統(tǒng)供暖，夏季空氣源熱泵機(jī)組供冷；二是冬季全部改用電暖器供暖，夏季仍用原空調(diào)系統(tǒng)供冷。

改造區(qū)域供暖熱負(fù)荷為：12～15層，面積6 267 m2，熱負(fù)荷427 kW；22～26層，面積4 921 m2，熱負(fù)荷300 kW?？偀嶝?fù)荷727 kW，熱指標(biāo)65 W·m-2。

2 嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵供暖性能分析

2.1 室外氣象條件

烏魯木齊所處氣候分區(qū)為嚴(yán)寒C區(qū)，供暖期為起始年10月14日—次年4月11日（取日平均溫度≤+8℃起止日期）。供暖期總?cè)諗?shù)為180 d，供暖期總小時數(shù)為4 320 h。由《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》［1］可得該地區(qū)逐時氣象參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)出供暖期內(nèi)室外氣溫分布小時數(shù)（將溫度頻段定為2℃）。供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量見表1。

表1 烏魯木齊供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量Tab.1 Monthly average dry bulb temperature，relative humidity and humidity ratio during heating period in Urumqi

烏魯木齊冬季供暖室外計(jì)算溫度為-19.7℃，極端最低氣溫-32.8℃［2］，供暖期室外氣溫分布小時數(shù)見表2?？諝庠礋岜迷谑彝鈿鉁馗哂?15.0℃時能夠保持高效運(yùn)行。烏魯木齊供暖期內(nèi)室外氣溫高于-15.0℃的時數(shù)占比高達(dá)90.7%，這為在該地區(qū)空氣源熱泵供暖的推廣與應(yīng)用提供了良好的室外氣溫條件。同時，不容忽視結(jié)除霜給機(jī)組運(yùn)行性能帶來的影響，考慮到新疆嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組低溫結(jié)霜的特點(diǎn)，在下文計(jì)算中結(jié)霜除霜損失系數(shù)取0.95［3］。

表2 烏魯木齊供暖期室外氣溫分布小時數(shù)Tab.2 Outdoor temperature distribution hours during heating period in Urumqi

此外，為提高供暖系統(tǒng)安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性，以及應(yīng)對室外氣溫極低時機(jī)組制熱能力衰減幅度較大且很可能出現(xiàn)停機(jī)等問題，需對空氣源熱泵機(jī)組設(shè)置輔助熱源并按100%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷配置輔助熱源容量。

2.2 空氣源熱泵HSPF值與機(jī)組選型

2.2.1 空氣源熱泵HSPF值

空氣源熱泵供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF是解決空氣源熱泵機(jī)組穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一，也是評價空氣源熱泵有關(guān)于某地區(qū)在整個采暖季節(jié)運(yùn)行時的熱力經(jīng)濟(jì)性的重要概念。熱泵的HSPF值不僅與熱泵的性能有關(guān)，還與氣候條件及熱泵供熱負(fù)荷系數(shù)有關(guān)［4］。供熱季節(jié)性能系數(shù)計(jì)算公式為：

2.2.2 空氣源熱泵機(jī)組選型

文中將采用某品牌A、B兩種型號空氣源熱泵機(jī)組，具體性能參數(shù)如下。

A型號機(jī)組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量102 kW，制熱COP為2.02，壓縮機(jī)功率50.5 kW，風(fēng)機(jī)功率1.8×2 kW。

B型號機(jī)組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量92 kW，制熱COP為2.57，壓縮機(jī)功率35.7 kW，風(fēng)機(jī)功率1.5×2 kW。

對以上2種型號機(jī)組，按建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷727 kW的60%、70%、80%配置機(jī)組容量。通過計(jì)算可得，A型號機(jī)組供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPFA（60%）=1.98、HSPFA（70%）=1.98、HSPFA（80%）=2.10，B型號機(jī)組供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPFB（60%）=2.20、HSPFB（70%）=2.37、HSPFB（80%）=2.46。B型號機(jī)組按80%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷配置機(jī)組容量時，HSPF最大、平衡點(diǎn)溫度較低、經(jīng)濟(jì)性更佳。此處按60%、70%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷配置機(jī)組容量的HSPF值計(jì)算已省略。表3和表4為按80%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算A、B兩種型號空氣源熱泵機(jī)組HSPF值計(jì)算表。

表3 A型號空氣源熱泵機(jī)組HSPF計(jì)算表Tab.3 Type A air source heat pump unit HSPFcalculation table

表4 B型號空氣源熱泵機(jī)組HSPF計(jì)算表Tab.4 Type B air source heat pump unit HSPFcalculation table

圖1清楚地對比出A、B兩種型號空氣源熱泵機(jī)組的制熱特性。盡管在室外氣溫低于-20℃的情況下，B型機(jī)組制熱量低于A型機(jī)組，但考慮到烏魯木齊供暖期內(nèi)-15℃以上的時數(shù)占比大，室外氣溫在-20℃以上時B型機(jī)組制熱量要高于A型機(jī)組。B型機(jī)組名義工況下的制熱COP較高，圖1反映出2種機(jī)型的平衡點(diǎn)溫度不同，平衡點(diǎn)溫度較低的B型機(jī)組節(jié)能效果更好。因此，方案1將采用B型空氣源熱泵機(jī)組。

圖1 A、B兩種型號空氣源熱泵機(jī)組供熱量和建筑物熱負(fù)荷與室外氣溫的關(guān)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

通過對機(jī)組進(jìn)行合理的選型，按80%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷配置機(jī)組容量時，B型機(jī)組HSPF值能夠達(dá)到2.46，在-14℃以上都可100%使用空氣源熱泵機(jī)組供暖。說明在嚴(yán)寒地區(qū)采用空氣源熱泵供暖具有較好的節(jié)能潛力。同時，在嚴(yán)寒地區(qū)為應(yīng)對極端低溫天氣的出現(xiàn)，需要配備電熱水鍋爐輔助加熱系統(tǒng)，這也使得整個供暖系統(tǒng)在安全性方面得到了提高。

3 熱源設(shè)備配置方案

3.1 方案1熱源設(shè)備配置

3.1.1 配置原則。

由上文中空氣源熱泵能機(jī)組選型時的分析確定在冬季供暖期室外氣溫-14℃以上全部采用空氣源熱泵供暖，室外氣溫在-14℃及以下則采用空氣源熱泵與電鍋爐輔助供暖模式。

3.1.2 空氣源熱泵配置。

室外氣溫-14℃時，熱負(fù)荷為620.4 kW；空氣源熱泵熱水機(jī)組7臺，單臺機(jī)組制熱量94.28 kW（室外氣溫-14℃）；熱水供回水溫度45℃/40℃；壓縮機(jī)輸入功率36.04 kW。

3.1.3 電熱水鍋爐配置。

直熱式電熱水鍋爐1臺，考慮到出現(xiàn)極端寒冷天氣（室外氣溫低于-26℃）時空氣源熱泵機(jī)組可能會出現(xiàn)停機(jī)的情況，設(shè)置電熱水鍋爐的供熱量為730 kW，供回水溫度60℃/55℃。

3.1.4 附屬設(shè)備配置

冷熱水循環(huán)泵：流量140 m3·h-1，揚(yáng)程20 m，功率15 kW，2臺（1臺備用）。

膨脹水箱：不銹鋼水箱，有效容積1 m3·h-1，1臺。

軟化水裝置：處理水量1～2 m3·h-1，1臺。

3.1.5 設(shè)備布置

擬將空氣源熱泵機(jī)組布置于26層屋面，并在屋面新建輕質(zhì)結(jié)構(gòu)保溫房，以布置電鍋爐、循環(huán)泵、水處理裝置等。

3.1.6 總配電容量

按電鍋爐運(yùn)行容量為：765 kW+15 kW=780 kW。

3.2 方案2熱源設(shè)備配置

按房間和熱負(fù)荷布置電暖器，考慮到充分利用谷電供暖，或辦公室無人期間設(shè)置較低溫度，電暖器間歇運(yùn)行，各房間電暖器按熱負(fù)荷1.3倍配置，總配電容量950 kW。共安裝475組電暖器，每組2 kW。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

4.1 一次能源效率對比

空氣源熱泵機(jī)組的制熱量與所消耗的電能不是同等品質(zhì)的能量，因此，需要轉(zhuǎn)換成一次能源效率來評價熱泵的節(jié)能效果［5］。

式中，E：一次能源效率；TQ：供暖期熱泵總供熱量（kW·h）；TP：供暖期熱泵總耗電量（kW·h）；β：發(fā)電廠發(fā)配電效率。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，燃煤發(fā)電的熱效率為38.4%，燃?xì)獍l(fā)電的熱效率為50.2%，電網(wǎng)的輸電效率為95%。這樣得出燃煤發(fā)電廠的發(fā)配電效率β1為36.48%，燃?xì)獍l(fā)電廠的發(fā)配電效率β2為47.69%。B型號機(jī)組供暖季節(jié)性能系數(shù)HSPFB=2.46。因此可得B型號機(jī)組使用燃煤發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E1為89.74%，使用燃?xì)獍l(fā)電廠的電能時的一次能源效率E2為117.32%。

電暖器的電熱轉(zhuǎn)換率一般在96%左右。則可得使用燃煤發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E1為35.02%，使用燃?xì)獍l(fā)電廠的電能時的一次能源效率E2為45.78%。

通過計(jì)算結(jié)果可明顯看出，采用電暖器的一次能源效率遠(yuǎn)低于空氣源熱泵系統(tǒng)的一次能源效率。因此，從能源利用的角度來講，采用空氣源熱泵更加節(jié)能。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

采用投資償還年限法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，選擇較佳方案。投資償還年限法是通過比較2個技術(shù)上可行的方案，在多長時間內(nèi)節(jié)能方案可以通過其年運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省，將多支出的投資收回來［7］。

投資償還年限法公式如下：

式中，M1：方案1初始投資（萬元）；M2：方案2初始投資（萬元）；N1：方案1運(yùn)行費(fèi)用（萬元）；N2：方案2運(yùn)行費(fèi)用（萬元）。

4.2.1 初始投資

方案1空氣源熱泵機(jī)組與電熱水鍋爐設(shè)備及管路投資費(fèi)用為237.46萬元，配電系統(tǒng)投資費(fèi)用為81.00萬元，投資費(fèi)用合計(jì)318.46萬元。

方案2電暖器投資費(fèi)用為55.20萬元，配電系統(tǒng)投資費(fèi)用為111.00萬元，投資費(fèi)用合計(jì)166.20萬元。

4.2.2 運(yùn)行費(fèi)用

文中2個設(shè)計(jì)方案運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算公式［8］：

式中，Nd：電費(fèi)（萬元）；Nwx：維修費(fèi)（萬元），取Gy的1%；Nzj：折舊費(fèi)（萬元），按Gy的4%～5%選取，本文取4%；Nqt：其他費(fèi)用（萬元），取Gy的2%。

其中，除電費(fèi)外其他費(fèi)用一般按工程中固定資產(chǎn)的百分率進(jìn)行估算［8］。計(jì)算公式如下：

式中，n：系數(shù)，取90%；M：初始投資（萬元）。

烏魯木齊地區(qū)分散式電采暖電價為0.22元·（kW·h）-1。從表4可計(jì)算出方案1采用B型號空氣源熱泵機(jī)組在供暖期總耗電量為877 831.159 3 kW·h。供暖所需電費(fèi)為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電費(fèi)為17.30元·m-2。

方案2采用電暖器在供暖期總耗電量為2 656 072.286 0 kW·h。供暖所需電費(fèi)為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電費(fèi)為52.20元·m-2。

表5 初始投資與運(yùn)行費(fèi)用表Tab.5 Initial investment and operating cost table 萬元

空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐系統(tǒng)與純電暖器系統(tǒng)相比，初始投資高，但運(yùn)行費(fèi)用低。并且空氣源熱泵設(shè)備壽命期在15～20年，投入運(yùn)行第6年開始投資即可償還。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對比可知，方案1在一次能源效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性兩方面都優(yōu)于方案2，這也說明，在嚴(yán)寒地區(qū)采用空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐的供暖方式經(jīng)濟(jì)適用，與純電暖器供暖相比，節(jié)能優(yōu)勢亦十分明顯。

5 結(jié)語

烏魯木齊供暖期內(nèi)室外氣溫高于-15℃的小時數(shù)占比大，這為發(fā)揮空氣源熱泵供暖節(jié)能的優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。以HSPF值為評價指標(biāo)對空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行選型，并按80%建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷配置機(jī)組容量，達(dá)到了多用熱泵機(jī)組、少用輔助電鍋爐的目的。從長遠(yuǎn)來看，空氣源熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于電暖器供暖。這表明，在嚴(yán)寒地區(qū)推廣使用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景。在全球變暖問題日益嚴(yán)峻的背景下，空氣源熱泵供暖具有很大的節(jié)能環(huán)保意義，也是助力我國達(dá)成雙碳目標(biāo)的重要途徑之一。