小型低溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雒俐暖

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000）

隨著社會(huì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，能源需求量不斷增大，為了節(jié)能減排，低溫型空氣源熱泵在北方地區(qū)小型供熱系統(tǒng)中得到了大力的推廣。作為可再生能源的一種，空氣源熱泵有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于設(shè)計(jì)的不合理，往往造成投資大，效果不佳的運(yùn)行誤區(qū)，本文就工程實(shí)例針對(duì)寒冷地區(qū)小型空氣源熱泵設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化分析。

1 低溫空氣源熱泵運(yùn)行中存在問(wèn)題 [1]

1） 低溫工況時(shí)，機(jī)組的結(jié)霜會(huì)造成機(jī)組的COP 下降35%～55%，除霜期間熱泵機(jī)組的實(shí)際出力降低，影響室內(nèi)供熱效果；2） 室外溫度越低，機(jī)組COP 越低，低溫會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的COP 下降高達(dá)24%，制熱量衰減高達(dá)55%。

所以無(wú)論是除霜還是室外低溫造成的供熱量的減小都都會(huì)造成系統(tǒng)供熱量不足。

2 工程應(yīng)用

2.1 實(shí)際工程概況

本項(xiàng)目位于山西省保德縣，總建筑面積約6000m2，熱負(fù)荷為376kW。

2.2 室外氣象參數(shù)

冬季供暖室外計(jì)算溫度：-13℃

冬季≤5℃時(shí)的平均溫度為-3.8℃

2.3 熱源的選擇及優(yōu)化分析

1） 熱源篩選，經(jīng)調(diào)研該項(xiàng)目周?chē)鸁o(wú)集中供熱，也沒(méi)有市政燃?xì)夤艿?，傳統(tǒng)的熱源形式及水、地源熱泵均無(wú)法實(shí)施。

由于本項(xiàng)目所在地電力余量充足，且目前低溫型空氣源熱泵在室外-25℃時(shí)依然能正常工作，故熱源方案在電鍋爐及空氣源熱泵之間做比選。

2） 電鍋爐及空氣源熱泵機(jī)組對(duì)比分析；①熱源設(shè)備選型,當(dāng)采用電鍋爐時(shí)，考慮70%的備用系數(shù)，選擇兩臺(tái)280kW的電鍋爐作為熱源。當(dāng)采用低溫空氣源熱泵機(jī)組時(shí)，需要根據(jù)以下公式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行修正計(jì)算：

Q實(shí)— 熱泵機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行供熱量，KW；

Q名— 熱泵機(jī)組的名義工況供熱量，KW；

K1— 室外干球溫度修正系數(shù)（由廠家變工況運(yùn)行資料提供）；

K2— 機(jī)組化霜修正系數(shù)，取0.9。

經(jīng)過(guò)設(shè)備的選型本工程選擇5 臺(tái)名義制熱量（室外干球溫度為-12℃時(shí)） 為90 KW 的低溫?zé)岜媚K機(jī)組，經(jīng)實(shí)際設(shè)計(jì)工況修正后的單臺(tái)實(shí)際制熱量為77 KW。

②初投資及運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比,由于熱泵及電鍋爐的水系統(tǒng)差別不大，以下僅對(duì)熱源部分的初投資及運(yùn)行費(fèi)用做比較。

從初投資上比較兩臺(tái)280KW 的鍋爐價(jià)格約24 萬(wàn)，5 臺(tái)140KW 的空氣源熱泵的價(jià)格約75 萬(wàn)，空氣源熱泵較電鍋爐初投資增加約51 萬(wàn)，但在一個(gè)采暖季節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用約32.55 萬(wàn)，靜態(tài)的投資回收期為1.57年，所以空氣源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要遠(yuǎn)高于電鍋爐系統(tǒng)。

3） 熱源選配的優(yōu)化分析[2-3]①優(yōu)化原因,單純空氣源供熱能滿足供熱的要求，但初投資較大，實(shí)際運(yùn)行中低溫工況的運(yùn)行時(shí)間很短，據(jù)統(tǒng)計(jì)主機(jī)增加的20%～30%的容量可能只有不到2%的時(shí)間是有用的，其余時(shí)間均不工作。這樣雖然運(yùn)行成本節(jié)省了2%～3%，但初投資增加了很多，不經(jīng)濟(jì)。

表1 空氣源熱泵及電鍋爐供暖運(yùn)行費(fèi)用比較

而電鍋爐作為一種熱源形式，它在低溫工況的運(yùn)行穩(wěn)定，雖然運(yùn)行費(fèi)用很高，但初投資較空氣源便宜很多。故在一定時(shí)間內(nèi)空氣源熱泵與電鍋爐在低溫工況的聯(lián)合運(yùn)行是一種可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行模式，能有效緩解低溫及熱泵除霜工況對(duì)系統(tǒng)的影響。如何確定空氣源熱泵和電鍋爐的配比是我們需要優(yōu)化的內(nèi)容。

②臨界經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度的提出

圖1 按平衡點(diǎn)溫度選擇的空氣源熱泵機(jī)組

圖1是考慮輔助熱源后的機(jī)組選型，從圖中可以看出臨界經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度越高，電鍋爐的容量就越大，整個(gè)供暖季的運(yùn)行費(fèi)用就高，不經(jīng)濟(jì)。

③臨界經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度的確定，臨界經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)的確定是以空氣源熱泵運(yùn)行能力的最大化為前提，與熱泵的性能、電鍋爐的性能、當(dāng)?shù)仉妰r(jià)、電力增容費(fèi)、空氣源熱泵價(jià)格、鍋爐價(jià)格、當(dāng)?shù)氐臍庀髤?shù)有很大關(guān)系。我們可以從空氣源熱泵與電鍋爐的投資和運(yùn)行費(fèi)用的平衡上求出一個(gè)臨界點(diǎn)，列平衡方程：

Nd— 輔助電鍋爐的制熱量，kW；Php— 1KW 空氣源熱泵的投資估算，元；Pd— 1KW 電鍋爐的投資估算，元；Ck—產(chǎn)1KW 熱量的空氣源熱泵所需的電力增容費(fèi)，元；Cd— 產(chǎn)1KW 熱量的電鍋爐所需的電力增容費(fèi)，元；n— 空氣源熱泵的壽命周期，取15年；Qd— 電鍋爐在一個(gè)采暖季的運(yùn)行負(fù)荷，kW；η— 電鍋爐的使用效率；COP— 空氣源熱泵機(jī)組的能效比；Pe— 電價(jià)，元/（kW·h），方程的左側(cè)公式為設(shè)備每年節(jié)約的初投資，它主要考慮了熱源的價(jià)格及電力增容費(fèi)。右側(cè)公式為設(shè)備每年增加的運(yùn)行費(fèi)用，空氣源熱泵的投資價(jià)格約在1950 元/ kW，電鍋爐的投資價(jià)格約在420 元/ kW；電鍋爐效率取0.98；每kW 的電力增容費(fèi)約為1100 元。電價(jià)按普通工商業(yè)取值0.65 元/（kW·h）；同時(shí)對(duì)室外-6～-13℃時(shí)的熱泵機(jī)組的COP、室外熱負(fù)荷及供暖時(shí)間做了統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表2。

表2 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

一個(gè)采暖季各個(gè)平衡點(diǎn)溫度下電鍋爐代替空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)圖2。

圖2 投資與運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比圖

由圖2 可知，在室外溫度低于-9℃時(shí)，運(yùn)行壽命周期內(nèi)采用電鍋爐所節(jié)約的初投資要大于電鍋爐所增加的運(yùn)行費(fèi)用，此時(shí)采用電鍋爐代替空氣源熱泵承擔(dān)部分室內(nèi)負(fù)荷是經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)室外溫度高于-9℃時(shí)，此時(shí)采用電鍋爐節(jié)約的初投資將小于電鍋爐較空氣熱泵所增加的運(yùn)行費(fèi)用，故電鍋爐在高于-9℃時(shí)運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。本項(xiàng)目以室外-9℃為臨界平衡點(diǎn)溫度選取熱泵機(jī)組的容量。經(jīng)計(jì)算此時(shí)熱泵的選型容量應(yīng)≥282KW，對(duì)應(yīng)在-9℃時(shí)能提供的供熱量將≥327KW。

故本工程選擇4 臺(tái)名義制熱量（室外干球溫度為-12℃時(shí)） 為90 KW 的低溫?zé)岜媚K機(jī)組，單臺(tái)熱泵機(jī)組在設(shè)計(jì)工況的制熱量為77 KW，需配一臺(tái)略大于376-77 4=68 KW 的電鍋爐。這樣的熱源搭配是最優(yōu)的，此時(shí)實(shí)際運(yùn)行的臨界平衡點(diǎn)溫度在-10.5℃，既室外溫度低于-10.5℃時(shí)，電鍋爐開(kāi)始投入運(yùn)行，與熱泵機(jī)組聯(lián)合供熱.

3 結(jié)語(yǔ)

空氣源熱泵作為一種可再生能源，同時(shí)也是一種清潔能源，發(fā)展?jié)摿薮?，是?guó)家“煤改電”的主力軍，但空氣源熱泵也有其局限性，本文以實(shí)際工程為例，以優(yōu)化為目的，得出利用臨界經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)溫度確定的電鍋爐配比方法，在經(jīng)濟(jì)不增加的前提下，發(fā)揮了電鍋爐的穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)，緩解了空氣源熱泵機(jī)組除霜及低溫工況COP 低的缺點(diǎn)，增加了系統(tǒng)的可靠性。