家用采暖熱源選型的經(jīng)濟(jì)性分析

孟凡剛 曹瑞林

MENG Fangang1 CAO Ruilin2

1.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266103；

2.中國家用電器研究院 北京 100053

1.Qingdao Economic and Technological Development Zone Haier Water Heater Co., Ltd. Qingdao 266103;2.China Household Electric Appliance Research Institute Beijing 100053

1 引言

隨著人們生活水平的提高，尋求一種更為舒適且節(jié)能的采暖系統(tǒng)有著良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，因此熱泵技術(shù)具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，同時(shí)在解決環(huán)境污染問題上也有重要的作用。空氣源熱泵是熱泵的一種，空氣源熱泵用于采暖已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。龐衛(wèi)科[1]等分析了適用于我國農(nóng)村地區(qū)的低溫空氣源熱泵采暖技術(shù)；吳衛(wèi)平[2]等研究了低溫空氣源熱泵采暖在北京農(nóng)村的適用性；陳曉寧[3]等分析了低溫環(huán)境下戶式變頻空氣源熱泵地板輻射采暖系統(tǒng)性能；馬最良[4]等分析了空氣源熱泵機(jī)組在我國西北地區(qū)應(yīng)用的可行性；沈煒[5]等對(duì)北方地區(qū)應(yīng)用空氣源熱泵的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李文哲[6]介紹了京津地區(qū)地區(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)的可行性。通過以上研究，驗(yàn)證了空氣源熱泵機(jī)組在低溫下運(yùn)行的可行性，為空氣源熱泵采暖的應(yīng)用提供了廣闊的市場。

空氣源熱泵采暖是一個(gè)系統(tǒng)工程，既包括熱量的提取，也包括熱量的輸送以及末端換熱?？諝庠礋岜糜糜诓膳猛?，不同形式的換熱末端對(duì)熱源的供水溫度有不同的要求，本文對(duì)不同形式熱源進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，結(jié)合空氣源采暖熱泵的熱水輸出范圍（41～50）℃，與地板輻射采暖換熱所需（40～45）℃熱源相匹配，并有一定溫度冗余，提供了熱泵采暖系統(tǒng)原理圖和熱泵采暖制冷雙模式工作的原理圖，對(duì)于家用采暖系統(tǒng)的選型和采暖制冷聯(lián)合解決方案有一定參考價(jià)值。

2 不同采暖熱源經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

2.1 家用熱水需求簡介

熱水在家庭生活中主要用于日常洗浴、廚房清洗、衣服洗滌、衛(wèi)生清掃，以及室內(nèi)采暖需求，不同的需求對(duì)應(yīng)不同的水溫，其中洗手、洗臉?biāo)疁貫椋?0～40）℃；淋浴和浴缸熱水水溫40℃；果蔬和食物洗滌溫度一般為（20～40）℃；衣物洗滌熱水溫度一般為（30～35）℃；室內(nèi)衛(wèi)生用水溫度一般為（20～40）℃；室內(nèi)采暖溫度（35～55）℃；如果采暖熱源溫度控制在（40～45）℃，那么家用生活熱水就可以用統(tǒng)一熱源了。在家庭用水中，采暖用熱占比最大，下面就以采暖熱源作為重點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 采暖熱源經(jīng)濟(jì)性比較

采暖需求所需能源熱值最大，對(duì)水溫要求高，滿足了采暖需求，其他的生活熱水需求基本可以滿足?？諝庠礋岜秒m然一次性投資較高，但北京、河北、山西、山東等地均推出了財(cái)政補(bǔ)貼政策，很好得解決了一次性投資高的問題。2016年12月底，國家發(fā)改委、科技部、工信部等十三部委聯(lián)合印發(fā)了《“十三五”全民節(jié)能行動(dòng)計(jì)劃》，其中明確提出要鼓勵(lì)推廣空氣源熱泵。以北京為例，2016年北京大力推廣空氣源熱泵，針對(duì)安裝空氣源熱泵的農(nóng)戶，按照市財(cái)政1.2萬元每戶，區(qū)財(cái)政0.6萬元到1.2萬元每戶進(jìn)行補(bǔ)貼，同時(shí)每個(gè)采暖季夜間10000度電每度補(bǔ)貼0.1元的運(yùn)行費(fèi)用。

山西省也出臺(tái)了《推進(jìn)城鄉(xiāng)采暖“煤改電”試點(diǎn)工作實(shí)施方案》，成為繼北京、河北之后，第三個(gè)明確十三五期間的“減煤換煤、清潔空氣”計(jì)劃目標(biāo)和進(jìn)程的省市。方案中指出：對(duì)安裝高效節(jié)能電采暖設(shè)備的居民用戶，設(shè)備購置費(fèi)用由省、市兩級(jí)財(cái)政各補(bǔ)貼三分之一，兩級(jí)補(bǔ)貼總額最高不超過20000元/戶；省、市兩級(jí)財(cái)政對(duì)采暖季低谷時(shí)段電價(jià)各補(bǔ)貼0.1元/度，每個(gè)采暖季每戶補(bǔ)貼最高不超過12000度用電量[7]。

本文以北京地區(qū)為例，僅分析采暖運(yùn)行費(fèi)用。建筑面積100m2，采用地板輻射采暖，供水水溫45℃，供熱天數(shù)120天，建筑物能耗按照42.5W/m2，能源價(jià)格按照北京市發(fā)展和改革委員會(huì)現(xiàn)行公布的價(jià)格計(jì)算，通過對(duì)燃?xì)忮仩t、電熱水器采暖、太陽能熱水器采暖、空氣源熱泵采暖進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性分析，比對(duì)結(jié)果如表1所示。

通過比較，不同熱源運(yùn)行成本由高到低：電熱水器>燃?xì)忮仩t>太陽能熱水器>空氣源熱泵?？諝庠礋岜貌膳谶\(yùn)行成本為2361元，在四種熱源中成本最低。北京城市熱網(wǎng)供熱的價(jià)格為每建筑平方米30元，每年供熱的費(fèi)用為100m2×30元/m3=3000元，熱泵采暖的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于市政集中供熱，對(duì)于上班族等非全天采暖需求用戶，通過定時(shí)啟動(dòng)、APP遠(yuǎn)程控制等方案，還可以進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。

空氣源熱泵具有對(duì)環(huán)境友好，安裝場地適應(yīng)性強(qiáng)，安全性好，能源效率高等特點(diǎn)，對(duì)于無集中供熱資源的地區(qū)是首選熱源。

3 不同形式換熱末端采暖方式比較

確定采暖熱源后，換熱末端的選擇也非常關(guān)鍵，不同的換熱末端對(duì)熱源供水溫度要求不同，對(duì)比分析如表2所示。

從表2可以看出，地板輻射供熱對(duì)水溫要求低，從下部供熱與采暖期人體體溫需求相符，符合人體功效學(xué)原理，也符合熱量從地面向上對(duì)流原理，優(yōu)勢比較明顯，人體熱舒適性高。地板輻射供暖、風(fēng)機(jī)盤管供暖、散熱器供暖三種末端，有著不同的導(dǎo)熱方式和節(jié)能熱舒適性，同時(shí)對(duì)室外側(cè)提供的熱水溫度的要求也是不同的，而空氣源熱泵提供的熱水溫度越高，COP值越低，其運(yùn)行費(fèi)用越高。從人體熱舒適性和運(yùn)行成本考慮，應(yīng)優(yōu)選地板輻射供熱形式。

4 采暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性

隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)、雙機(jī)壓縮循環(huán)、補(bǔ)氣增焓技術(shù)等發(fā)展迅速，提升了空調(diào)源熱泵產(chǎn)品的能效，但在低溫環(huán)境下仍有化霜問題，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，空氣源熱泵采暖系統(tǒng)中需配置熱水箱，熱水箱內(nèi)置電加熱管，作為輔助熱源解決空氣源熱泵化霜帶來的制熱量下降問題，以及在極端天氣下熱泵能效下降和建筑物散熱增加帶來的用戶體驗(yàn)問題。

表1 不同熱源運(yùn)行典型數(shù)據(jù)比較

表2 不同換熱末端對(duì)比分析

圖2空氣源系統(tǒng)供暖和制冷雙模式原理圖

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)原理圖如圖1所示，用水作為熱量輸送介質(zhì)，配置熱水箱，采暖采用地板輻射供熱，熱水箱內(nèi)有電加熱管?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)可以滿足輻射地板供熱需求，同時(shí)可以提供生活熱水。

在冬冷夏熱地區(qū)，無論是冬季采暖還是夏季制冷，都存在采暖和制冷裝置只能單季節(jié)運(yùn)行，裝置利用率低的問題。如果利用一套空氣源熱泵系統(tǒng)，冬季空氣源熱泵運(yùn)行供暖模式，夏季運(yùn)行制冷模式，可以大大提高空氣源熱泵的利用率。

在冬冷夏熱地區(qū)，冬季有采暖需求，夏季有制冷需求，空氣源熱泵系統(tǒng)增加必要配置后，有供暖和供冷兩種模式，同時(shí)可以提供生活熱水。室內(nèi)安裝風(fēng)機(jī)盤管，在夏季供冷時(shí)采用風(fēng)機(jī)盤管給房間制冷，冷氣從房間頂部向下對(duì)流，提高了人體舒適度，同時(shí)避免輻射地板制冷帶來的熱量交換不足及冷凝水排放問題，在房屋裝修初期一并安裝，可以較好的解決多種生活需求問題。

空氣源系統(tǒng)供暖和制冷雙模式原理圖如圖2所示，用水作為熱量輸送介質(zhì)，用冷凍液作為冷量輸送介質(zhì)，配置熱水箱和冷液箱，熱水箱內(nèi)有電加熱管，采暖采用地板輻射供熱，制冷采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，利用水閥實(shí)現(xiàn)供熱和供冷模式切換。在冬季供熱時(shí)，閥1、閥2、閥3、閥4打開；閥5、閥6、閥7、閥8關(guān)閉；在夏季供冷時(shí)，閥1、閥2、閥3、閥4關(guān)閉，閥5、閥6、閥7、閥8打開。

熱水箱內(nèi)換熱介質(zhì)為純水，可以有效解決系統(tǒng)結(jié)垢問題；冷液箱內(nèi)換熱介質(zhì)為冷凍液（如水-乙二醇溶液）。熱水箱除了滿足采暖需求外，同時(shí)可以滿足生活熱水需求，生活熱水在供熱和供冷兩種模式下，都可以提供生活熱水。

一套空氣源熱泵機(jī)組同時(shí)解決了冬季采暖和夏季制冷需求，也解決了生活熱水供應(yīng)，空氣源熱泵系統(tǒng)的利用效率大大增加。在夏季供冷模式中，蒸發(fā)側(cè)冷量用于房間制冷，冷凝側(cè)能熱量用于生活熱水，空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行熱效率高于單側(cè)用能，能源利用效率大大提高。在空氣源熱泵系統(tǒng)中采用必要的控制策略，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，如在保證室內(nèi)溫度的前提下，控制空氣源熱泵隨室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度，研究結(jié)果表明該控制策略相較于傳統(tǒng)空氣源熱泵定供水溫度控制策略，采暖季系統(tǒng)可節(jié)能16.7%[8]。

5 結(jié)論

空氣源熱泵作為一種采暖熱源，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于燃?xì)忮仩t、太陽能熱水器、電熱水器以及市政集中供熱。采暖換熱末端采用地板輻射換熱時(shí)人體舒適性最好，對(duì)供熱熱源溫度要求低，采暖運(yùn)行溫度與空氣源熱泵熱水器供熱范圍高度契合。

在采暖選型鎖定空氣源熱泵后，結(jié)合夏季制冷需求，冬季采用熱泵+熱水箱+地板輻射供暖，夏季采用熱泵+冷液箱+風(fēng)機(jī)盤管制冷，結(jié)合房屋裝修一并配置，用一套空氣源熱泵機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)冬季取暖、夏季制冷和熱水供應(yīng)的日常生活需求，對(duì)于家用及類似用途的產(chǎn)品組合選型有一定的參考價(jià)值。