熱泵供熱方式供熱成本及工程造價對比

金 意， 王 欽

(1.青島能源集團有限公司，山東青島266072；2.青島市城市規(guī)劃設計研究院，山東青島266022)

1 概述

為提升大氣環(huán)境質量，2017年國家相關部門聯(lián)合發(fā)布建城[2017]196號文件《關于推進北方供熱地區(qū)城鎮(zhèn)清潔供熱的指導意見》，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，我國北方煤改電工程在經歷探索與發(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)展勢頭迅猛。電供暖前后經歷了兩個階段：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題，但是以消耗更多的電煤為代價，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。

本文對熱泵供熱技術的發(fā)展進行分析，理論計算熱泵供熱方式的供熱成本，結合已建項目對熱泵系統(tǒng)的工程造價進行對比。

2 熱泵供熱技術的發(fā)展

熱泵的低溫熱源包括空氣、污水、淺層土壤等。近年來，我國熱泵方面的技術進步迅速。針對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)頻繁結霜的問題，研究人員通過開發(fā)新的壓縮機技術、變頻技術和新的系統(tǒng)集成，已經將空氣源熱泵的應用范圍擴展到-20 ℃的低溫環(huán)境[1]。對于污水源熱泵，挪威、瑞典等發(fā)達國家多采用污水直接利用方式以避免中間過程的熱量損失[2]，而國內主要是以間接利用為主，并通常采用經過處理的二級污水[3]。隨著防堵塞換熱技術的研發(fā)[4]，污水直接換熱技術也將在國內逐步推廣。對于地埋管地源熱泵，國內對系統(tǒng)匹配、新型制冷劑應用以及變負荷運行進行了研究[5]，并進行了太陽能、水電能、風能等與地埋管地源熱泵聯(lián)合應用的研究[6]。

3 供熱成本及工程造價

3.1 供熱成本

① 鍋爐

燃氣鍋爐通過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]。本文取燃氣鍋爐的平均熱效率為85%，天然氣低熱值取36.0 MJ/m3。

根據工程實測，蓄熱式電鍋爐的熱效率可達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。

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

② 熱泵

熱泵最突出的特點是擁有較高的制熱性能系數，根據技術發(fā)展情況，當前空氣源熱泵的制熱性能系數為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分別取為3.0、3.5、3.5。

參考青島市近期供熱燃料價格、電價，天然氣價格按照4.0 元/m3計算，峰谷電均價取0.66 元/(kW·h)，低谷電價取0.32 元/(kW·h)，生物質燃料價格按照1.0 元/kg計算。根據上述數據，測算供熱量為1 GJ時，不同供熱方式的供熱成本(見表1)，供熱成本僅為熱源設備的電費、燃料費，不包括水泵等其他輔助設備產生的費用。

表1 不同供熱方式的供熱成本

由表1數據可知，在當前能源價格條件下，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，生物質鍋爐的供熱成本最低，主要是得益于生物質燃料低廉的價格。3種熱泵的供熱成本比較接近，主要是由于本質上3種熱泵均為電驅動，不同的是空氣源熱泵的制熱性能系數比較低，導致供熱成本在3種熱泵中居高。若要求燃氣鍋爐、生物質鍋爐達到與空氣源熱泵相同的供熱成本，則要求天然氣價格降至1.87 元/m3，生物質燃料價格需降至0.82 元/kg，但當前條件下很難實現(xiàn)。由此可見，熱泵供熱方式在供熱成本上具有明顯優(yōu)勢。

3.2 工程造價

筆者整理了青島市近10年建成并運行的熱泵供熱項目資料，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工程進行工程造價對比。熱泵供熱項目的基本情況見表2，熱泵供熱項目工程造價見表3。

表2 熱泵供熱項目的基本情況

表3 熱泵供熱項目工程造價

為提高項目的可比性以及相關數據的代表性，選取的工程均采用集中式熱泵機組為單體建筑或小范圍內建筑群供熱，項目建設年份盡可能相近。

① 空氣源熱泵。工程造價包括熱泵機組、循環(huán)泵、管道、末端散熱設備及其相應的安裝費用等。4項空氣源熱泵工程中，k-4項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個項目。公建用戶為幼兒園，熱泵機組安裝在建筑屋頂，室內末端散熱裝置為散熱器。住宅用戶為居住小區(qū)，熱泵機組集中安裝在小區(qū)庭院熱力站內，末端采用地面輻射供暖。

② 污水源熱泵。工程造價包括熱泵機組、循環(huán)泵、管道、末端散熱設備及其相應的安裝費外，還包括修建污水池及重新布置排水管道的材料和安裝費用。2項污水源熱泵供熱項目的供熱對象均為住宅用戶。項目w-1的熱泵機組設置在污水廠內，通過供熱管道為用戶供熱，熱源距熱用戶1.5 km。項目w-2的熱泵機組設置在小區(qū)熱力站，污水由污水廠經管道引入熱力站，熱力站距污水廠2 km。兩個項目的末端散熱裝置以散熱器為主，項目w-2有部分地面輻射供暖用戶。

③ 地埋管地源熱泵。工程造價在熱泵機組、循環(huán)泵、管道、末端設備及其相應的安裝費用的基礎上，增加鉆孔和地埋管等材料和安裝費用。2項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機盤管。

由表3可知，同種類型熱泵供熱項目的單位供熱面積造價接近，由于空氣源熱泵供熱項目k-4的施工條件便利，單位供熱面積造價低于其他空氣源熱泵供熱項目。雖然污水源熱泵供熱項目w-1與w-2的熱泵機組設置位置不同，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非常接近。兩項地埋管地源熱泵供熱項目的單位供熱面積造價基本一致。

空氣源熱泵供熱項目的單位供熱面積造價最低，污水源熱泵與地埋管地源熱泵供熱項目的單位供熱面積造價接近且比空氣源熱泵供熱項目高。分析認為，系統(tǒng)復雜程度是影響工程造價的主要原因。通常，空氣源熱泵系統(tǒng)相對簡單，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復雜的換熱系統(tǒng)，地埋管地源熱泵的地埋管換熱器側比較復雜。

4 結論

在當前能源價格條件下，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接近，空氣源熱泵的單位供熱面積造價最低，污水源熱泵與地埋管地源熱泵的單位供熱面積造價接近且比空氣源熱泵供熱項目高。