生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵供暖系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

韓霆傲，苑 翔

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

1 概述

根據(jù)研究數(shù)據(jù)[2]，與燃煤電廠相比，燃燒1 t煤所排放的污染物分別是燃煤電廠排放的SO2，NOx和煙塵的5倍，2倍和66倍。隨著冬季取暖過程中大量煤的集中燃燒，會(huì)排放很多污染物到空氣中。尤其是排放PM2.5，冬季燃煤加熱對(duì)大氣環(huán)境PM2.5的產(chǎn)生率高達(dá)48%，年平均質(zhì)量濃度可達(dá)到7.2 μg/m3～9.2 μg/m3[3]。根據(jù)研究統(tǒng)計(jì)[4]，在2019年，我國一整年的能源消耗為48.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，能源總消耗的57.7%是煤炭的消耗，相比2018年減少了1.5%，而能源總消耗的23.4%為水電、天然氣、風(fēng)能和核能等清潔能源的消耗，相比2018年上升了1.3%。雖然清潔能源的使用比之前有一些增加，但是我國能源消耗的主要部分還是化石能源。冬季，北京、天津、河北地區(qū)的大部分氮氧化物(NOx)排放是因?yàn)槿紵剂隙a(chǎn)生的[5]。北部城市通過燃燒煤采暖的面積約占整個(gè)北方地區(qū)總供暖面積的83%，而剩下的17%則為地?zé)崮堋⑻烊粴?、生物質(zhì)能等多種清潔能源[6]。所以說我國北部城市對(duì)清潔能源的推廣和使用是非常需要盡快實(shí)施的。

空氣源熱泵不僅成本不高，還操作方便并且安全可靠。與水源熱泵、地源熱泵比較，空氣源熱泵不需要多余的空間配置專用的機(jī)房，在提供足夠的熱量進(jìn)行供暖時(shí)，還可以起到環(huán)保和節(jié)能的作用。在農(nóng)村，生物質(zhì)能源利用使用起來是最方便的，生物質(zhì)能源的表現(xiàn)形式主要是秸稈、動(dòng)物糞便和林業(yè)薪柴，全國范圍內(nèi)每年的秸稈總量約為8.2億t，這些秸稈中可以利用的資源約為每年6.9億t，其中的3.5億t用來作為生產(chǎn)的材料，另外的3.4億t為可利用的原料來作為能源供給。

2 清潔供暖方式發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)村供暖方式有很多種，例如燃煤鍋爐、燃?xì)獗趻鞝t、生物質(zhì)鍋爐、空氣源熱泵、電暖氣、太陽能等，其中在農(nóng)村使用比較適宜且不會(huì)污染環(huán)境的方式主要是生物質(zhì)鍋爐、空氣源熱泵。一直以來，在中國農(nóng)村地區(qū)使用最多的采暖方式就是燃煤，而這種方式十分污染環(huán)境，所以急需改善；燃?xì)庠谵r(nóng)村運(yùn)輸不方便，且有一定的危險(xiǎn)性，二氧化碳的排放量也很高，所以也不適合大范圍普及；電暖氣對(duì)于電量的要求過高，耗電量大，供暖的效率很低，費(fèi)用巨大，也不合適；太陽能雖然是清潔能源，但是對(duì)于天氣的要求過高，天氣是無法控制的，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定，不能達(dá)到供暖要求。所以本文主要針對(duì)適合在農(nóng)村使用的生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵兩種供暖方式進(jìn)行發(fā)展現(xiàn)狀的論述。

2.1 空氣源熱泵

2.1.1 空氣源熱泵發(fā)展概述

空氣源熱泵技術(shù)早在20世紀(jì)20年代就在國外出現(xiàn)，但是空氣源熱泵空調(diào)在我國的市場(chǎng)狀況在20世紀(jì)80年代以前一直不好。我國早期供暖方面應(yīng)用上基本都是空氣源熱泵機(jī)組。到目前為止，我國仍是世界上空氣源熱泵使用最多的國家之一[7]。

不論是國內(nèi)還是國外，研究人員們都在研究如何在空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)提高系統(tǒng)的效率，而且有了一定的成果，在室外溫度較低而且濕度較高的情況下，蒸發(fā)器很容易結(jié)霜、導(dǎo)致錯(cuò)誤的除霜，運(yùn)行不穩(wěn)定，效率低下，并且限制了這種供暖系統(tǒng)在市場(chǎng)上的發(fā)展和使用。針對(duì)這些技術(shù)問題，我國各個(gè)研究組織也開展了空氣源熱泵的除霜、控制結(jié)霜的重點(diǎn)研究和在低溫環(huán)境下運(yùn)行的空氣源熱泵的研制。

2.1.2 空氣源熱泵國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于整體效益最優(yōu)的鉆井市場(chǎng)管理體制機(jī)制研究 黃偉和，劉海 5 85——以中國石油天然氣集團(tuán)有限公司為例

由于空氣無處不在，具有流動(dòng)性，可以看作是無限熱源，使用方便、成本低廉。因此，空氣源熱泵系統(tǒng)是最容易建造的。但是由于熱源的波動(dòng)性和低溫性，在應(yīng)用中還存在兩個(gè)問題：1)作為空氣源熱泵的熱源和建筑散熱的散熱器，空氣源熱泵的供熱性能與建筑熱負(fù)荷不匹配。此時(shí)，建筑熱負(fù)荷增加，導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)期處于部分負(fù)荷下運(yùn)行，季節(jié)性性能系數(shù)較低[8]。2)環(huán)境溫度過低會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜、壓縮機(jī)壓比升高、排氣溫度升高、制冷劑流量減小，從而降低系統(tǒng)的運(yùn)行性能和可靠性，甚至無法運(yùn)行。

目前，通過改善制冷循環(huán)部件性能、改進(jìn)和優(yōu)化制冷循環(huán)控制、使用新制冷劑、改進(jìn)除霜技術(shù)等措施，提高了系統(tǒng)的低溫制熱性能。國外一些研究人員通過一些輔助加熱的設(shè)備來增加供熱量，以免空氣源熱泵在室外空氣過低的情況下供熱量不夠[9]。

國內(nèi)學(xué)者馬國元研究了在低溫條件下，如何通過向帶輔助進(jìn)汽口的渦旋壓縮機(jī)工作間內(nèi)噴射制冷劑來改善空氣源熱泵的低溫供熱性能[10]；結(jié)果表明，空氣-水熱泵和水-水熱泵通過中間水回路耦合，從系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了單級(jí)和雙級(jí)交替運(yùn)行的條件[11]。當(dāng)室外空氣溫度較低時(shí)，可通過降低空氣/水熱泵壓縮機(jī)出口水溫、排氣壓力和壓縮比等參數(shù)來降低低壓，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。在設(shè)計(jì)方面，部分工程增設(shè)輔助熱源，選用高壓縮比的壓縮機(jī)，提高系統(tǒng)低溫供熱性能[12]。但當(dāng)室外溫度較高時(shí)，由于壓縮過度，系統(tǒng)效率會(huì)大大降低，不利于系統(tǒng)的年運(yùn)行效率。

2.1.3 空氣源熱泵發(fā)展前景

我國的北方城市，所有供暖地區(qū)的70%為集中供暖，剩下的都是分散供暖。各地區(qū)都在開展城市化，但是還是有一些農(nóng)村地區(qū)，主要是周邊比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，不方便進(jìn)行集中供暖，他們還是使用小型燃煤鍋爐采暖，長(zhǎng)期這樣會(huì)給環(huán)境帶來很大很嚴(yán)重的影響。因?yàn)榄h(huán)境問題日益嚴(yán)重、節(jié)約能源行動(dòng)迫在眉睫，但是在城市建設(shè)初期，并沒有非常完善的計(jì)劃來設(shè)計(jì)對(duì)于城市的供熱系統(tǒng)，所以無法很快地完成供暖系統(tǒng)的建設(shè)。根據(jù)我國南北方各城市的實(shí)際問題和各地的政策問題，選用空氣源熱泵作為供暖系統(tǒng)，不僅清潔環(huán)保，而且效率高，適用的范圍廣，市場(chǎng)前景也非常好。山西省也積極響應(yīng)國家的號(hào)召，成為第三個(gè)頒布相應(yīng)政策的地區(qū)，將幫助數(shù)十萬的家庭進(jìn)行“煤改電”，而且給予各家購置空氣源熱泵資金上的支持，每戶改造成空氣源熱泵采暖的家庭最多可以得到2萬元的補(bǔ)助[13]。

2.2 生物質(zhì)鍋爐

2.2.1 生物質(zhì)鍋爐發(fā)展概述

普通的燃煤鍋爐在使用時(shí)的污染十分嚴(yán)重，所以為了解決這個(gè)問題，研究出了生物質(zhì)鍋爐。實(shí)際利用的生物質(zhì)主要是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中除谷物和水果以外的秸稈，以及農(nóng)產(chǎn)品加工過程中剩余的廢料。利用生物質(zhì)燃料的好處是對(duì)空氣的污染比較低，而且是可再生能源。

2.2.2 生物質(zhì)鍋爐國內(nèi)外利用現(xiàn)狀

我國的資源儲(chǔ)備十分豐富，尤其生物質(zhì)能源數(shù)量很大，有很高的利用潛能。我國目前生物質(zhì)資源可轉(zhuǎn)換為能源的潛力約5億t標(biāo)準(zhǔn)煤[14]，今后隨著造林面積的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)換為能源的潛力可達(dá)10億t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，使用生物質(zhì)能源的方法有以下幾點(diǎn)：

1)通過生物質(zhì)進(jìn)行發(fā)電。2020年通過生物質(zhì)的發(fā)電量為510億kW時(shí)，利用生物質(zhì)發(fā)電已經(jīng)很普遍了。2)生物質(zhì)成型燃料。我國2020年使用生物質(zhì)成型燃料的總量約為5 000萬t，這些燃料大多使用在城鎮(zhèn)采暖或者工業(yè)上的供熱等方面。3)生物質(zhì)氣體。2020年，我國的沼氣年產(chǎn)量約為190億m3，大部分都用于各個(gè)家庭，約4 000萬戶。

美國、丹麥、挪威的生物質(zhì)能源的利用情況都非常好，在這三個(gè)國家，將生物質(zhì)作為能源占總能源的比例分別是5%,17%,15%。在美國市場(chǎng)上，有一些使用生物質(zhì)顆粒作為燃料的取暖爐，已經(jīng)在很多家庭使用起來了。與其他國家相比，歐盟在生物質(zhì)能源方面的科技水平非常高，發(fā)展的也很快，現(xiàn)在已經(jīng)十分完善了。歐洲在采暖方面，利用生物質(zhì)能源的采暖量大概為總采暖量的12%[15]。

2.2.3 生物質(zhì)鍋爐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前中國在生物質(zhì)鍋爐方面的科技水平還不夠，還有很多問題需要解決，比如生物質(zhì)鍋爐的排污、燃燒形式問題，還有鍋爐的制作、節(jié)能環(huán)保等問題，只有解決了這些問題，才能更廣泛的使用生物質(zhì)鍋爐，節(jié)約更多的資源[16]。

很多研究機(jī)構(gòu)或者學(xué)生教師等，都對(duì)于生物質(zhì)鍋爐有很多研究。根據(jù)中國的普遍情況，國內(nèi)有一些鍋爐的生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)了一些生物質(zhì)鍋爐，不僅可以滿足很多普通家庭的供暖需求，而且比國外的生物質(zhì)鍋爐還要便宜[17]。

現(xiàn)在在中國所使用的生物質(zhì)鍋爐中，大部分在供暖的時(shí)候都會(huì)遇到很多問題，例如供暖的時(shí)候不穩(wěn)定、供暖的效率低、實(shí)際使用時(shí)操作困難且會(huì)出現(xiàn)故障、燃燒排放的污染物不能滿足相關(guān)管理局的規(guī)定等，由于生產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐的技術(shù)落后，也沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)范，導(dǎo)致我國很多廠家在設(shè)計(jì)制造生物質(zhì)鍋爐時(shí)的技術(shù)比較落后，并不實(shí)用，而且由于環(huán)境質(zhì)量不高，對(duì)于污染物排放的要求也導(dǎo)致了生物質(zhì)鍋爐沒有很好地推廣。為了進(jìn)一步推廣生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展，需要更多的去研究相關(guān)技術(shù)，讓生物質(zhì)鍋爐在市場(chǎng)上大力的推廣起來[18]。

國外生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展大概經(jīng)歷了100 a的時(shí)間，大致可以概括為三個(gè)部分。20世紀(jì)20年代初到50年代是早期階段，很多不可再生的能源十分缺少，所以人們開始找尋其他的可再生能源來代替這些稀少的能源，之后發(fā)現(xiàn)了生物質(zhì)能源的優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)行相關(guān)的研究。20世紀(jì)50年代到90年代是中期階段，這個(gè)時(shí)期因?yàn)槊?、石油這些燃燒會(huì)產(chǎn)生污染物的燃料被大量使用，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，這引起了人們的關(guān)注。因?yàn)樯镔|(zhì)能源對(duì)環(huán)境的破壞小，資源眾多，并且為可再生能源，收集的難度很小，所以在一些地區(qū)非常適合代替煤、石油等不可再生能源。到1990年左右，很多發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家在家庭采暖方面開始大量替換成使用生物質(zhì)能源。第三階段是從20世紀(jì)90年代到現(xiàn)在，歐盟的一些國家已經(jīng)非常注重生物質(zhì)能源的重要性，開始大力研究這方面的相關(guān)內(nèi)容。在美國，大部分家庭都已經(jīng)將傳統(tǒng)的燃煤鍋爐替換成可再生的，對(duì)環(huán)境污染很小的生物質(zhì)鍋爐[19]。

3 生物質(zhì)與空氣源熱泵供熱系統(tǒng)在農(nóng)村的適應(yīng)性概述

在冬天需要采暖的時(shí)候，如果只使用空氣源熱泵，供暖的效率會(huì)非常低，而且運(yùn)行的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)很多問題，這都是因?yàn)槭彝獾目諝鉁囟冗^低導(dǎo)致的，同時(shí)，北方建筑的最大熱負(fù)荷時(shí)間往往較短，因此把生物質(zhì)鍋爐作為輔助熱源來滿足較大負(fù)荷時(shí)供熱要求，可以避免熱泵機(jī)組的選型過大，節(jié)省初投資。

3.1 寒冷環(huán)境對(duì)空氣源熱泵COP值的影響

當(dāng)溫度下降時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力就會(huì)下降，但是設(shè)備的冷凝壓力數(shù)值變化很小，然后就會(huì)導(dǎo)致壓縮比上升，能耗也會(huì)變高，并且還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)量變小，從而影響了循環(huán)的制冷劑量變小。因此，該機(jī)組將減少從外部的吸熱和向室內(nèi)的散熱，并且加熱效果將變差。當(dāng)蒸發(fā)器的結(jié)霜現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，傳熱的效果就會(huì)越來越差，壓縮比也會(huì)升高。之后還會(huì)影響壓縮機(jī)，使之電流變大，就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以進(jìn)行保護(hù)，否則壓縮機(jī)也會(huì)損壞。所以說，空氣源熱泵在室外環(huán)境溫度較低的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，若結(jié)霜嚴(yán)重，COP值就會(huì)降低。室外的溫度越來越低，設(shè)備的結(jié)霜可能就會(huì)很嚴(yán)重，熱效率也會(huì)變差。它甚至根本無法啟動(dòng)，也無法燃燒壓縮機(jī)。因此，怎么讓空氣源熱泵在室外溫度很低的情況下很好地進(jìn)行制熱，并且提高熱效率，變成了一個(gè)很關(guān)鍵也很困難的研究問題。本次實(shí)驗(yàn)擬采用生物質(zhì)鍋爐的煙氣余熱給空氣源熱泵蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口空氣進(jìn)行預(yù)熱，來解決空氣源熱泵在低溫環(huán)境下COP值低下的問題。

3.2 生物質(zhì)與煤的比較

目前，北方農(nóng)村地區(qū)大部分都是使用燃煤鍋爐進(jìn)行供暖，但是燃煤鍋爐的污染問題極為嚴(yán)重，效率問題也迫切需要得到解決。鍋爐的能效狀況日益引起重視，評(píng)價(jià)鍋爐能效的指標(biāo)主要有熱效率、燃料消耗量等。燃燒生物質(zhì)與燃煤的元素分析可以分析出燃燒這兩種燃料排出的煙氣成分比例，低位發(fā)熱量值的對(duì)比可以比較出兩種燃料的燃燒效率。一般通過元素分析確定生物質(zhì)中 C，H，O，N，S這5種可燃成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[20]。表1為生物質(zhì)與煤的元素分析典型數(shù)據(jù)和低位發(fā)熱量值的對(duì)比。

表1 生物質(zhì)與煤的燃料對(duì)比

由表1中數(shù)據(jù)可知，生物質(zhì)的含碳量比煤低了很多，含碳量小于50%，而煤的含碳量接近70%。生物質(zhì)的氮和硫元素含量幾乎沒有，而煤的含氮量接近0.7%，含硫量也接近1.6%，在所有污染物中，氮氧化合物和二氧化硫都是對(duì)環(huán)境造成傷害非常大的污染物，從表1中反映的熱值來看，生物質(zhì)的熱值為16 570 kJ/kg，煤的熱值為23 730 kJ/kg，生物質(zhì)的熱值明顯要低一些，但是相比來說，生物質(zhì)能十分清潔，又是可再生能源，非常適合代替煤。

3.3 生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵聯(lián)合供暖

鍋爐熱損失最大的是排煙熱損失，所以如果可以盡可能的回收煙氣的熱量，便可以很大程度上提高鍋爐的制熱效率。而空氣源熱泵在低溫環(huán)境下的制熱效率不高，且容易結(jié)霜，使設(shè)備壽命縮短，兩種供暖方式都有缺點(diǎn)，可以將鍋爐的排煙熱量利用起來給空氣源熱泵進(jìn)行預(yù)熱，不僅回收了鍋爐的排煙熱損失，又能防止蒸發(fā)器結(jié)霜，還可以提高整體系統(tǒng)的供暖效率，從而使兩種供暖方式的缺點(diǎn)互補(bǔ)。

4 結(jié)語

生物質(zhì)鍋爐與空氣源熱泵都是北方農(nóng)村地區(qū)可用的制熱設(shè)備，但兩個(gè)獨(dú)立設(shè)備都具有明顯缺陷，限制了這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)一步的發(fā)展。獨(dú)立的生物質(zhì)鍋爐制熱系統(tǒng)初成本略高，生物質(zhì)材料不夠充足，獨(dú)立的空氣源熱泵冬季易結(jié)霜、能效比低。而生物質(zhì)能空氣源熱泵耦合熱泵系統(tǒng)有效地克服了生物質(zhì)材料不夠充足的問題，也克服了空氣源熱泵系統(tǒng)在室外環(huán)境溫度較低的情況下效率較低的問題。未來應(yīng)該從節(jié)能、成本、工程化三個(gè)方面考慮發(fā)展生物質(zhì)能空氣源熱泵耦合技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向，更好的推進(jìn)我國的清潔取暖工作。生物質(zhì)能空氣源熱泵耦合熱泵系統(tǒng)研究的成功也會(huì)使得應(yīng)用前景十分廣闊，具有很高的制熱效率并且對(duì)于環(huán)境的保護(hù)也十分有利。