北京豬舍空氣源熱泵供暖的可行性

王 華，易 路,2，吳中紅，劉繼軍，王美芝

北京豬舍空氣源熱泵供暖的可行性

王 華1，易 路1,2，吳中紅1，劉繼軍1，王美芝1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，北京 100193；2. 重慶市巫山縣廟宇鎮(zhèn)人民政府，重慶 404100）

隨著各界對環(huán)境保護的重視，豬場迫切需要找到低成本的節(jié)能減排供暖方式。該研究把空氣源熱泵（Air Source Heat Pump, ASHP）供暖系統(tǒng)安裝在豬舍里，通過測量供回水溫度和能效比（Coefficient of Performance, COP），分別比較了ASHP供暖系統(tǒng)與直接電加熱系統(tǒng)的節(jié)能率，以及ASHP供暖系統(tǒng)與直接電加熱的電鍋爐、管道天然氣和液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）的供暖運行費用。結果表明：試驗期間，在北京供暖期室外平均溫度為0.1 ℃時，ASHP系統(tǒng)的COP為2.86。與直接電供暖相比，ASHP供暖系統(tǒng)節(jié)能率為66%。ASHP、電鍋爐、管道天然氣和LNG供暖運行費用單位能源價格分別為0.22、0.62、0.34和0.37元/kW·h。在豬舍供暖中，ASHP系統(tǒng)具有降低能耗與減少CO2排放的潛力，是一種經(jīng)濟、清潔的可替代燃煤的供暖方式。

供暖；COP；豬舍；空氣源熱泵；室內(nèi)溫度；節(jié)能減排

0 引 言

中國政府加大了環(huán)境保護力度，制定了相關法規(guī)，例如“京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案”[1]。在中國北方地區(qū)煤炭被曾廣泛應用于冬季采暖，但出于環(huán)保考慮，自2017年起，中國北方地區(qū)開展實施冬季清潔取暖重點工程，全面禁止煤炭在冬季供暖中的使用。為了降低冬季建筑物能耗指標，減少建筑物運行階段碳排放量，人們不僅在工業(yè)和民用建筑領域，同時還在畜舍中應用了建筑節(jié)能措施。當畜舍建筑保溫隔熱性能達到居住建筑節(jié)能設計標準限定值后，畜舍采用一條新的節(jié)能減排途徑就顯得尤為重要。對于豬舍，特別是保育豬來說，由于保育豬身體虛弱，不能承受冷熱應激，因此冬季豬舍仍需額外增加熱源供暖，清潔可再生能源將是豬舍供暖的最佳選擇。采用熱泵作為熱源系統(tǒng)時，根據(jù)熱源的類型，熱泵系統(tǒng)可劃分為三類：地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)[2]。一些研究人員研究了地源熱泵在畜牧業(yè)中的應用[3-4]，并觀察到一些局限性：第一點是地熱投資費用較高；第二點是由于城市規(guī)劃和環(huán)境保護等原因，當豬場搬遷時，地熱設施難以拆除，不適用于豬場應用。同時，隨著地源熱泵的使用，地下土壤中會出現(xiàn)冷熱堆積現(xiàn)象，從而影響地下土壤溫度場的熱平衡，地下土壤溫度場長期無法得到恢復，最終造成熱泵系統(tǒng)換熱效率大幅下降[5]。此外，設計不當?shù)牡卦礋岜脮黾舆\營成本，通常無法提供預期的減排效果[6]。水源熱泵同時被限制在北京及其周邊地區(qū)使用。因此，地源熱泵與水源熱泵系統(tǒng)不適用于這些地區(qū)的豬舍供暖。

空氣源熱泵是居住建筑供暖的一種選擇，越來越多的地區(qū)，如歐盟、日本和中國將空氣源熱泵作為一種可再生能源系統(tǒng)[7]?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)提供的冷熱負荷大于其消耗的耗電量[8]，為緩解北京及周邊地區(qū)冬季燃煤排放造成的嚴重大氣污染問題，Le等[9]提出了一種基于空氣源熱泵的冬季空間供暖方案。Zhang等[10]對低溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)與其它供熱方式進行了技術經(jīng)濟比較。為提高北方農(nóng)村地區(qū)居民住宅空氣源熱泵系統(tǒng)COP，Nie等[11]研究了空氣源熱泵的不同氫氟碳制冷劑。在溫暖地區(qū)，由于采暖效果好，冬季室外氣溫較高，熱負荷較低，空氣源熱泵運行平穩(wěn)高效[6,12]。當室外空氣溫度持續(xù)幾個月遠低于冰點時，將顯著降低空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱能力[12]。然而，其他研究表明低溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)是最經(jīng)濟的方式[10,13]。空氣源熱泵系統(tǒng)中末端系統(tǒng)形式多為風機盤管或者地板輻射供暖[14]。輻射供暖系統(tǒng)因其節(jié)能潛力和較高的熱舒適性而在建筑中得到廣泛應用[15]?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)末端采用地板輻射供暖的房間熱舒適性最好[16]。地板采暖是一種節(jié)能的顯熱采暖系統(tǒng)，適用于低能耗建筑。為了節(jié)約能源，建筑保溫與利用可再生能源一起成為一種主導策略[17]。到目前為止，還沒有關于空氣源熱泵在畜牧業(yè)中應用的研究。一些地面供暖試驗只關注仔豬的福利[18]。且室內(nèi)溫度一般取地面以上1.5 m處的溫度，不是生豬生活區(qū)的實際溫度。

為了解空氣源熱泵在北京某豬舍的供暖效果及可行性，本文對空氣源熱泵在豬舍地板輻射供暖中的應用效果進行了試驗研究。

1 材料與方法

1.1 試驗房舍的基本情況

空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）供暖系統(tǒng)于2016年11月5日至14日建成，并在2016年11月15日至2017年4月16日期間對其性能進行了監(jiān)測。

在北京市順義區(qū)某保溫豬舍進行了空氣源熱泵應用效果試驗。試驗豬舍呈南北走向，外圍尺寸長42 m，寬9.3 m。南墻、北墻和東墻墻體厚度為0.37 m，西墻墻體厚度為0.24 m，墻體外側均做90 mm擠塑聚苯板（B1級）作為外保溫，檐口高度2.9 m，雙坡屋頂材料為100 mm彩鋼夾芯板。豬舍有2個相通單元，1個單元有7個豬欄（每個豬欄寬3 m、長7.5 m），且每個豬欄安裝長2 m、寬3 m的漏縫地板（條寬80 mm、縫寬20 mm）。南北各有14個單層金屬框外窗（南13個2.00 m× 1.45 m、1個1.15 m × 1.15 m；北14個1.00 m × 0.80 m）；東有1個單層金屬框外窗（1.18 m×1.07 m）；西有1個單層金屬框外窗（0.74 m×1.17 m）。一個雙層金屬框西門（0.90 m× 1.77 m）。豬舍通風方式為自然通風，改造前豬舍的供暖能源為煤。為了評估空氣源熱泵系統(tǒng)在制熱量、節(jié)能減排方面的可行性，分別將兩臺空氣源熱泵命名為ASHP1和ASHP2，對試驗豬舍進行供暖。供暖系統(tǒng)末端形式為地板輻射，飼養(yǎng)方式為地面（半漏縫地板）養(yǎng)殖，空氣源熱泵-地板輻射供暖系統(tǒng)適用于水泥地面豬舍，不適用于全漏縫地板豬舍。地暖管直徑為20 mm的PE-RT管，在豬舍內(nèi)的布置為6進6回。

豬舍的兩個單元共有442頭仔豬，仔豬的日齡為61 d。2017年1月3日至2017年1月20日對豬舍環(huán)境指標進行監(jiān)測，豬舍內(nèi)部環(huán)境測點見圖1、圖2。溫濕度自動記錄儀器型號為Apresys 179A-TH（測量范圍：0～100%和?40～100 ℃，測量誤差：精度±2%和±0.2 ℃，分辨率0.01%RH、0.01 ℃，艾普瑞（上海）精密光電有限公司），二氧化碳自記儀型號為EZY-1S（測量范圍：0～9 800 mg/m3，測量誤差：精度±150 mg/m3，北京天建華儀科技發(fā)展有限公司）。

2017年1月8日，2單元的豬被運出，1單元只飼養(yǎng)了194頭豬。

1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)設置

根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》[19]（GB50736-2012）北京地區(qū)冬季采暖室外計算溫度為?7.6 ℃，在此溫度下，豬舍供暖熱負荷為12.0 kW，舍內(nèi)設計溫度20 ℃，考慮管網(wǎng)輸送效率，取安全系數(shù)為1.3，則熱負荷需要配置15.6 kW。采用低溫空氣源熱泵（WBC-19.5H-A-S（BC-L1））作為豬舍的試驗加熱設備。

北京室外極端最低氣溫可達?15 ℃以下，兩臺空氣源熱泵在干球溫度為?7 ℃時的制熱量為22.4 kW，在干球溫度為?15 ℃時的制熱量為20.2 kW（設備廠參數(shù)）。兩臺空氣源熱泵理論上滿足供熱負荷要求。兩臺空氣源熱泵對蓄熱容量約1 000 L的水箱中的水進行加熱，水箱中的熱水被水泵送至豬舍加熱。當水箱中的水溫低于設定溫度時，空氣源熱泵（一個或兩個）通過ASHP1（空氣源熱泵ASHP1的水泵叫K1）或/和ASHP2（空氣源熱泵ASHP2的水泵叫K2）工作加熱循環(huán)系統(tǒng)中的水，為水箱提供熱水。當水箱中的水溫高于設定溫度時，空氣源熱泵將停止工作，而水箱中的水仍將被水泵（系統(tǒng)泵，K3）送以加熱豬舍。空氣源熱泵系統(tǒng)見圖3。

1.3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)測點及試驗器材

1.3.1 ASHP1、ASHP2和空氣源熱泵總供暖系統(tǒng)

為評價單臺空氣源熱泵和空氣源熱泵總系統(tǒng)（Gross System，GS）的性能，在空氣源熱泵總系統(tǒng)中的供回水管中設置6個溫度測點（T1～T6），以測量供回水溫度。水溫由Pt100溫度傳感器（KZW/P-231，測量范圍0～60 ℃，精度0.15 ℃，允差值±1.5 ℃，北京昆侖中大傳感器技術有限公司）監(jiān)測。設置三個循環(huán)水流量測點，分別用三個流量計L1、L2及L3測量ASHP1、ASHP2和GS的水流量。L1、L2流量計型號為DMF-1-5-A科氏力質量流量計(測量范圍：0～100 L/min，北京首科實華自動化設備有限公司)，L3流量計型號為DMF-1-5-B科氏力質量流量計(測量范圍：0～150 L/min，北京首科實華自動化設備有限公司)。所有水溫和水流量數(shù)據(jù)均由PLC系統(tǒng)顯示和記錄。三臺電能記錄儀（RN1-DN，精度電流0.5級，測量范圍AC220 V、AC380 V，分辨率0.01 kW·h，工作溫濕度?10～50 ℃、≤93%RH，上海瑞昕科技有限公司）分別監(jiān)測ASHP1、ASHP2和GS的用電量，其儀器為電流表1（Ammeter1）、電流表2（Ammeter2）、總電流表（General ammeter）。試驗系統(tǒng)圖與應測點位置見圖4。

1.3.2 空氣源熱泵同性能指標

每隔1 min記錄ASHP1、ASHP2和GS的性能指標，包括耗電量、回水流量、供水和回水溫度。每隔5 min記錄一次室外溫度和相對濕度。從數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)中記錄了三臺不同水泵的供水和回水溫度、三臺不同水泵的水流量、單個空氣源熱泵和GS的用電量。

1.4 空氣源熱泵COP計算方法

采用能效比（Coefficient of Performance, COP）對ASHP和GS的性能進行了測試：

式中是單位時間內(nèi)的名義制熱量，kW，表示單位時間內(nèi)空調(diào)器所消耗的功率，kW。

1.5 空氣源熱泵與電鍋爐供暖的節(jié)能減排比較

直接電鍋爐供熱是替代燃煤供暖的另一種供熱方式。直接電鍋爐的效率通常大于95%[20]。假設豬舍采用直接電鍋爐加熱，常規(guī)電鍋爐的熱效率為100%，直接電鍋爐供暖的電能消耗將等于不計量系統(tǒng)水泵(K3)的GS供熱量?？蓽y量ASHP供暖系統(tǒng)的實際電能消耗。針對各種熱水系統(tǒng)需要系統(tǒng)循環(huán)水的特點，可以比較了無系統(tǒng)水泵時，GS與直接電鍋爐的電能消耗。因此，與直接電鍋爐相比，ASHP的節(jié)能率可由式（2）計算得出。

節(jié)能率=(EB?GS)/EB（2）

式中EB為直接電鍋爐加熱的用電量，kW·h；GS為無系統(tǒng)泵GS的用電量，kW·h。

華北地區(qū)電網(wǎng)二氧化碳排放因子，每1 kW·h單位用電量產(chǎn)生0.547 kg二氧化碳排放量[21]。

與直接電鍋爐相比，不帶系統(tǒng)水泵的GS的CO2減排量（kg）可用公式（3）計算。

減排量=(EB?GS)×0.547 （3）

式中EB和GS的含義與式（2）相同，減排率與節(jié)能率相同。

1.6 不同能源供暖運行費用分析

北京地區(qū)新建養(yǎng)豬場和既有養(yǎng)豬場冬季供暖主要采用電、液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）或管道天然氣作為能源供應主體。其中供熱系統(tǒng)形式分別為空氣源熱泵系統(tǒng)，電鍋爐系統(tǒng)，液化天然氣LNG和管道天然氣系統(tǒng)。供暖能源的選擇應根據(jù)豬場所在區(qū)域的政策、可利用能源種類、能源價格、末端供暖方式等經(jīng)過經(jīng)濟技術比較確定。因設備初期投資不方便估算，本文不進行設備固定資產(chǎn)投資的比較。本文主要分析采用不同供熱系統(tǒng)形式冬季供暖時的運行費用，為方便比較，將采用電鍋爐、液化天然氣LNG和管道天然氣按照使用的能源價格折算為同一能源的單位價格，即折算為“元/kW·h”。液化天然氣LNG[22]和管道天然氣[23]使用的能源熱值分別按照31.4和39.6 MJ/kg（6個LNG實例實測值的平均）。北京地區(qū)豬場峰谷電價日平均值為0.62元/kW·h[24]。北京地區(qū)液化天然氣LNG和管道天然氣價格分別按照4.1元/kg（估計值，隨市場起伏不定）和3.0元/m3（供暖天然氣價格2.54 元/m3，配氣價格0.46元/m3）[25]?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)耗電量根據(jù)公式（1）進行計算。豬舍末端供暖方式不同，供暖系統(tǒng)的熱效率也不同，本文不討論豬舍末端供暖方式，統(tǒng)一假定電鍋爐供暖系統(tǒng)、管道天然氣和液化天然氣LNG供暖的熱效率均為100%。

1.7 不確定性分析

試驗不確定度分析是評價試驗測量和結果的關鍵[26]?；诙鄠€自變量計算結果時產(chǎn)生的試驗不確定性(W)：

式中結果是自變量1，2，..，x的給定函數(shù)，1，2，….，W是自變量中的不確定性。

1.8 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用ANOVA統(tǒng)計分析系統(tǒng)的線性回歸分析(SPSS 21, Excel 2010)。結果以平均值±均值標準差表示，<0.05 為差異顯著性判斷標準。

2 結果和分析

2.1 室內(nèi)外溫度、相對濕度和二氧化碳濃度

文獻[27]分析了2017年1月3日至2017年1月20日空氣源熱泵系統(tǒng)供暖期間室內(nèi)環(huán)境指標和空氣源熱泵地面供暖時豬舍內(nèi)不同高度的溫度分布規(guī)律。未對舍內(nèi)二氧化碳濃度進行詳細分析。

圖5可以看出，2017年1月3日至2017年1月20日期間，室外、單元一和單元二CO2平均濃度分別為(785±253)、(4 239±2591)和(6 503±991)mg/m3。豬舍內(nèi)部CO2濃度最高值出現(xiàn)于2017年1月7日數(shù)值為13 075 mg/m3，1月7日受到暴雪影響舍內(nèi)氣窗關閉。供暖系統(tǒng)形式主要影響舍內(nèi)垂直方向溫度分布，合理的末端系統(tǒng)形式有利于緩解舍內(nèi)垂直方向溫度分層現(xiàn)象。精準調(diào)控動物活動區(qū)微環(huán)境，弱化舍內(nèi)背景空間負荷的供暖系統(tǒng)形式，有利于畜舍節(jié)能減排。

通過對豬舍內(nèi)外環(huán)境指標分析表明，該供暖方式基本能夠滿足仔豬對溫度、空氣質量的要求。北京市采用空氣源熱泵地面地板輻射系統(tǒng)供暖基本可行。

2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)供回水溫度

2016年12月20日至2017年4月16日（每10 min一次數(shù)據(jù)），供熱系統(tǒng)設定溫度被設定和更改14次，溫度設定從最低33 ℃到最高45 ℃。不同空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供回水溫度如圖6所示。

圖6結果表明，試驗期間GS的平均供水溫度為(37.6±2.4) ℃，平均回水溫度為(34.9±2.2) ℃。ASHP2的平均供水溫度為(38.3±7.1) ℃，平均回水溫度為(31.0±9.0) ℃。

2.3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能指標

2.3.1 空氣源熱泵的運行

2016年12月19日至2017年3月30日，單個空氣源熱泵平均每天在各個時段1 h內(nèi)的平均運行時間（102 d中每分鐘的數(shù)據(jù)），以及每天ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)的運行時間之和如圖7所示。

由圖7可以看出，在24 h循環(huán)中，有16 h的ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)運行時間總和超過60 min（61.1～66.7 min）。ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)的運行時間之和在每日基礎上少于60 min（46.7～58.7 min）的只有8 h。因此，每天約8 h只需一臺空氣源熱泵就可為豬舍供暖，一天約16 h需兩臺空氣源熱泵。在整個供暖期間，供暖系統(tǒng)主要由ASHP1工作。

2.3.2 不確定性分析

試驗得到供水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度、室外溫度、用電量、水流量和COP的不確定度為0.10%～2.41%。與其他試驗結果比較，不確定度范圍為0.5%～12.2%，均在可接受范圍內(nèi)[28]。

2.3.3 空氣源熱泵系統(tǒng)的COP分析

2016年12月19日至2017年4月3日，記錄ASHP1、ASHP2和GS每分鐘的用電量、供水溫度、回水溫度和流量。ASHP1、ASHP2、GS原始數(shù)據(jù)量與有效數(shù)據(jù)量水溫度、流量和室外溫度組成。如表1所示。

表1 用于分析的數(shù)據(jù)量

將表1中按每1或5 min計算的有效數(shù)據(jù)轉換為按每小時計算的數(shù)據(jù)。由于每種水暖系統(tǒng)都會有一臺供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵（系統(tǒng)泵），因此在計算無系統(tǒng)水泵的GS的COP時，從整個供暖系統(tǒng)的耗電量中減去供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電量（圖4中的K3）。由于ASHP1溫度測量系統(tǒng)存在一些問題，本文沒有給出ASHP1的COP。無系統(tǒng)水泵GS的COP與室外溫度的關系（每小時數(shù)據(jù)）和ASHP2的COP與室外溫度的關系（每小時數(shù)據(jù)）如圖8所示。

圖8顯示，無水泵GS的COP和ASHP2的COP均隨室外溫度升高而增加。在試驗期間，室外最低溫度為?14.5 ℃，此時無水泵GS和ASHP2的COP分別為（3.04±1.05）和（3.40±0.91）。根據(jù)圖8中的回歸公式，可以計算出無泵GS的COP和不同室外溫度下ASHP2的COP。北京地區(qū)冬季采暖期室外平均溫度為0.1 ℃，無水泵GS的COP為2.86，ASHP2的COP為3.21。

室外冷空氣在空氣源熱泵蒸發(fā)器翅片表面結霜將影響空氣源熱泵系統(tǒng)的換熱效率。當室外空氣相對濕度為27%～37%時[13]，蒸發(fā)器表面冷空氣露點溫度較低，不宜結霜，同時伴隨著空氣源熱泵系統(tǒng)應用技術的發(fā)展，蒸發(fā)器表面除霜的相關設備得到相應研發(fā)，為蒸發(fā)器表面結霜問題提供了技術支撐。研究表明，當室外空氣溫度從?4.0 ℃上升到10.0 ℃時，采用新型輻射對流供暖終端并與ASHP系統(tǒng)耦合時，ASHP的COP呈線性上升，上升率為0.04%[29]。根據(jù)文獻[30]表明，當室外溫度為0 ℃時，空氣源熱泵的COP約為2.4；當室外溫度為?10 ℃，供水溫度為45 ℃時，空氣源熱泵的COP約為1.92。北京地區(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)為豬舍供暖具有可行性。

2.4 空氣源熱泵的節(jié)能減排量

根據(jù)無水泵GS的耗電量、直接電鍋爐的耗電量計算系統(tǒng)節(jié)能率。無水泵GS的平均耗電量為（4.35±2.02）kW·h（實測），無水泵GS的平均供熱量為（11.79±3.33）kW（實測），直接電鍋爐的耗電量為（11.79±3.33）kW·h（理論計算）。與直接電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，GS無水泵供熱系統(tǒng)平均每小時節(jié)能64%±10%。

2016年12月20日至2017年4月3日，根據(jù)無水泵GS的有效用電量數(shù)據(jù)和有效供熱量數(shù)據(jù)，無水泵GS的總用電量為7 997.7 kW·h，電鍋爐供熱系統(tǒng)理論計算總耗電量為23 785.1 kW·h。與直接電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率約為66%。根據(jù)有效數(shù)據(jù)，試驗期內(nèi)CO2減排量為8 636 kg。

2.5 不同能源運行費用分析

在禁止燃煤供暖形勢下，北京地區(qū)豬場采用空氣源熱泵、電鍋爐、管道天然氣和液化天然氣LNG供暖的運行費用見表2。

表2 北京地區(qū)豬場不同能源供暖時的單位能源價格

注：空氣源熱泵北京地區(qū)供暖期平均COP=2.86。

Note: The average COP of air source heat pump during heating period in Beijing area is 2.86.

由表2可知，在北京地區(qū)及現(xiàn)有能源價格體系情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)的供暖運行費用最低（0.22元/kW·h），電鍋爐的供暖費用最高（0.62元/kW·h），液化天然氣LNG與管道天然氣供暖的運行費用分別為0.37和0.34元/kW·h），但從運行費用經(jīng)濟性比較，空氣源熱泵供暖為首選供暖方式。但是，空氣源熱泵供暖時，豬舍末端系統(tǒng)形式一般匹配地板輻射供暖，而該種豬舍末端供暖方式和地面養(yǎng)豬相對應，即豬舍內(nèi)采用部分漏縫地板部分水泥實體地面養(yǎng)殖時，供暖系統(tǒng)末端系統(tǒng)形式可以配置地板輻射供暖，熱源選擇空氣源熱泵。對于采用全漏縫地板的豬舍，一般豬舍末端供暖方式采用熱風供暖，熱風供暖一般不適宜采用空氣源熱泵熱水地面供暖，豬舍內(nèi)采用風機盤管供暖時，也可以選擇空氣源熱泵供暖。電鍋爐、管道天然氣和液化天然氣LNG都可以用于全漏縫地板豬舍熱風或熱水供暖。

3 結 論

1）北京地區(qū)供暖期室外平均溫度為0.1 ℃時，空氣源熱泵系統(tǒng)能效比為2.86。

2）空氣源熱泵系統(tǒng)與電鍋爐供暖系統(tǒng)相比，空氣源熱泵的節(jié)能率約為66%，試驗豬舍試驗期間CO2減排量為8 636 kg。

3）在北京地區(qū)及現(xiàn)有能源價格體系情況下，空氣源熱泵系統(tǒng)的供暖運行費用最低（0.22 元/kW·h），電鍋爐的供暖費用最高（0.62 元/kW·h），液化天然氣與管道天然氣供暖的運行費用分別為0.37和0.34元/kW·h。

[1] MEE C. Air pollution prevention and control program in Beijing, Tianjin, Hebei and its surrounding areas from 2017 to 2018[J/OL]. [2021-05-15] http://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/ bwj/201708/W020170824378273815892.pdf, 2017.

[2] Deng J, Wei Q, Liang M, et al. Does heat pumps perform energy efficiently as we expected: Field tests and evaluations on various kinds of heat pump systems for space heating[J]. Energy and Buildings, 2019, 182:172-186.

[3] Islam M M, Mun H-S, Bostami A B M R ,et al. Evaluation of a ground source geothermal heat pump to save energy and reduce CO2and noxious gas emissions in a pig house[J]. Energy and Buildings, 2016, 111: 446-454.

[4] Borge-Diez D, Colmenar-Santos A, Pérez-Molina C, et al. Geothermal source heat pumps under energy services companies finance scheme to increase energy efficiency and production in stockbreeding facilities[J]. Energy, 2015, 88：821-836.

[5] Capozza A, Zarrella A, De Carli M. Long-term analysis of two GSHP systems using validated numerical models and proposals to optimize the operating parameters[J]. Energy and Buildings, 2015, 93: 50-64.

[6] Rui Y, Garber D, Yin M. Modelling ground source heat pump system by an integrated simulation programme[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 134: 450-459.

[7] Wang R Z, Jin Z Q, Zhai X Q, et al. Investigation of annual energy performance of a VWV air source heat pump system[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 85: 383-394.

[8] Qunli Z, Lin Z, Yinlong L. Suitability analysis of the heating method of low temperature air source heat pump applied in North China[J]. Energy Procedia, 2017, 105: 2569-2574.

[9] Le H, Li H, Jiang Y.Using air source heat pump air heater(ASHP-AH) for rural space heating and power peak load shifting[J]. Energy Procedia, 2017, 122: 631-636.

[10] Zhang Q, Zhang L, Nie J, et al. Techno-economic analysis of air source heat pump applied for space heating in northern China[J]. Applied Energy, 2017, 207: 533-542.

[11] Nie J, Li Z, Kong X, et al. Analysis and comparison study on different HFC refrigerants for space heating air source heat pump in rural residential buildings of North China[J]. Procedia Engineering, 2017, 205: 1201-1206.

[12] Amirirad A, Kumar R, Fung A S, et al. Experimental and simulation studies on air source heat pump water heater for year-round applications in Canada[J]. Energy and Buildings, 2018, 165:141-149.

[13] Zhang Y, Ma Q, Li B, et al. Application of an air source heat pump (ASHP) for heating in Harbin, the coldest provincial capital of China[J]. Energy and Buildings, 2017, 138: 96-103.

[14] Zhang L, Dong J, Jiang Y, et al. An experimental study on frosting and defrosting performances of a novel air source heat pump unit with a radiant-convective heating terminal[J]. Energy and Buildings, 2018, 163: 10-21.

[15] Lin B, Wang Z, Sun H, et al. Evaluation and comparison of thermal comfort of convective and radiant heating terminals in office buildings[J]. Building and Environment, 2016, 106: 91-102.

[16] Hu B, Wang R Z, Xiao B, et al. Performance evaluation of different heating terminals used in air source heat pump system[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 98: 274-282.

[17] Cvetkovi? D, Boji? M. Optimization of thermal insulation of a house heated by using radiant panels[J]. Energy and Buildings, 2014, 85: 329-336.

[18] Malmkvist J, Pedersen L J, Damgaard B M, et al. Does floor heating around parturition affect the vitality of piglets born to loose housed sows?[J]. Applied Animal Behaviour Science, 2006, 99: (1/2), 88-105.

[19] 中國國家標準委員會. 民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范：GB50736-2012[S]. 北京：中國標準化出版社，2012.

[20] Latorre-Biel J I, Jimémez E, García J L, et al. Replacement of electric resistive space heating by an air-source heat pump in a residential application. Environmental amortization[J]. Building and Environment, 2018, 141: 193-205.

[21] 馬翠梅，王田. 國家溫室氣體清單時間序列一致性和2005年清單重算研究[J]. 氣候變化研究進展，2019，15(6)：641-648.

[22] 國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標準化管理委員會.天然氣：GB17820-2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[23] 國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標準化管理委員會. 液化天然氣的一般特性：GB/T 19204-2020 [S]．北京：中國標準出版社，2020.

[24] 北京市發(fā)展和改革委員會. 電價.[EB/OL]. [2021-01-01]. http://fgw.beijing.gov.cn/bmcx/djcx/jzldj/202012/ P020201231616455448435.pdf.

[25] 北京市發(fā)展和改革委員會. 燃氣價格.[EB/OL]. (2019-11-15). [2021-05-15] http://fgw.beijing.gov.cn/bmcx/djcx/jzldj/202003/ t20200331_1752797.htm.

[26] Hepbasli A, Akdemir O. Energy and exergy analysis of a ground source (geothermal) heat pump system[J]. Energy Conversion and Management, 2004, 45(5): 737-753.

[27] 王美芝，易路，劉繼軍，等. 空氣源熱泵用作北京保育豬舍地暖的供暖效果研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(4)：203-210.

Wang Meizhi, Yi Lu, Liu Jijun, et al. Study on heating effect of air source heat pump for floor heating of nursery pig house in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 203-210. (in Chinese with English abstract)

[28] Shen J, Guo T, Tian Y, et al. Design and experimental study of an air source heat pump for drying with dual modes of single stage and cascade cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 129: 280-289.

[29] Dong J, Zhang L, Deng S, et al.An experimental study on a novel radiant-convective heating system based on air source heat pump[J]. Energy and Buildings, 2018, 158: 812-821.

[30] Li Y, Li W, Liu Z, et al. Theoretical and numerical study on performance of the air-source heat pump system in Tibet[J]. Renewable Energy, 2017, 114: 489-501.

Feasibility of the air source heat pump system for heating swine houses in Beijing

Wang Hua1, Yi Lu1,2, Wu Zhonghong1, Liu Jijun1, Wang Meizhi1※

(1,,100193,; 2,,404100,)

Coal has been widely used in many aspects in northern China. Nevertheless, urgent environmental protection has been required to prohibit the coal combustion for the heating source in winter since 2017. The application of clean energy has been the key issue need to be solved in recent years, particularly on the energy consumption of buildings. Air source heat pump (ASHP) as a piece of clean energy equipment has widely been used in civil and industrial buildings. But there is no application of ASHP in swine houses. It is an urgent need to conserve energy and reduce pollution emissions. In this study, an investigation of ASHP was carried out in the swine houses of Shunyi District, Beijing. The experimental size of the swine houses was 42 m long and 9.3 m wide. The ASHP heating system was installed in a swine barn. There were 6 pipes to supply water, and other 6 pipes to return water for the heating floor. The monitoring period was selected for the equipment performance: November 20th, 2016-April 16th, 2017. The first stage (January 3rd, 2017-January 8th, 2017): swine houses with pig test (two units). The second stage (January 9th, 2017-January 20th, 2017): swine houses with no pig test. The energy-saving rate of ASHP and direct electric heating systems were compared to measure the Coefficient of Performance (COP). ASHP, direct electric heating, Liquefied Natural Gas (LNG), and natural gas heating were compared by the unit energy operating price. The average supply water and return water temperature of ASHP was also measured. The results showed that the COP of the ASHP system was 2.86 when the average outdoor temperature was 0.1 ℃ during the heating period. The energy-saving rate of ASHP was 66%, compared with direct electric heating. The unit energy operating prices of ASHP, LNG, Natural Gas, direct electric, and ASHP were 0.62, 0.34, 0.37, and 0.64 yuan/ kW·h, respectively. The CO2emission was reduced by 8 636 kg during the experiment. The average supply water temperature and return water temperature of ASHP were (37.6±2.4) and (34.9±2.2) ℃, respectively. ASHP heating system presented the potential to reduce energy consumption and CO2emission, serving as an economical and clean alternative energy source for pig barns heating. Consequently, the air source heat pump system is suitable for swine houses with solid floors, but not with fully slatted floors.

heating; coefficient of performance; pig house; air source heat pump; indoor temperature; energy saving and emission reduction

王華，易路，吳中紅，等. 北京豬舍空氣源熱泵供暖的可行性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(19)：236-242.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027 http://www.tcsae.org

Wang Hua, Yi Lu, Wu Zhonghong, et al. Feasibility of the air source heat pump system for heating swine houses in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 236-242. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027 http://www.tcsae.org

2021-06-09

2021-09-15

國家重點研發(fā)項目-特色地方豬高效安全養(yǎng)殖技術應用與示范（2018YFD0501200）；生豬產(chǎn)業(yè)技術體系北京市創(chuàng)新團隊項目（BAIC02-2021）

王華，博士生，研究方向為畜牧工程與畜牧環(huán)境。Email：wanghuatzlm@163.com

王美芝，副教授，博士生導師，研究方向為畜牧工程與畜牧環(huán)境。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027

S817.3

A

1002-6819(2021)-19-0236-07