烏魯木齊某大廈電供暖設(shè)計方案對比分析

戴日騰，王紹瑞

（1.新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆建筑設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，冬季供暖需求面積也隨之不斷擴大。傳統(tǒng)的燃煤供暖方式對大氣環(huán)境造成嚴重污染，利用清潔能源、可再生能源替代燃煤供暖是降低碳排放、改善環(huán)境的最好選擇。新疆地區(qū)供電充足，政府在“煤改電”方面給予了強有力的政策支持，給空氣源熱泵的應(yīng)用帶來了契機。但由于空氣源熱泵初始投資較大，許多“煤改電”工程案例都采用初始投資較小的純電暖器供暖。如何因地制宜做到空氣源熱泵機組在嚴寒地區(qū)使用并發(fā)揮其節(jié)能潛力，如何從長遠考慮空氣源熱泵機組是否比電暖器經(jīng)濟適用，是需要解決的問題，文中以烏魯木齊某大廈電供暖設(shè)計方案為例，試做分析。

1 建筑概況

烏魯木齊某大廈是既有公共建筑，位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，所處氣候分區(qū)為嚴寒C區(qū)。大廈底層為商業(yè)，采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，冬季供暖，夏季供冷。本次電供暖改造僅針對該大廈12～15層及22～26層，共9層辦公場所，供暖建筑面積11 188 m2。該電供暖項目提出2種設(shè)計方案：一是冬季空氣源熱泵輔助電加熱系統(tǒng)供暖，夏季空氣源熱泵機組供冷；二是冬季全部改用電暖器供暖，夏季仍用原空調(diào)系統(tǒng)供冷。

改造區(qū)域供暖熱負荷為：12～15層，面積6 267 m2，熱負荷427 kW；22～26層，面積4 921 m2，熱負荷300 kW?？偀嶝摵?27 kW，熱指標(biāo)65 W·m-2。

2 嚴寒地區(qū)空氣源熱泵供暖性能分析

2.1 室外氣象條件

烏魯木齊所處氣候分區(qū)為嚴寒C區(qū)，供暖期為起始年10月14日—次年4月11日（取日平均溫度≤+8℃起止日期）。供暖期總?cè)諗?shù)為180 d，供暖期總小時數(shù)為4 320 h。由《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》［1］可得該地區(qū)逐時氣象參數(shù)，并統(tǒng)計出供暖期內(nèi)室外氣溫分布小時數(shù)（將溫度頻段定為2℃）。供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量見表1。

表1 烏魯木齊供暖期月平均干球溫度、相對濕度、含濕量Tab.1 Monthly average dry bulb temperature，relative humidity and humidity ratio during heating period in Urumqi

烏魯木齊冬季供暖室外計算溫度為-19.7℃，極端最低氣溫-32.8℃［2］，供暖期室外氣溫分布小時數(shù)見表2?？諝庠礋岜迷谑彝鈿鉁馗哂?15.0℃時能夠保持高效運行。烏魯木齊供暖期內(nèi)室外氣溫高于-15.0℃的時數(shù)占比高達90.7%，這為在該地區(qū)空氣源熱泵供暖的推廣與應(yīng)用提供了良好的室外氣溫條件。同時，不容忽視結(jié)除霜給機組運行性能帶來的影響，考慮到新疆嚴寒地區(qū)空氣源熱泵機組低溫結(jié)霜的特點，在下文計算中結(jié)霜除霜損失系數(shù)取0.95［3］。

表2 烏魯木齊供暖期室外氣溫分布小時數(shù)Tab.2 Outdoor temperature distribution hours during heating period in Urumqi

此外，為提高供暖系統(tǒng)安全可靠性、經(jīng)濟性，以及應(yīng)對室外氣溫極低時機組制熱能力衰減幅度較大且很可能出現(xiàn)停機等問題，需對空氣源熱泵機組設(shè)置輔助熱源并按100%建筑設(shè)計熱負荷配置輔助熱源容量。

2.2 空氣源熱泵HSPF值與機組選型

2.2.1 空氣源熱泵HSPF值

空氣源熱泵供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF是解決空氣源熱泵機組穩(wěn)定高效運行的關(guān)鍵問題之一，也是評價空氣源熱泵有關(guān)于某地區(qū)在整個采暖季節(jié)運行時的熱力經(jīng)濟性的重要概念。熱泵的HSPF值不僅與熱泵的性能有關(guān)，還與氣候條件及熱泵供熱負荷系數(shù)有關(guān)［4］。供熱季節(jié)性能系數(shù)計算公式為：

2.2.2 空氣源熱泵機組選型

文中將采用某品牌A、B兩種型號空氣源熱泵機組，具體性能參數(shù)如下。

A型號機組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量102 kW，制熱COP為2.02，壓縮機功率50.5 kW，風(fēng)機功率1.8×2 kW。

B型號機組名義工況：室外氣溫-12℃，出水溫度41℃，制熱量92 kW，制熱COP為2.57，壓縮機功率35.7 kW，風(fēng)機功率1.5×2 kW。

對以上2種型號機組，按建筑設(shè)計熱負荷727 kW的60%、70%、80%配置機組容量。通過計算可得，A型號機組供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPFA（60%）=1.98、HSPFA（70%）=1.98、HSPFA（80%）=2.10，B型號機組供熱季節(jié)性能系數(shù)HSPFB（60%）=2.20、HSPFB（70%）=2.37、HSPFB（80%）=2.46。B型號機組按80%建筑設(shè)計熱負荷配置機組容量時，HSPF最大、平衡點溫度較低、經(jīng)濟性更佳。此處按60%、70%建筑設(shè)計熱負荷配置機組容量的HSPF值計算已省略。表3和表4為按80%建筑設(shè)計熱負荷計算A、B兩種型號空氣源熱泵機組HSPF值計算表。

表3 A型號空氣源熱泵機組HSPF計算表Tab.3 Type A air source heat pump unit HSPFcalculation table

表4 B型號空氣源熱泵機組HSPF計算表Tab.4 Type B air source heat pump unit HSPFcalculation table

圖1清楚地對比出A、B兩種型號空氣源熱泵機組的制熱特性。盡管在室外氣溫低于-20℃的情況下，B型機組制熱量低于A型機組，但考慮到烏魯木齊供暖期內(nèi)-15℃以上的時數(shù)占比大，室外氣溫在-20℃以上時B型機組制熱量要高于A型機組。B型機組名義工況下的制熱COP較高，圖1反映出2種機型的平衡點溫度不同，平衡點溫度較低的B型機組節(jié)能效果更好。因此，方案1將采用B型空氣源熱泵機組。

圖1 A、B兩種型號空氣源熱泵機組供熱量和建筑物熱負荷與室外氣溫的關(guān)系Fig.1 Relationship between outdoor temperature and heating capacity of two types of air source heat pump units（A and B）and heat loads of building

通過對機組進行合理的選型，按80%建筑設(shè)計熱負荷配置機組容量時，B型機組HSPF值能夠達到2.46，在-14℃以上都可100%使用空氣源熱泵機組供暖。說明在嚴寒地區(qū)采用空氣源熱泵供暖具有較好的節(jié)能潛力。同時，在嚴寒地區(qū)為應(yīng)對極端低溫天氣的出現(xiàn)，需要配備電熱水鍋爐輔助加熱系統(tǒng)，這也使得整個供暖系統(tǒng)在安全性方面得到了提高。

3 熱源設(shè)備配置方案

3.1 方案1熱源設(shè)備配置

3.1.1 配置原則。

由上文中空氣源熱泵能機組選型時的分析確定在冬季供暖期室外氣溫-14℃以上全部采用空氣源熱泵供暖，室外氣溫在-14℃及以下則采用空氣源熱泵與電鍋爐輔助供暖模式。

3.1.2 空氣源熱泵配置。

室外氣溫-14℃時，熱負荷為620.4 kW；空氣源熱泵熱水機組7臺，單臺機組制熱量94.28 kW（室外氣溫-14℃）；熱水供回水溫度45℃/40℃；壓縮機輸入功率36.04 kW。

3.1.3 電熱水鍋爐配置。

直熱式電熱水鍋爐1臺，考慮到出現(xiàn)極端寒冷天氣（室外氣溫低于-26℃）時空氣源熱泵機組可能會出現(xiàn)停機的情況，設(shè)置電熱水鍋爐的供熱量為730 kW，供回水溫度60℃/55℃。

3.1.4 附屬設(shè)備配置

冷熱水循環(huán)泵：流量140 m3·h-1，揚程20 m，功率15 kW，2臺（1臺備用）。

膨脹水箱：不銹鋼水箱，有效容積1 m3·h-1，1臺。

軟化水裝置：處理水量1～2 m3·h-1，1臺。

3.1.5 設(shè)備布置

擬將空氣源熱泵機組布置于26層屋面，并在屋面新建輕質(zhì)結(jié)構(gòu)保溫房，以布置電鍋爐、循環(huán)泵、水處理裝置等。

3.1.6 總配電容量

按電鍋爐運行容量為：765 kW+15 kW=780 kW。

3.2 方案2熱源設(shè)備配置

按房間和熱負荷布置電暖器，考慮到充分利用谷電供暖，或辦公室無人期間設(shè)置較低溫度，電暖器間歇運行，各房間電暖器按熱負荷1.3倍配置，總配電容量950 kW。共安裝475組電暖器，每組2 kW。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

4.1 一次能源效率對比

空氣源熱泵機組的制熱量與所消耗的電能不是同等品質(zhì)的能量，因此，需要轉(zhuǎn)換成一次能源效率來評價熱泵的節(jié)能效果［5］。

式中，E：一次能源效率；TQ：供暖期熱泵總供熱量（kW·h）；TP：供暖期熱泵總耗電量（kW·h）；β：發(fā)電廠發(fā)配電效率。

根據(jù)文獻［6］，燃煤發(fā)電的熱效率為38.4%，燃氣發(fā)電的熱效率為50.2%，電網(wǎng)的輸電效率為95%。這樣得出燃煤發(fā)電廠的發(fā)配電效率β1為36.48%，燃氣發(fā)電廠的發(fā)配電效率β2為47.69%。B型號機組供暖季節(jié)性能系數(shù)HSPFB=2.46。因此可得B型號機組使用燃煤發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E1為89.74%，使用燃氣發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E2為117.32%。

電暖器的電熱轉(zhuǎn)換率一般在96%左右。則可得使用燃煤發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E1為35.02%，使用燃氣發(fā)電廠的電能時的一次能源效率E2為45.78%。

通過計算結(jié)果可明顯看出，采用電暖器的一次能源效率遠低于空氣源熱泵系統(tǒng)的一次能源效率。因此，從能源利用的角度來講，采用空氣源熱泵更加節(jié)能。

4.2 經(jīng)濟性分析

采用投資償還年限法進行經(jīng)濟性分析，選擇較佳方案。投資償還年限法是通過比較2個技術(shù)上可行的方案，在多長時間內(nèi)節(jié)能方案可以通過其年運行費用的節(jié)省，將多支出的投資收回來［7］。

投資償還年限法公式如下：

式中，M1：方案1初始投資（萬元）；M2：方案2初始投資（萬元）；N1：方案1運行費用（萬元）；N2：方案2運行費用（萬元）。

4.2.1 初始投資

方案1空氣源熱泵機組與電熱水鍋爐設(shè)備及管路投資費用為237.46萬元，配電系統(tǒng)投資費用為81.00萬元，投資費用合計318.46萬元。

方案2電暖器投資費用為55.20萬元，配電系統(tǒng)投資費用為111.00萬元，投資費用合計166.20萬元。

4.2.2 運行費用

文中2個設(shè)計方案運行費用計算公式［8］：

式中，Nd：電費（萬元）；Nwx：維修費（萬元），取Gy的1%；Nzj：折舊費（萬元），按Gy的4%～5%選取，本文取4%；Nqt：其他費用（萬元），取Gy的2%。

其中，除電費外其他費用一般按工程中固定資產(chǎn)的百分率進行估算［8］。計算公式如下：

式中，n：系數(shù)，取90%；M：初始投資（萬元）。

烏魯木齊地區(qū)分散式電采暖電價為0.22元·（kW·h）-1。從表4可計算出方案1采用B型號空氣源熱泵機組在供暖期總耗電量為877 831.159 3 kW·h。供暖所需電費為877 831.159 3 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=193 122.90元，折合每平米供暖所需電費為17.30元·m-2。

方案2采用電暖器在供暖期總耗電量為2 656 072.286 0 kW·h。供暖所需電費為2 656 072.286 0 kW·h×0.22元·（kW·h）-1=584 335.90元，折合每平米供暖所需電費為52.20元·m-2。

表5 初始投資與運行費用表Tab.5 Initial investment and operating cost table 萬元

空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐系統(tǒng)與純電暖器系統(tǒng)相比，初始投資高，但運行費用低。并且空氣源熱泵設(shè)備壽命期在15～20年，投入運行第6年開始投資即可償還。

通過技術(shù)經(jīng)濟分析對比可知，方案1在一次能源效率和系統(tǒng)經(jīng)濟性兩方面都優(yōu)于方案2，這也說明，在嚴寒地區(qū)采用空氣源熱泵輔助電熱水鍋爐的供暖方式經(jīng)濟適用，與純電暖器供暖相比，節(jié)能優(yōu)勢亦十分明顯。

5 結(jié)語

烏魯木齊供暖期內(nèi)室外氣溫高于-15℃的小時數(shù)占比大，這為發(fā)揮空氣源熱泵供暖節(jié)能的優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。以HSPF值為評價指標(biāo)對空氣源熱泵機組進行選型，并按80%建筑設(shè)計熱負荷配置機組容量，達到了多用熱泵機組、少用輔助電鍋爐的目的。從長遠來看，空氣源熱泵供暖的經(jīng)濟性也優(yōu)于電暖器供暖。這表明，在嚴寒地區(qū)推廣使用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)有著很好的應(yīng)用前景。在全球變暖問題日益嚴峻的背景下，空氣源熱泵供暖具有很大的節(jié)能環(huán)保意義，也是助力我國達成雙碳目標(biāo)的重要途徑之一。