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本文以邯鄲地區(qū)為例，分析氣候條件對空氣源熱泵使用的影響，對比電采暖和燃氣供暖的使用費用。
1 電采暖的三種形式
電采暖的形式有三種：1)電熱膜供暖是供暖方式之一，它是一種以電力為能源，通過紅外線輻射進行傳熱的新型供暖方式。2)電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，它是以電力為能源并將其轉化成為熱能，從而經(jīng)過鍋爐轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體的鍋爐設備。3)空氣源熱泵主要由電動機、壓縮機、工質冷凝換熱器和工質蒸發(fā)換熱器組成。電動機驅動壓縮機，對工質進行壓縮，使之進行冷凝、蒸發(fā)循環(huán)。
2 燃氣采暖熱水爐
燃氣采暖熱水爐是具有采暖功能和熱水功能的一種燃氣器具。采暖水通過熱交換器吸收燃氣燃燒后釋放出的熱量，是一次換熱。采暖水通過換熱器加熱生活熱水，生活熱水不直接與熱煙氣接觸，是二次換熱。燃燒用的空氣取自室外，燃燒后的煙氣排至室外。采暖水在內(nèi)置循環(huán)泵的動力下從出水口流出經(jīng)室內(nèi)的暖氣片或地暖管與室內(nèi)的冷空氣換熱后經(jīng)回水口流回熱交換器，與煙氣換熱。
3 四種形式運行費用對比
3.1 供暖費用的比較
設供暖房屋面積為120 m2，采暖熱指標為40 W/m2，年采暖時間為120天，每天采暖時間為24 h。運行費用計算方法如下：
(1)供熱能力計算：一個采暖季所需熱量為：Qh=q×S×T×t×/1000=40 ×120×120×24/1000=13824kWh=49766MJ。
式中：Q—供熱能力kW；q—采暖熱指標W/(m2·h)；S—采暖房面積m2；Qh —采暖季所需熱量kWh ；T—天數(shù)，天；t—每天小時數(shù)，h/天。
這間房屋采暖需要供熱能力為4.8kW。
(2)采暖費用計算：設天然氣高位熱值為36MJ/m3。天然氣價格按2016年1月1日起邯鄲市主城區(qū)居民生活管道用氣實行階梯價格，用電電壓等級不滿1千伏的用戶，第一檔峰段電價為每千瓦時0.55元、谷段電價為0.3元，電價取平均值0.42元/kWh。設空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP為3.0，燃氣采暖熱水爐熱效率90%，電熱膜熱效率100%，電鍋爐熱效率100%。四種供熱方式的年采暖費用見表1。表1數(shù)據(jù)表明，電鍋爐和發(fā)熱電纜/電熱膜費用最高，不具備競爭力。
眾所周知，電價一直是國家補貼，實際的電價應該是多少呢？從天然氣直接轉換為電能，不考慮其他任何成本，蒸汽輪機燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率較高，可達到50 %，所以1 m3氣可發(fā)5度電，也就是0.2 m3氣發(fā)一度電。以山西太原為例，當前煤炭發(fā)電成本為0.3元/kWh左右，而國內(nèi)天然氣發(fā)電成本隨機組不同而異，約為0.7～1.0 元/kWh，是煤炭發(fā)電成本的2～3倍。
3.2 其他因素對供暖費用的影響
(1) 補貼力度：在2014上海分布式能源國際論壇上，有專家透露，上海、長沙兩地都已推出針對天然氣分布式能源的補貼政策，而北京市的補貼標準也將出爐，專家認為補貼力度將達到0.2元/kWh。以0.8元/kWh計算，一個采暖季空氣源熱泵的費用是3733元。3733元是按空氣源熱泵采暖季的綜合能效比COP為3計算的。
(2) 氣候條件：空氣熱能作為空氣源熱泵的主要熱源，氣溫高低直接影響到空氣源熱泵機組的空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP值；當氣溫接近零度時，空氣源熱泵機組蒸發(fā)器容易結霜，智能除霜會增加機組能耗，也會降低空氣源熱泵機組的空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP值。當空氣溫度低于零度時，機組效率下降，并且當環(huán)境溫度低于-5℃時，機組效率極低，甚至無法開機冬季室外機組需要頻繁停機除霜，其結果是除霜損失約占熱泵總能耗的10.2 %，如普通3P機就要增加300瓦電能浪費。有些地區(qū)因為空氣濕度大，一般當環(huán)境溫度5℃時外機就開始結霜。使用5年的老機組8 ℃左右就開始結霜。輔助加熱時空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP要小于1。
邯鄲屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，日照充足，雨熱同期，干冷同季，隨著四季的明顯交替，依次呈現(xiàn)春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫14℃，最冷月份（一月）平均氣溫-2.5 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，最熱月份（七月）平均氣溫27℃，極端最高氣溫42.5℃，全年無霜期200天，年日照2557小時。根據(jù)邯鄲采暖季的氣溫圖表統(tǒng)計（版面問題，省略部分圖表）可知：120天采暖季內(nèi)最高氣溫低于5度的天數(shù)33天，最低氣溫低于0度的有86天，超過2/3的天數(shù)內(nèi)空氣源熱泵運行在除霜狀態(tài)。
根據(jù)以恩施地區(qū)為例空氣源熱泵在冬季結霜工況下供熱性能研究數(shù)據(jù)，可類推邯鄲地區(qū)一個采暖季將會有40%的時間在制熱性能系數(shù)COP值小于1的狀態(tài)運行。電價按0.42元/kWh，按40 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于1的狀態(tài)運行，60 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于3的狀態(tài)運行, 一個冬季采暖費用要3476元。電價按0.8元/kWh，按40%的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于1的狀態(tài)運行，60 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于3的狀態(tài)運行，一個冬季采暖費用要6620元。空氣源熱泵的省錢只是用戶的支出省了，而這是建立在國家補助的基礎上，用戶量越多國家補助的就越多。
4 結語
空氣源熱泵的理想高效工作區(qū)與采暖用戶的大量供熱需求區(qū)從時間看是偏離的。簡單地說，就是一年之中用戶在三九天比剛入冬時每天需要的熱量更大，用戶在夜里10點比下午兩點更迫切需要供熱。這些時間段反而是空氣源熱泵能效相對比較差的時候。我們需要去考慮，在不利工況時間段內(nèi)，用戶最基本的供暖效果。所以，空氣源熱泵并不能真正取代壁掛爐在分戶采暖應用中的地位。但空氣源熱泵在特定的工況及時間內(nèi)的制熱性能系數(shù)COP還是非常高的，可以作為壁掛爐供暖的有效補充。所以采用混合能源集成系統(tǒng)是保證用戶生活需求及舒適度的同時，最大化地降低整體運行能耗的更好選擇。目前在全球一些重要分戶供暖市場已經(jīng)得到大量應用。
（本文發(fā)表于《供熱制冷》雜志9月刊技術交流欄目）作者：1、蔡志鵬 2、 何貴龍（1、東莞新奧燃氣有限公司 2、中國市政工程華北設計研究總院）
1 電采暖的三種形式
電采暖的形式有三種：1)電熱膜供暖是供暖方式之一，它是一種以電力為能源，通過紅外線輻射進行傳熱的新型供暖方式。2)電鍋爐也稱電加熱鍋爐、電熱鍋爐，它是以電力為能源并將其轉化成為熱能，從而經(jīng)過鍋爐轉換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體的鍋爐設備。3)空氣源熱泵主要由電動機、壓縮機、工質冷凝換熱器和工質蒸發(fā)換熱器組成。電動機驅動壓縮機，對工質進行壓縮，使之進行冷凝、蒸發(fā)循環(huán)。
2 燃氣采暖熱水爐
燃氣采暖熱水爐是具有采暖功能和熱水功能的一種燃氣器具。采暖水通過熱交換器吸收燃氣燃燒后釋放出的熱量，是一次換熱。采暖水通過換熱器加熱生活熱水，生活熱水不直接與熱煙氣接觸，是二次換熱。燃燒用的空氣取自室外，燃燒后的煙氣排至室外。采暖水在內(nèi)置循環(huán)泵的動力下從出水口流出經(jīng)室內(nèi)的暖氣片或地暖管與室內(nèi)的冷空氣換熱后經(jīng)回水口流回熱交換器，與煙氣換熱。
3 四種形式運行費用對比
3.1 供暖費用的比較
設供暖房屋面積為120 m2，采暖熱指標為40 W/m2，年采暖時間為120天，每天采暖時間為24 h。運行費用計算方法如下：
(1)供熱能力計算：一個采暖季所需熱量為：Qh=q×S×T×t×/1000=40 ×120×120×24/1000=13824kWh=49766MJ。
式中：Q—供熱能力kW；q—采暖熱指標W/(m2·h)；S—采暖房面積m2；Qh —采暖季所需熱量kWh ；T—天數(shù)，天；t—每天小時數(shù)，h/天。
這間房屋采暖需要供熱能力為4.8kW。
(2)采暖費用計算：設天然氣高位熱值為36MJ/m3。天然氣價格按2016年1月1日起邯鄲市主城區(qū)居民生活管道用氣實行階梯價格，用電電壓等級不滿1千伏的用戶，第一檔峰段電價為每千瓦時0.55元、谷段電價為0.3元，電價取平均值0.42元/kWh。設空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP為3.0，燃氣采暖熱水爐熱效率90%，電熱膜熱效率100%，電鍋爐熱效率100%。四種供熱方式的年采暖費用見表1。表1數(shù)據(jù)表明，電鍋爐和發(fā)熱電纜/電熱膜費用最高，不具備競爭力。
3.2 其他因素對供暖費用的影響
(1) 補貼力度：在2014上海分布式能源國際論壇上，有專家透露，上海、長沙兩地都已推出針對天然氣分布式能源的補貼政策，而北京市的補貼標準也將出爐，專家認為補貼力度將達到0.2元/kWh。以0.8元/kWh計算，一個采暖季空氣源熱泵的費用是3733元。3733元是按空氣源熱泵采暖季的綜合能效比COP為3計算的。
(2) 氣候條件：空氣熱能作為空氣源熱泵的主要熱源，氣溫高低直接影響到空氣源熱泵機組的空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP值；當氣溫接近零度時，空氣源熱泵機組蒸發(fā)器容易結霜，智能除霜會增加機組能耗，也會降低空氣源熱泵機組的空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP值。當空氣溫度低于零度時，機組效率下降，并且當環(huán)境溫度低于-5℃時，機組效率極低，甚至無法開機冬季室外機組需要頻繁停機除霜，其結果是除霜損失約占熱泵總能耗的10.2 %，如普通3P機就要增加300瓦電能浪費。有些地區(qū)因為空氣濕度大，一般當環(huán)境溫度5℃時外機就開始結霜。使用5年的老機組8 ℃左右就開始結霜。輔助加熱時空氣源熱泵的制熱性能系數(shù)COP要小于1。
邯鄲屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，日照充足，雨熱同期，干冷同季，隨著四季的明顯交替，依次呈現(xiàn)春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫14℃，最冷月份（一月）平均氣溫-2.5 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，最熱月份（七月）平均氣溫27℃，極端最高氣溫42.5℃，全年無霜期200天，年日照2557小時。根據(jù)邯鄲采暖季的氣溫圖表統(tǒng)計（版面問題，省略部分圖表）可知：120天采暖季內(nèi)最高氣溫低于5度的天數(shù)33天，最低氣溫低于0度的有86天，超過2/3的天數(shù)內(nèi)空氣源熱泵運行在除霜狀態(tài)。
根據(jù)以恩施地區(qū)為例空氣源熱泵在冬季結霜工況下供熱性能研究數(shù)據(jù)，可類推邯鄲地區(qū)一個采暖季將會有40%的時間在制熱性能系數(shù)COP值小于1的狀態(tài)運行。電價按0.42元/kWh，按40 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于1的狀態(tài)運行，60 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于3的狀態(tài)運行, 一個冬季采暖費用要3476元。電價按0.8元/kWh，按40%的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于1的狀態(tài)運行，60 %的天數(shù)在制熱性能系數(shù)COP值等于3的狀態(tài)運行，一個冬季采暖費用要6620元。空氣源熱泵的省錢只是用戶的支出省了，而這是建立在國家補助的基礎上，用戶量越多國家補助的就越多。
4 結語
空氣源熱泵的理想高效工作區(qū)與采暖用戶的大量供熱需求區(qū)從時間看是偏離的。簡單地說，就是一年之中用戶在三九天比剛入冬時每天需要的熱量更大，用戶在夜里10點比下午兩點更迫切需要供熱。這些時間段反而是空氣源熱泵能效相對比較差的時候。我們需要去考慮，在不利工況時間段內(nèi)，用戶最基本的供暖效果。所以，空氣源熱泵并不能真正取代壁掛爐在分戶采暖應用中的地位。但空氣源熱泵在特定的工況及時間內(nèi)的制熱性能系數(shù)COP還是非常高的，可以作為壁掛爐供暖的有效補充。所以采用混合能源集成系統(tǒng)是保證用戶生活需求及舒適度的同時，最大化地降低整體運行能耗的更好選擇。目前在全球一些重要分戶供暖市場已經(jīng)得到大量應用。
（本文發(fā)表于《供熱制冷》雜志9月刊技術交流欄目）作者：1、蔡志鵬 2、 何貴龍（1、東莞新奧燃氣有限公司 2、中國市政工程華北設計研究總院）
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