山西实测：空气源热泵用于6000㎡小区集中供暖案例及费用分析
《热泵市场》杂志 文_芬尼克兹/刘远辉 邓玉娟
摘 要：为了评估超低温空气源热泵在北方供暖的适用性，本文根据山西临汾的2015年～2016年供暖季的逐时气温数据，结合产品的变工况性能，采用模拟计算得出不同的供暖末端的单位面积供暖负荷和供暖季的运行成本，并对比实际的工程案例的数据(实测)，计算结果和实际运行数据都表明，超低温空气源热泵适用于北方供暖。
关键词：供暖、超低温空气源热泵、变工况参数、供暖末端、供暖负荷
1.引言
近年来，雾霾现象是困扰我国社会和经济发展、改善民生的严峻问题，我国北方供暖热源主要为燃煤锅炉、燃气锅炉和热电联供，其中煤炭燃烧是造成冬季雾霾的重要污染源，而燃气锅炉虽然直接排放的粉尘不多，但其排放大量的可二次生成PM2.5的氮氧化合物和大量水蒸气，也对生成雾霾有重要贡献。
对于热电联供的采暖方式来说，由于热电联供在冬季要确保供热，其工作状态远离最佳热电比，同时由于城市建设的发展速度过快，集中供暖的管网建设速度跟不上城市的建设速度，每年冬季供暖的保障已经成为各级政府面临的一道难题。
空气源热泵，特别是能在-30℃空气环境下工作的超低温空气源热泵，除了高效节能，安装方便，管理智能外，其冬季运行成本更低，适应范围广。相比直接燃煤供暖，其碳排放和PM2.5的污染大幅度降低，其次空气热泵的大规模使用，既可以为风电和光电等绿色电力腾出足够的应用空间，又可以作为冷热联供的有效调峰工具，还可以凝结周边环境中大量的水蒸气，因此对于削减天然气锅炉排放的水蒸气也有立竿见影的作用。
总而言之，超低温空气源热泵将成为北方供暖热源的有效补充，未来它将成为我国北方供暖热源的重要组成部分。
本文通过一个实际案例，先通过数据计算得到一个结果，再和实际运行数据进行比较，得出超低温空气源热泵在北方应用的经济性分析。
2.经济性的分析方法
决定采用空气源热泵作为供暖系统热源经济性的因素是初投资和运行成本，影响初投资的重要的因素有：室外环境温度、建筑体形系数和保温状况、室内设计温度、机组变工况性价比、电辅助功率。影响运行成本的重要的因素有：室外环境温度、建筑外墙面积和保温状况、室内设计温度、供暖末端类型、机组变工况性能、电价等。
本文选取山西临汾一实际运行的典型住宅项目作为案例，其中，把建筑面积、外墙面积和窗户面积、室内设计温度、室外环境温度、机组变工况性能作为不变因子，把供暖末端类型、电价作为可变因子，计算出可变因子变化时，热泵初投资和运行成本的变化。
3.相关参数
3.1建筑基本情况
山西临汾一小区住宅项目，采暖面积约为6000㎡的6单元48户的节能建筑。室内设计温度20℃，体形系数取为0.3，其外墙面积估算为7200㎡，临汾属于寒冷地区，该建筑为甲级公共建筑，基本保温状况如下：
表1：样板工程项目保温状况及设计要求
上述耗热计算中，没有计算以下三个热量的值：①太阳辐射的得热量；②室内照明，家用电器和人体的的发热量；③新风换气消耗热量。上述①、②项部分抵消了③项，从简化计算的考虑，忽略上述三项的测算。
3.2气象参数
山西临汾供暖季2015年11月15日～2016年3月15日的逐时气温资料如下：
图2：临汾2015供暖季逐时气温曲线图
根据上图数据，将2015～2016供暖季的气温分布统计如下表:(精确到1℃)
表2：2015～2016临汾采暖季气温分布统计表
图3：临汾2015供暖季环境温度时长分布
3.3超低温热泵变工况参数
由于篇幅的限制，截取了部分适用于山西临汾的变工况参数如下：
表3：空气源热泵主机变工况参数表
3.4供暖末端类型
出水温度40℃适用于水地暖辐射供暖末端，45℃适用于风机盘管供暖末端，55℃适用于新型暖气片供暖末端。供水温度越低，能效越高。
该工程采用的是用水地暖辐射供暖的方式，可结合气温的变化，计算出不同供水温度下的平均能效。每个地方的电价都不同，设置电价为每kWh 0.4、0.6、0.8、1.0四个档次来计算，看看供暖费用的变化。
4.计算过程
4.1最大供暖负荷的计算
根据表1计算，平均耗热系数θ=(s1*θ1+ s2*θ2+ s3*3)/S=1.29W/(K.㎡)。
根据表2查的临汾的最低气温Tmin=-15℃，设计室温Tsh为20℃，则最大供暖负荷Qmax=θ*(Tsh-Tmin)=35*1.29=45.15W/㎡。
4.2供暖单位面积热耗的计算
首先计算整个供暖季的加权平均温度 =(t1*h1+ t2*h2+…+tn*hn)/总时长=1.14℃，其中，t1、t2、tn和h1、h2、hn表示供暖季各个温度点及其时长，然后计算其平均负荷 =(Tsh-T平均)*θ平均=(20-1.14)*1.29=24.33W/㎡，单位供暖面积热耗Q=W平均*供暖时长=24.33W/㎡*2898=70.51kWh/(㎡.a) =0.254GJ。
4.3机组台数的选择和初投资的估算
根据3.1计算的结果，最大制热负荷=45.15 W/㎡，总制热量需求W总=*S=270.9kW，根据机组的变工况参数表3，-15℃环境下机组的制热能力为55.9kW，则需要机台数=270.9/55.9=4.8≈5台，以每台机10万元(含安装水泵等)计算，则机组总投资预算50万元，折合每平方米需投资83元左右。
4.4供暖季平均能效比和单位面积供暖耗电
表4：供暖季平均能效比和单位面积供暖耗电
上表中，先分别计算出每个环温下的每平方米建筑面积的供暖热耗和供暖耗电，然后用每平方米的总耗热除以总耗电，就可以得出供暖季的平均能效比。
在35℃、45℃和55℃条件下，其对应计算的平均耗电为18.58kWh/(㎡.a)、21.87kWh/( ㎡.a) 和27.18kWh/(㎡.a)，能效比为3.79、3.22和2.59，考虑到水泵功耗和系统散热量取10%，上述数据可做修正如下：
平均耗电：20.44 kWh/(㎡.a)、24.06 kWh/(㎡.a)和29.90 kWh/(㎡.a)；
平均能效比：3.45、2.92和2.35。
4.5供暖费用分析
当电价在0.3～1.0元变化时，供暖费用变化如下表：
表5：供暖费用变化
5.实际运行数据
通过实际电表的测量，该小区住宅楼的电量消耗统计如下：
表6：小区供暖季耗电统计表
表7 ：采暖季运行电耗
该小区采用水地板供暖辐射供暖的方式，实际每平方的供暖耗电只有16.65kWh，低于的20.44kWh计算值，计算值大了22.8%。
如果能效不变的计算，其全年能耗只有57.44kWh(0.21GJ)。究其原因，主要有以下三个因素：样板住宅的保温效果较好，其墙体的传热系数低于估算值；没有计算太阳辐射的得热量；室内照明、家用电器和人体的发热量。
由于该住宅入住率较高，这部分的热量也较为可观，以每户平均用电5kWh计算，则整个供暖季120天48户累计消耗电力28800kWh，这些电力大部分都会转化成热量，这部分热量折合每平方米4.8kWh，约占供暖负荷的8%。
6.结论
采用能够在-30℃环境温度下工作的热泵，性能适用于大多数北方地区的供暖。
对于山西临汾小区住宅的模拟计算结果来看，单位面积的初投资估算为83元/㎡，供暖季耗电量对应不同的供暖末端，其运行电耗如下：
从表7可以看出，供暖供水温度越低，系统能效越高，实际运行能耗低于计算能耗。结果表明，针对节能建筑，非常合适采用热泵供暖，其费用分别为12.26～17.94元/㎡，这个费用已经低于燃气供暖，和集中供暖的费用也相当。热泵设备的初投资，该项目计算的初投资在83元/㎡，但实际的投资在60元/㎡，这个费用和集中供暖的初装费相当。
不论是模拟计算还是实际案例都表明，对于北方供暖，超低温热泵具备初投资和运成本的优势，配合国家的节能环保政策，将表现出巨大的经济效益和社会效益。