为解决冬季燃煤供暖带来的环境污染问题, 北京市率先提出在农村地区实施“煤改清洁能源”和“减煤换煤”方案。据统计, 2016年北京市农村地区“煤改清洁能源”工作共改造了663个村、22.7万户, 其中“煤改电”村共计574个, 改造户数19.8万户, 占总改造户数的87.2%。在全市“煤改电”工程中, 使用空气源热泵的农户共15.1万户, 占总“煤改电”户数的76.28%[1]。

空气源热泵以电能驱动, 可将不能直接利用的低品位能转换为可资利用的热能, 具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点。空气源热泵被美国能源部列为21世纪最具节能潜力的15项空调技术措施之一[2], 欧盟在2009年将其纳入可再生能源技术范畴[3], 我国业内研究学者也多次建议将空气源纳入可再生能源范畴[4]。在我国, 常规空气源热泵多应用于长江中下游的夏热冬冷地区。常规空气源热泵采用单级压缩循环, 故在我国华北、西北等寒冷地区使用时制热能力衰减, 无法在冬季正常运行。针对这些问题, 国内外的研究人员进行了低环境温度空气源热泵机组的改进试验研究, 分别改进为带油冷却的单级压缩系统、准二级压缩系统、二级压缩系统、复叠式系统、多种能源形式的复合系统等, 并且研制出了适用于寒冷地区的低环境温度空气源热泵机组[5]。

低环境温度空气源热泵是由电动机驱动的蒸气压缩制冷循环、以空气为热源的热泵机组[6]。其可在不低于-20℃的环境温度下制取30~50℃的供暖热水, 连接地板辐射盘管、风机盘管、散热器等末端给用户供暖。本文对采用不同末端形式的空气源热泵供暖系统的效果进行对比分析。

本次实验台自动测试系统由1台计算机和1台多功能数据采集仪组成, 采用图形化软件平台编制相应的测试程序, 结合外置的监测仪表 (温度传感器、热量表、电量表及远传通讯模块) 对典型案例进行测试, 实时远程监测供暖季供暖系统的实际运行数据 (包括室内外温度、供回水温度、水流量、制热量、累计制热量、电压、电流、功率、总耗电量、峰电耗电量、谷电耗电量) 。测试所用仪器及精度如表1所示, 且各仪器均在计量鉴定有效期内。

本次测试选取北京市农村地区冬季采用空气源热泵供暖的9个典型案例, 各案例建筑结构相似, 房屋围护结构均作外墙保温。各案例所用空气源热泵均为热水型低环境温度空气源热泵, 热泵系统采用一次节流不完全冷却的准二级压缩的喷气增焓技术。

对末端为原有旧散热器、改造为新散热器及地板辐射盘管的典型用户进行实验测试。各典型用户建筑信息与所配空气源热泵机组型号如表2所示。

1) 空气源热泵系统供暖效果测试:在热泵系统连续正常运行后进行, 室外、客厅和卧室各选取1个温度测点, 室内温度测点的布置满足JGJ/T132—2009《居住建筑节能检测标准》要求。

2) 空气源热泵系统能耗测试:在热泵系统连续正常运行后进行, 在靠近机组的位置安装热量表, 测试系统供回水温度、水流量;在电控箱上安装电量表, 测试电压、电流、功率、功率因数、耗电量、峰电耗电量、谷电耗电量等。

本次测试时间为2017年1月15日至3月15日, 共60d, 测试期间室内外日平均温度分布如图1所示。在测试周期内, 室外最低日平均温度为-6.6℃, 最高日平均温度为12.8℃, 日平均温度为1.5℃。各案例热泵机组在测试周期内正常运行, 室外机在不同室外工况下结霜且均能及时除霜。

各案例测试周期的室内平均温度分别为18.2, 17.7, 20.2, 18.8, 18.2, 19.8, 17.8, 20.0, 20.9℃, 日平均温度分布在16.0~22.1℃之间, 满足农村冬季供暖室内温度要求[7]。

空气源热泵系统COP的影响因素很多, 供水温度是其中之一。在整个测试周期内各案例热泵平均供水温度汇总如图2所示。测试整个周期各案例空气源热泵COP如表3所示。

空气源热泵系统COP的计算式为

式中Q为测试期间实际供热量;W为测试期间实际消耗的电能。

根据式 (1) 可以计算出在测试周期内案例1~9的平均系统COP值分别为2.05, 2.01, 2.10, 2.27, 2.18, 2.17, 2.75, 2.79和2.53。

各案例空气源热泵供暖系统的一次能源利用率PER[8]为

式中η_p为电厂发电效率, 取38.7%;η_n为电网输电效率, 取90%。

计算得出各案例空气源热泵供暖系统PER≥0.70, 大于区域锅炉房供暖的一次能源利用率0.64[8]。各案例用户之前均采用小锅炉燃煤供暖, 其效率远低于区域锅炉房供暖, 可见使用空气源热泵供暖更节能。

各案例的平均供水温度与平均系统COP汇总如图3所示。从图3可以看出, 末端为地板辐射盘管的系统平均COP最高, 其次为新散热器, 旧散热器偏低。

供暖费用经济性计算主要包括供暖季空气源热泵系统运行费用及不同案例供暖系统改造费用。

各案例测试期间耗电量汇总于表4。

居民生活用电实行阶梯电价:08:00—21:00实行峰电价0.49元/ (kW·h) ;21:00—08:00实行谷电价0.3元/ (kW·h) , 其中谷电价政府补贴0.2元/ (kW·h) , 居民实际所用谷电价为0.1元/ (kW·h) 。供暖季每m²供暖费用= (峰电量×0.49元/ (kW·h) +谷电量×0.1元/ (kW·h) ) ×供暖天数/ (供暖面积×测试天数) , 其中供暖天数取120d。计算所得各案例每m²供暖费用如图4所示。

从图4中可以看出:在整个供暖季各案例每m²费用分别为23.95, 24.07, 24.48, 20.54, 19.38, 20.40, 14.64, 13.33, 11.02元/m²;不同末端形式旧散热器、新散热器、地板辐射盘管用户的供暖费用分别为24.17, 20.11, 13.00元/m²。

本次测试的9户典型案例热源均采用热水型低环境温度空气源热泵, 为政府统一采购, 故不计入用户初投资费用中。初投资费用只考虑管道及末端形式改造。图5为不同末端形式每m²改造费用对比。

由图4可以得出, 新散热器、地板辐射盘管用户的运行费用分别为原有旧散热器用户运行费用的83.2%, 53.8%。这说明对原有旧散热器进行改造具有节能价值。利用费用年值法对不同末端形式的供暖系统案例进行对比分析, 计算得出不同末端形式的费用年值见表5。各种末端形式设备的使用年限取值为:新散热器20a, 地板辐射盘管20a。

1) 在北京农村地区使用空气源热泵供暖效果良好, 测试期间室外日平均温度范围为-6.6~12.8℃, 9户典型案例测试期间的室内日平均温度在16.0~22.1℃之间, 系统平均COP在2.05~2.79之间。

2) 采用不同末端形式的用户平均供水温度及COP有差异。末端为地板辐射盘管用户的平均供水温度最低, 为33.71℃, 系统平均COP最高, 为2.69;末端为新散热器用户的平均供水温度较高, 为41.62℃, 系统平均COP较高, 为2.20;末端为旧散热器用户的平均供水温度最高, 为44.11℃, 系统平均COP相对较低, 为2.05。

3) 对比采用不同末端形式典型案例经济性发现:末端形式为旧散热器、新散热器、地板辐射盘管用户的折算费用年值分别为24.17, 21.11, 17.00元/m²。

4) 综合以上分析对比, 结合北京市农宅供暖现状, 建议将存在大量污垢影响传热的老旧散热器末端改造为新散热器。同时, 有必要研制和推广适合低温供暖的新型散热末端, 进一步发挥户式空气源热泵供暖系统的优势;对于新装房屋, 建议末端安装地板辐射盘管以达到最佳供暖效果。