基于某校区清洁能源供热节能循环利用改造的研究

杨猛，王英杰

（济南能源建设发展集团有限公司，济南 250000）

1 引言

秋冬季节经常出现雾霾天气，因此，很多市民希望可以推出更清洁的新能源供暖方式，进而逐步实现供暖“无煤化”的目标。在新能源使用方面，未来集中供热将不会像传统方式那样建锅炉房，而要采用其他新能源、新技术替代，比如，利用空气源、地热、冰放热技术、光发电技术等。未来还将不断研究更多的供热新技术、新能源。中国工程院院士、清华大学教授江亿认为:“煤改电，绝不是煤改电热，而是用电来驱动空气源热泵，这可能是煤改电供暖的最佳方式。”随着《“十三五”全民节能行动计划》的实施以及各地政府陆续开展“煤改电”工程招标，由此可以看出，将来空气源热泵在供暖行业备受青睐，供暖行业中使用空气源热泵更加广泛。根据此研究背景，对学校的换热站进行改造设计。

2 空气源热泵的可行性

2.1 空气源热泵机组的工作原理

空气源热泵热水机组分为4 个部分，分别为蒸发器、膨胀阀、压缩机、冷凝器。机组封闭运行，传热工质在机组内运行，热交换发生在冷凝器和蒸发器与外部的地方。空气源热泵的工作原理比较简单，与空调的工作原理是相同的，都是按照逆卡诺循环，如图1 所示。空气源热泵从周围环境中提取热能，品质通过压缩机得以提升，此时空气变为高温高压，介质（水）将从热交换器中获取热能，最后终端用户通过介质（水）获取热能，最终可以达到采暖的目的。然而二者也有不同之处，主要是空气源热泵的冷凝温度比空调更高，蒸发温度更低。空气源热泵适应环境温度的范围更宽，与普通空调相比，空气源热泵更能适应环境温度的变化，温差更大，运输热能的能力也更大。

图1 空气源热泵机组工作原理

目前，传热工质的种类有很多，空气源热泵热水机组常用的传热工质有R22 和R134，用性能系数COP 来评价其机组的运行效率，性能系数COP 的计算公式如下【1】：

在标准工况下，机组的性能系数COP 通常是大于4 的。因为机组的传热工质、压缩机型号、容量以及种类不同，其性能系数COP 也有所不同。在运行过程中，蒸发器和冷凝器外部介质（空气或水）的工作温度以及它们之间的温差是影响热泵机组性能系数COP 的主要因素。温差越大， 性能系数COP就会越低；反之，性能系数COP 就会越高。

2.2 空气源热泵的可行性分析

1）分析空气源热泵的工作原理可以得到，空气源热泵能从周围环境中获取大量免费的热量，即空气源热泵的能效为2.5～3，而锅炉的热效率最高才能达到95% ，因此，从节能的角度来说，利用空气源热泵采暖是可行的。

2）空气源热泵配置电脑芯片，整机可以实现自动化控制，无需专人维护，比起传统的供热方式节省了人工维护的投入问题，不需要填煤、加煤，不用担心发生火灾或爆炸，而且温度可控，可根据自身需要调节温度高低，并保持温度恒定，不会像燃煤取暖一样出现温度时高时低的情况，采暖舒适性更好。

3）机组出水温度过高是空气源热泵热水机组的运行特点。当需要高温热水时，需要采用辅助热源；被加热水1 次温升通常为5℃，故采用蓄热运行。另外，当性能系数COP 达到最高时，其机组处于最佳运行工况；当运行工况逐渐偏离时，性能系数COP 逐渐降低，当运行工况偏离过大时甚至不能正常工作。

4）空气源热泵供热，能效比高达4.0。能效高，省电，运行成本低，安全可靠。空气源热泵运行过程中对大气及环境不会造成污染，其符合我国目前的减排环保方面的基本政策。

5）空气源热泵工作适应环境温度范围比较宽，室外环境温度在-15～40℃时，热泵机组都可以正常工作，因此，可以满足济南市范围内的室外环境温度要求。

总而言之，综述空气源热泵用于学校教学楼的清洁能源改造，从能效、运营成本、绿色环保和适用范围4 个角度分析是可行的。

3 改造设想

1）为了全面改善城市空气质量，积极响应济南市委、市政府、环保局提出的加强环境监管和大气污染深度治理，切实提升空气环境质量，推进碧水蓝天工程建设的号召，改变现有能源结构，济南能源建设发展集团有限公司进行了深入的方案探讨，充分利用学校场地条件建设空气源热泵，烟气余热回收型热泵配合燃气锅炉使用。

2）如今节能减排已经成为时代潮流。节约能源，减少碳排放是最时尚的生活方式。空气源热泵的工作原理采用的是逆卡诺循环，可以将空气中的能量转移到水中，而不是直接用电热元件加热，因此，其能效可达到电热水器的4 倍，即加热等量的热水，耗电量相当于电热水器的1/4，大大节约了电力的消耗。中国的电力70%是通过火电厂烧煤产生的，节约电力意味着减少碳的排放量。

3）空气是可再生能源，是取之不尽用之不竭的天然资源，热泵利用可再生能源——空气能，并辅以清洁能源——电能，运行过程中不会产生任何污染，是国家大力推广的开发和利用可再生能源的绿色环保设备。

4 空气源热泵与燃气锅炉的比较

以济南市山东大学清洁能源供热节能循环利用改造——护理学院换热站改造项目为例进行节能改造前后的对比分析【2】。

4.1 项目概况

济南市山东大学护理学院换热站的改造，项目包括护理学院以及教学6 楼，共19 000m2。

4.2 项目改造内容

热指标取70W/m2，冷指标取85W/m2，保留原有的燃气锅炉，在原有燃气锅炉供热的基础上，加入空气源热泵。空气源热泵机组冬季制热，夏季制冷。

换热站介质参数，制热工况：设计供回水温度55℃/40℃，设计压力为1.6MPa；制冷工况：设计供回水温度12℃/7℃，设计压力为1.6MPa。

4.3 运行策略

初末寒时，热泵能效较高，此时优先使用空气源热泵制热。随着温度下降，热泵效率降低，当室外气温低于0℃时，优先使用燃气锅炉制热，其中，烟气余热回收系统配合燃气锅炉使用。通过数据计算，空气源热泵提供60%的热量，燃气锅炉提供40%的热量。

4.4 运行过程

冬天空气源热泵机组是以制冷剂为热媒，在空气中吸收热能（在蒸发器中间接换热），经压缩机将低温位的热能提升为高温位热能，加热系统循环水（在冷凝器中间接换热）。这可使不能直接利用的热能再生为可直接利用的热能，只消耗少量电能，而获得2～6 倍于输入功率的节能回报。

燃气锅炉的高温烟气与低温采暖回水在换热器中换热降温，回收烟气显热，然后由引风机导流进入冷凝器，在冷凝器中与水源热泵循环水进行进一步换热，回收烟气潜热。采暖回水或卫生热水经高温烟气和热泵加热后，温度提升，进入原热系统。实现烟气余热到中温热水的转移，提高锅炉的热效率。

4.5 经济分析

山东大学清洁能源供热节能环保循环利用改造项目的主要技术经济指标、各项费用汇总分别如表1、表2 所示。

4.5.1 运行费用分析

以下对燃气锅炉及空气源热泵进行经济比较，本方案能源价格按：0.5469 元/（kW·h），燃气价格3.6 元/m3，天然气热值按3.6×104kJ/m3。空气源热泵与燃气锅炉运行费用如表3 所示。

表1 山东大学趵突泉校区节能环保主要经济指标

表2 各项费用汇总

表3 运行费用表

改造前项目采用燃气锅炉供热，济南市燃气价格为3.6元/m2。因此，经计算改造前该校每年供热采暖费用为6.84万元。改造后，全年采暖耗电量为3.88×104kW·h，电费价格为0.546 9 元/（kW·h），改造后每年供热采暖费用为2.12 万元。因此，改造后每年节约费用4.72 万元【3】。

从上述计算结果来看，采用空气源热泵和燃气锅炉联合供热费用少于以往单独燃气锅炉供热花费，基本满足该高校的供暖需求。

4.5.2 节能效果分析

本项目通过空气源热泵技术提取空气中的低品位热量供热，实现了低品位能源的开发利用，采用高能效比的空气源热泵机组及烟气余热回收系统，补充燃气锅炉制热量，均以所消耗的一次能源（标煤）为评价标准，项目实施后每年可节约1 112t 标煤，节能效果显著。

5 未来展望

1）空气源热泵热水系统在节能与环境保护方面有明显的优势，但其效能的发挥受使用条件限制【4】。当室外空气温度大于5℃时，空气源热泵机组的性能系数COP 一般在2～6，平均可以达到3 以上；其能源利用效率为电加热器的3～4 倍以上，比一般热源节能30%～80%，是供热方式中效率最高、节能最多的供热方式。

2）空气源热泵系统在济南市利用状况可观，其运行成本低于集中供热费用，且改善了室内的热环境，能基本保障采暖温度在20℃左右。在夏热冬冷地区以及更为温暖地区使用空气源热泵热水技术是可行的，并有较好的节能效果，值得推广，但热泵机组冬季性能还需要进一步提高。

6 结语

综上所述，本项目对原有燃气锅炉进行烟气排放改造，实现达标排放；根据现场实际情况，建设空气源热泵能源站替代部分燃气锅炉供热能力，有效降低天然气燃气用量和烟气排放；烟气余热吸收式热泵配合燃气锅炉使用，有效提高燃气锅炉的效率，减少烟气排放污染。符合国家现行产业发展政策，具有很好的节能效益、环保效益、经济效益及社会效益。