“煤改电”推进过程中电锅炉和空气源热泵供暖系统的比较研究

殷仁豪 卢海勇

上海电力设计院有限公司

0 引言

2017 年9 月，国家发改委印发《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》（以下简称《意见》），制定了“煤改气”、“煤改电”的具体价格支持政策。《意见》指出，对适宜“煤改气”的地区降低清洁供暖的用气成本，重点支持农村“煤改气”。此外，对“煤改电”的地区适当扩大峰谷时段价差，在采暖季适当延长谷段时间。2017 年12 月，国家发改委、国家能源局等十部委发布了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021 年）》，重点推广“煤改气”和“煤改电”。

天然气供应由于存在季节性峰谷差较大的问题，造成天然气供应在供暖期短缺，而在非供暖期余量较大。供暖期间天然气气源不足是“煤改气”推进过程中遇到的瓶颈问题。如2017年的供暖期间，由于“煤改气”实施量超过预期规划，天然气需求量暴增，导致北方地区出现了天然气“气荒”现象。为保证民生，一些地区临时重新用上了燃煤锅炉供暖。2019 年6 月，国家能源局综合司为解决“煤改气”和“煤改电”推进过程中遇到的相关问题，发布了《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》，对“煤改气”推进过程中落实天然气供应提出了要求，也要求尽快落实“煤改电”的电价政策。

考虑到“煤改气”推进过程中遇到的问题，“煤改电”在环保、改造、安全稳定、消纳可再生能源发电、电力调峰方面具有优势，得到了更多的青睐。2018 年11 月，国家能源局发布的《关于做好2018-2019 年采暖季清洁供暖工作的通知》明确指出，鼓励各类发电企业通过电力直接交易参与电供暖，研究探索新能源发电企业通过建设专用输配电设施清洁供暖，逐步扩大蓄热式、热泵型电供暖比重。电网企业要加强与各地“煤改电”的协调对接，在确保建设施工质量安全前提下，加快配电网和农网建设改造，并加强输变电设备的运行监测和安全保护。做好应急预案，对可能出现的各类故障提前制定应对措施，在最短时间内恢复供暖用电。2019 年2 月，北京市发改委等8 个部委联合发布《关于进一步加快热泵系统应用推动清洁供暖的实施意见》，提出到2022 年，北京市新增热泵系统利用面积2 000 万m2，累计利用面积达到8 000 万m2的发展目标。此外，北京、天津、山东、河北、河南、陕西、山西、甘肃、宁夏、青海、新疆、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁等15 个省区市的发改委和物价局积极响应《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》，分别出台“煤改电”采暖用电价格政策，采取阶梯价格、鼓励叠加峰谷电价等措施，切实降低居民“煤改电”用电成本，确保居民用得舒心。由此可见，在清洁供暖方面，“煤改电”项目有着巨大的市场潜力。

1 电供暖技术中的热源形式及其特点

在电供暖技术中，主要有电锅炉和热泵两种热源形式，其中热泵又可以分为地源热泵、水源热泵和空气源热泵。地源热泵和水源热泵对项目的客观条件要求较多，普及率不及空气源热泵。此外，地源热泵往往还存在冷热不平衡问题，可以在综合能源系统中承担部分负荷，但不建议作为唯一的冷热源。因此，本文主要对电锅炉和空气源热泵两种在“煤改电”推进过程中普及率较高的热源形式开展讨论。

电锅炉能够将电能直接转化成热能，转化效率一般在97%左右，即1 kJ的电能只能转化成0.97 kJ的热能，一般情况下电锅炉系统的COP 仅能达到0.9 左右。相对而言，空气源热泵可以电能做功，将原本不能直接利用的低位热源空气转化成可以利用的高位热能。空气源热泵系统的COP 一般情况下能够达到3～5 左右，即通过消耗1 kJ 的电能可以产生成3～5 kJ 的热能。从COP 上看，系统的COP 越高越节能。因此，空气源热泵比电锅炉更加节能，实际运行费用更低。此外，空气源热泵除了可以冬季供暖外，夏季还可以用于制冷。因此，在“煤改电”政策的驱动下，空气源热泵受到了青睐[1]。

电锅炉供暖系统存在COP较低、运行费用较贵的问题，电锅炉往往与蓄热装置相结合一同组成供暖系统，在峰谷电价政策下，充分利用谷电，从而达到降低运行费用的目的。具体运行方式如下：白天不开启电锅炉，仅开启水泵等电功率较低的设备，利用蓄热设备在夜间所蓄的热量进行供暖；夜间开启电锅炉，采用谷电蓄热、边供边蓄的方式利用谷电的低电价在保证夜间供热负荷的同时将白天所需的热量储存起来。蓄热装置包括水蓄热、固体蓄热、低温相变蓄热和高温相变蓄热等。

2 电锅炉和空气源热泵的比较

2.1 适用场景比较

根据清洁供暖的政策要求，一方面应积极推进电锅炉供暖，鼓励利用弃风弃光和低谷电，另一方面应因地制宜推广使用空气源、水源、地源热泵供暖，发挥电能高品质优势，充分利用低温热源热量，提升电能取暖效率。

对于电锅炉而言，建议配套蓄热设备如水蓄热、固体蓄热、低温相变蓄热和高温相变蓄热等，优先考虑应用于可再生能源消纳压力较大、弃风弃光问题严重、电网调峰需求较大的地区。电锅炉供暖系统既可以用于单体建筑供热，也可用于区域集中供热。

对于空气源热泵而言，建议用于分户供热或小型区域供热，同时也可以作为集中供热系统中的一环，承担部分负荷，但不建议单独作为热源用于区域集中供热。此外，对于项目所在地冬季室外气温也应有所考虑，不建议用于极端低温地区。

2.2 运行维护比较

电锅炉的制热性能稳定，故障率低，不受外界环境影响，日常运维简便，能够充分保障用户侧的采暖需求。空气源热泵的制热性能和出水温度受外界环境影响很大，室外温度越低制热量越低，出水温度也越低，在极端温度情况下故障率高。有报道指出，山西临汾某煤矿集团2017 年至2018年对供热系统进行了改造，采用空气源热泵替换原来的燃煤锅炉，安装了28 台空气源热泵。在2018 年的实际运行过程中，日平均最低气温-9 ℃，最低-23.4 ℃，结果一共112 台压缩机烧毁56 台，故障率达到50%。因此，空气源热泵的维修成本较高。

2.3 改造适应能力比较

在“煤改电”项目中，采用电锅炉代替燃煤锅炉在施工阶段较为简便，在以下几方面适应能力强：装机负荷可直接按原负荷考虑；供回水温度可按原系统设计，不用改造供热管网和采暖末端；电锅炉可以布置在原燃煤锅炉房。但是，“煤改电”项目由于采用了电锅炉供暖，电负荷需求增加，可能需要对原供电系统进行扩容改造。

采用空气源热泵代替燃煤锅炉时，可能会存在以下问题：空气源热泵要布置在室外，需寻找合适的场地，无法利用原锅炉房；供热管网可能不满足要求需要改造；用户侧可能需要增加末端散热设备。此外，空气源热泵耗电量虽然小于电锅炉，但对于原先的燃煤锅炉而言，电负荷需求的增加也不小，也存在对原供电系统进行扩容改造的需求。

2.4 投资和运维费用比较

每个项目都具有各自的特点，经济性比较的影响因素较多，不能一概而论。从定性分析的角度出发，在初始投资上，搭配蓄热设备的电锅炉供暖系统整体造价要低于空气源热泵供暖系统，主要原因在于两方面：电锅炉设备费用低于空气源热泵；采用空气源热泵可能会引起供热管网和末端设备的改造。但是，在运行费用上，空气源热泵的COP 高，相比于电锅炉能够节约的电费也更多，考虑到空气源热泵的故障率高于电锅炉，应额外考虑一笔维修费用。以某热负荷10 MW 的项目为例，采用空气源热泵的供暖系统投资费用约为1 500 万元，采用配套蓄热设备的电锅炉供暖系统投资费用约为800 万元，空气源热泵供暖系统的投资比电锅炉供暖系统的投资高出约700 万元，但采用空气源热泵供暖系统相比电锅炉供暖系统，每年能够节约电费约140 万元，投资差额部分的静态回收期约为5年。

3 空气源热泵在“煤改电”项目中遇到的技术问题及解决方法

3.1 技术问题

在“煤改电”项目中，对于热源的替换改造，有三部分需要匹配好：热源，热源匹配主要是指装机负荷需要和原燃煤锅炉的装机负荷保持一致；供热管网匹配主要是指需要校核改造后供热管网中的流量和流速是否与原管网匹配；用户侧末端设备匹配主要是指需要校核改造后末端设备的散热量是否与原散热量保持一致。

在“煤改电”项目中，对于采用电锅炉替换燃煤锅炉而言，热源、供热管网和用户侧末端设备都能够很好地匹配，但是对于空气源热泵而言，则存在以下技术问题：

1）受室外低温环境影响导致的热源不匹配问题

燃煤锅炉和电锅炉一般都安装在室内，而空气源热泵由于需要大量的空气流通量，一般都布置于室外。空气源热泵的原理是将空气中的低位能量转化成可用的高温能量，室外气候条件的变化对空气源热泵的制热性能和出水温度影响很大。如某型号空气源热泵，在室外温度为-7 ℃时，制热量为90 kW，制热电功率为37.5 kW，而在室外温度为-15 ℃时，制热量为82.8 kW，制热电功率为41.6 kW。因此，当室外温度较低时，一方面建筑供暖热负荷需求增加，另一方面空气源热泵的制热量下降，造成热源负荷不匹配[2]。此外，低温条件下，当室外空气湿度较大时，机组的换热器容易结霜，也会导致空气源热泵的制热性能和可靠性下降，极易导致空气源热泵发生故障[3,4]。因此，除特制的低温型空气源热泵外，一般不建议在-15 ℃以下的低温环境中使用。

2）系统供回水温差小导致的供热管网不匹配问题

对于一部分改造项目，原燃煤锅炉供暖系统的供回水由于温差较大，而空气源热泵供回水温差较小，对于原供热管网而言容易出现不匹配问题，如水泵不匹配问题是空气源热泵设计过程中常见的问题之一[5]。例如，某“煤改电”项目，采用空气源热泵代替燃煤锅炉，由于原先采用燃煤锅炉时设计供回水温差为25 ℃，如果采用空气源热泵直供，其供回水只有5 ℃的温差。在供热量相同的情况下，供回水温差只有原来的五分之一，热源替代后会导致管网流量增加5 倍。经过对原供热管网复核后，发现原供暖循环水泵的流量不满足改造后的要求。此外，原供热管网的管径也不满足改造后的流速要求。

3）供水温度低导致的用户侧末端设备散热量不匹配问题

燃煤锅炉供暖系统的供水温度较高，在一些项目中可以达到90～95 ℃，末端采用散热器进行供暖，而空气源热泵供暖系统的供水温度较低，一般在55～60 ℃。在“煤改电”项目中的热源替代改造后，空气源热泵供暖系统的出水温度由于较低，利用原散热器采暖时，散热能力明显下降，采暖效果大打折扣。例如，当采用燃煤锅炉时散热器的进出水温度为95/70 ℃，当采用空气源热泵时散热器的进出水温度为55/50 ℃，末端采暖采用每片标准散热量为129 W的铸铁四柱760暖气片，在不对末端散热器进行改造的情况下，以冬季室内计算温度22 ℃计，采用空气源热泵的散热效果只有燃煤锅炉的50.4%。

3.2 解决方法

对于空气源热泵在“煤改电”项目中遇到的上述技术问题，目前通常采用以下方法进行优化。

1）热源不匹配问题

针对热源不匹配问题目前主要采用两种方法：在空气源热泵设备选型时增加一些装机容量以满足极端温度条件下的采暖热负荷需求；在空气源热泵供暖系统中增加辅助电加热设备，在极端温度条件下开启辅助电加热以满足用户的采暖热负荷需求。例如，在空气源热泵供暖系统中增加带有辅助电加热的中间水箱或在系统中增加电锅炉在极端温度条件下承担部分负荷。

2）供热管网不匹配问题

供热管网的流量和流速不匹配问题可以从两个方面解决：可以对供热管网进行改造，采用满足改造后供暖要求的供暖循环水泵及管道；可以通过增加保温水箱的方法，由保温水箱向用户侧供暖，通过保温水箱保证供回水温差与原供热系统一致。

3）末端散热量不匹配问题

对于末端散热量不匹配的问题可以通过以下两种方法解决：在空气源热泵供暖系统中增加辅助电加热设备，对空气源热泵的出水温度进一步抬高，从而在不改造末端采暖设备的情况下保证散热效果与原先一致；对末端散热设备进行改造，例如，对于采用散热器的供暖系统，可以考虑增加散热器数量以保证制热效果。此外，也可以考虑采用其他末端形式如地暖代替散热器。

3.3 空气源热泵在改造过程中应注意的其他问题

由于空气的热容量较小，空气源热泵为了获取足够的热量，需要较大的空气流通量。因此，空气源热泵所配的风机容量往往较大，这导致了空气源热泵在运行过程中噪声较大，如果布置在居民区，还需要配套降噪装置。在一些分散式“煤改电”项目中，考虑到空气源热泵重量较重，如果需要将空气源热泵布置于屋顶，应对屋顶的荷载进行仔细复核。对于集中供暖系统而言，目前市面上的空气源热泵单机制热量不高，当供暖系统装机容量较大时，需要采用的空气源热泵数量较多，集中布置时需要注意避免各个设备之间的互相影响。此外，在室外温度较低时，空气源热泵除了制热效果下降外，COP也会随之下降，在严寒地区COP可能只有2.4左右，耗电量会因此增加[6,7]。

4 结论和建议

在“煤改电”项目中，电锅炉具有运行稳定、热源改造适应性强等方面的特点，建议配套蓄热设备如水蓄热、固体蓄热、低温相变蓄热和高温相变蓄热等，优先考虑应用于可再生能源消纳压力较大、弃风弃光问题严重、电网调峰需求较大的地区，但采用电锅炉供暖系统可能存在供电系统扩容改造的问题。

考虑到空气源热泵的优点在于COP高，耗电量少，运行费用低，建议用于分户供热或小型区域供热，同时也可以作为集中供热系统中的一环，承担部分负荷，但不建议单独作为热源用于区域集中供热。此外，如果项目所在地冬季平均气温较低，不仅会导致空气源热泵的COP降低、制热效果达不到预期，还有可能影响机组寿命。在“煤改电”项目中，需要注意空气源热泵还可能存在与原系统不匹配的问题。

综上所述，对于电供暖技术的集中供暖而言，应以电蓄热锅炉系统为主，辅以热泵系统，确保系统的稳定性及良好的采暖效果。对于分散式供暖而言，采用COP 较高的热泵机组能够节省运行费用。