河水源热泵与蓄热电锅炉联合供暖系统研究

王 维，吴建泽，金盈利，李炳锐，李炳熙

(1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.中国船舶集团公司第703研究所，黑龙江 哈尔滨 150078)

随着社会的发展，环境问题日趋严峻。传统的燃煤供暖会导致大量的污染物排放。目前，国家发改委、各省、市均提出了加快推进电能清洁供暖的实施意见和办法。其中的延长谷期电价时长，协商电价、以及相关补贴政策更是大大提升了用电供暖的经济性。

目前现有的电力供暖大多是采用蓄热电锅炉[1-2]的形式，但电锅炉的热效率永远是小于1的。本课题提出将热效率大于1的热泵与电锅炉相结合进行电力供暖，不仅可利用周围环境的低品位能源，而且大大提高经济效益和减少排放。本文以东北某10万m2供暖需求的小镇为样板，针对采用河水源热泵[3-5]和蓄热电锅炉联合供暖系统[6]进行了供暖方案设计，并对其经济效益、环境效益和系统参数优化进行了研究。

1 热泵联合供暖方案和运行策略

由于穿过小镇的河水上游有水力发电站，冬季河水水温仍可达到6～8 ℃，存在大量的低品位能源可以利用。小镇供暖季为11月至次年4月，小镇供暖面积为10万m2，每m2供热负荷取70 W，最大供热热负荷为7 MW。河水流量为12 m3/s，可换热至4 ℃，则可取热量100～200 MW，远高于供暖所需热量。根据该地的气象温度变化和实际供暖需求，设计各月供暖热负荷为：次年4月3.3 MW，11月与次年3月4.7 MW，12月至次年2月6.5 MW。

拟选用某品牌螺杆压缩机与蒸汽相变蓄热电锅炉串联工作。螺杆压缩机输入功率w=218 kW，制热量为wh=704 kW，COP为3.21，热泵蒸发温度t0=-2 ℃，压缩机指示效率ηi=0.866，冷凝温度tK=60 ℃。受供暖水温要求以及河水温度限制，设置过冷度Δtg=5 ℃，过热度Δtr=3 ℃，即t1=4 ℃，t2=60 ℃，t3=55 ℃，t4=1 ℃。蓄热电锅炉的输出功率较为灵活，为降低初投资成本，根据热负荷需求对其输出热功率进行自动调节，并保证最大热负荷为7 MW，具体方案如表1所示。其中方案1为仅适用热泵、方案6为仅使用电锅炉。

表1 联合供暖装机组合方案

在运行方面，由于热泵的运行花费较小，因此当优先使热泵机组满功率运行，电锅炉根据用热需求灵活调节。此外，使用带蓄热功能的电锅炉可以在谷电价时进行蓄热，并在峰电和平电时进行断电放热，降低电锅炉的运行费用[7-9]。该地的分时段电价为：谷电0.28元/kWh(0:00～7:00和21:00～24:00)；平电0.54元/kWh(7:00～7:30和11:30～17:00)；峰电0.79元/kWh(7:30～11:30和17:00～21:00)，蓄热电锅炉运行策略和电价如下图1所示。

图1 某地的分时段电价及蓄热电锅炉运行安排

2 经济效益分析

根据上述的时段电价和蓄热电锅炉的运行策略，计算了额定供热为1 MW的热泵、蓄热电锅炉和普通电锅炉在每天的用电费用，分别为3 863元/MW/天、6 720元/MW/天和12 360元/MW/天。可见采用热泵供暖的运行费用远低于电锅炉，仅为蓄热电锅炉运行费用的57%，而采用蓄热电锅炉又可降低接近45%的运行费用。在设备成本方面，水源热泵的初投资价格约为85元/m2，蓄热电锅炉的初投资价格约为55元/m2[10]。

根据如表1中的运行方案，每年供暖系统高功率运行90天，中功率运行60天，低功率运行30天，计算运行的综合COP，以及运行和投资成本。则各方案初投资和年运行费用计算如表2所示。综合COP综合的计算公式如下，其中w热泵和w电锅炉分别为热泵和电锅炉的电功率，COP热泵=3.21，COP电锅炉=0.98

表2 供暖系统年运行费用

(1)

由表2中计算结果可得，联合供暖系统中随着热泵数量的增加、电锅炉数量的减少，设备成本逐渐增高，但运行费用逐渐降低。

3 环境效益分析

采用电力供暖在运行过程中无排放污染，但所消耗的电能仍可折合成为标准煤量与传统的燃煤供暖进行比较。

根据供暖热负荷与供暖季时长，可计算获得本供暖工程年累计供热量R供暖为8.06×104GJ。该小镇原为燃煤锅炉供暖，提供这些热量需要消耗的标煤量计算公式为

(2)

燃煤锅炉总效率η取0.7，管网输送能耗k取0.95，标煤热值C取29 307 kJ，计算得到年耗标煤量M锅炉为4 136 t。

相应的采用表1中6种方案进行电力供暖时，对应需要消耗的电能和转换的标煤量，如表3所示。耗电量转化为耗煤量的计算公式如下

(3)

火力发电效率及电力输送效率ξ取0.33，管网输送能耗k取0.95。每t标煤燃烧排放二氧化碳2.62 t、二氧化硫8.5 kg、氮氧化物7.4 kg、一氧化碳23 kg。采取各方案供暖所排放的除二氧化碳以外的污染物如表3所示。

表3 供暖系统年耗煤量和污染物排放量

由表中可以看出，联合供暖方案中所采用的热泵机组越多，耗电量越少，折合成的耗煤量和污染物排放量越小。其中，方案3所折合的耗煤量与燃煤供暖的耗煤量相接近。

上文分别讨论了6种水源热泵与蓄热电锅炉联合供暖方案的经济效益和环境效益。6种方案的初投资费用、年运行费用和年污染物排放量如图2所示。

图2 联合供暖系统三指标优化

4 结论

由文中可以得到以下结论：(1)年运行费用和年污染物排放随着联合供暖方案中电锅炉供热负荷的增加而线性增加，初投资费用随电锅炉供热负荷的增加而减少。(2)根据三个指标综合判断，方案2的8台热泵和1.4 MW的蓄热电锅炉为最优方案，运行费用为39.6元/m2接近燃煤采暖的费用，且污染物排放相比于燃煤供暖每年可减少30 t。