空气源热泵供暖系统设计中电锅炉调峰比例的研究

□李 烁

近年来，每逢进入供暖期，我国北方地区空气质量均会有不同程度的下降，影响人们的正常生活和身体健康，而传统燃煤供暖是空气质量下降的主要原因之一[1～2]。针对此情况由国家十部委联合颁布的《北方地区冬季清洁取暖规划(2017～2021年)》中明确指出，“到2021年北方地区清洁取暖率达到70%”，并对“2+26”城市提出了更高的要求。而空气源热泵供暖系统作为一种高效能、低排放的清洁取暖方式，在清洁取暖替代中得到了广泛的应用。随着热泵技术的进步，空气源热泵供暖系统的应用范围已经从我国南方夏热冬冷地区扩展到了我国北方大部分地区，并均可实现可靠、节能运行[3～4]。然而相较于传统供暖方式，空气源热泵供暖系统的初投资和运行费用较高，要想进一步在北方地区清洁取暖替代中占有更大的市场份额，就必须合理进行系统设计，提高空气源热泵供暖系统的竞争力。

在常规空气源热泵供暖系统设计中，按照当地供暖室外计算温度计算的热负荷直接选取空气源热泵机组，会导致机组数量偏多，而且在整个供暖期机组全部同时开启的时间所占比例极低。相对来说，空气源热泵机组具有设备成本较高、运行费用较低的特点；而电锅炉具有设备成本较低、运行费用较高的特点。因此将两者相结合，用空气源热泵承担基本负荷，用电锅炉承担调峰负荷，组成带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统，可以使系统初投资降低，且运行费用增加不多。自20世纪80年代以来，峰谷分时电价作为电力需求侧改革的重要措施之一，已在全国各省级电网得到广泛推行[5～6]。而承担调峰负荷的电锅炉全部运行在峰谷分时电价的夜间低谷电价时段，可以享受低谷优惠电价政策，使增加的运行费用进一步减少。因此，峰谷分时电价可以使带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统具有更优的经济效益。本文结合具体工程项目，为空气源热泵供暖系统设计中电锅炉调峰比例的选取提供参考。

一、项目简介

本项目位于山东省潍坊市昌邑市，根据地方政府的要求，对某住宅小区进行供暖改造，采用空气源热泵供暖系统，满足56,000m2的供暖需求。住宅小区均为节能建筑，末端形式均为地板辐射采暖，设计供回水温度为45/35℃。室内计算温度为18℃。当地执行峰谷分时电价政策,高峰、低谷时段的电价分别按基础电价上下浮动50%。

根据改造前的设计和运行参数，可知该住宅小区的供暖设计热负荷为1.96MW。根据潍坊市供暖期的气温变化，对该项目进行了逐时热负荷计算，见图1。从图1中可以看出，整个采暖季绝大部分时间的逐时热负荷都低于设计热负荷，最大热负荷出现频率很低，持续的时间很短。因此，按照设计热负荷选取空气源热泵机组，会造成机组数量偏多，系统初投资较大，且机组同时开启的时间极短，机组的利用率偏低。

图1 逐时热负荷

二、系统介绍

将空气源热泵机组和电锅炉结合起来，组成带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统。空气源热泵机组只承担基本热负荷，用基本热负荷来确定机组台数。这样可以减少空气源热泵机组台数，使系统的初投资显著下降。当热负荷大于基本热负荷时，用电锅炉来承担调峰热负荷，根据逐时热负荷可知，调峰热负荷全部是在夜间出现，电锅炉启动时使用的是当地峰谷分时电价的低谷优惠电价，系统运行费用增加较少。因此，采用带电锅炉调峰的空气源热泵系统可以降低其在全寿命周期内的总费用，提高系统的经济性。

三、机组选型

空气源热泵机组选用某品牌YCAE130C模块式风冷式热泵机组。该机组制热名义工况下的制热量为146kW，功耗为43.9kW，COP为3.33。出水温度为45℃时，不同环境温度下的制热量和COP见图2。可见机组的制热量和COP随室外环境温度的降低而降低。热泵机组的耗电量可由之制热量除以COP求得。而电锅炉的制热量几乎等于电锅炉的耗电量。因此，只要确定了基本热负荷和调峰热负荷的比例，就可以得到带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统在整个供暖季的逐时耗电量。

图2 热泵制热量和COP

四、不同设计寿命下系统的经济性分析

在进行经济性分析比较时，只考虑与常规空气源热泵供暖系统不同的主要工艺设备(空气源热泵机组和电锅炉)的初投资和运行费用，不考虑循环水泵、补水定压装置和管网的初投资和运行费用等与常规空气源热泵供暖系统相同的部分。根据设计寿命内的总费用，即主要工艺设备的初投资和设计寿命内的运行费用之和，来选择电锅炉的调峰比例，在设计寿命内的总费用最低时的电锅炉调峰比例即为系统的最佳调峰比例。

经询价，空气源热泵机组的初投资为8万元/台，电锅炉初投资为200元/kW，可得到项目总初投资。根据逐时热负荷，考虑了当地分时风谷电价和空气源热泵机组COP随室外气温的变化，得到不同设计寿命和调峰比例下的空气源热泵供暖系统经济性对比，见表1。

表1 不同调峰比例和设计寿命的空气源热泵供暖系统经济性分析

电锅炉调峰比例为0%的系统即为无电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统。从表1可以看出，不论设计寿命是10年，还是15年的空气源热泵供暖系统，带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统的单位面积总费用均低于无电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统。此外,还可以看出电锅炉调峰比例从0%到30%的范围内，设计寿命期是10年和15年的空气源热泵供暖系统，主要工艺设备的单位面积总费用都是先减小后增大的，即都存在一个电锅炉的最佳调峰比例，使单位面积总费用最低。设计寿命为10年的系统，最佳调峰比例为25%；设计寿命为15年的系统，最佳调峰比例为20%。在达到最佳调峰比例之前，单位面积总费用曲线下降相对比较缓慢；在超过最佳调峰比例后，单位面积总费用迅速增加。因此，在带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统中电锅炉的最佳调峰比例应根据系统的设计寿命确定，且超过最佳调峰比例后单位面积总费用迅速增加。

五、结语

本文以昌邑市的供暖改造项目为例，说明了采用带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统可以充分利用峰谷分时电价政策，降低设计寿命内的总费用，提高空气源热泵供暖系统的经济性。带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统的最佳调峰比例与系统的设计寿命有关，设计寿命越长，电锅炉的最佳调峰比例越小；本项目中，设计寿命为10年的系统，最佳调峰比例为25%；设计寿命为15年的系统，最佳调峰比例为20%。带电锅炉调峰的空气源热泵供暖系统的调峰比例超过最佳调峰比例后，单位面积总费用迅速增加，设计时应避免调峰比例超过最佳调峰比例。