下面以某工程為例說(shuō)明空氣源熱泵系統(tǒng)電輔助熱源容量的確定方法。

 

      該工程為烏魯木齊某宿舍樓，建筑面積5200，供暖熱負(fù)荷280kW。采用低溫空氣源熱泵熱水機(jī)組供暖，并利用低谷電以電鍋爐（或電加熱器）為輔助熱源。烏魯木齊供暖室外計(jì)算溫度為－19.5℃，供暖系統(tǒng)供回水溫度為45 ℃/40 ℃，需確定輔助熱源容量。

 

      通過(guò)對(duì)烏魯木齊室外氣象參數(shù)和谷電時(shí)段時(shí)間的分析，選擇-12℃為平衡點(diǎn)溫度，并知該溫度下建筑熱負(fù)荷為228kW。根據(jù)某廠家技術(shù)資料，并考慮到提高熱泵機(jī)組在室外氣溫較高時(shí)的部分負(fù)荷下性能系數(shù)，選擇3臺(tái)熱泵機(jī)組。在室外溫度為-12℃、供水溫度為45℃時(shí)，單臺(tái)熱泵機(jī)組制熱量為76kW，3臺(tái)運(yùn)行可滿足室外溫度大于平衡點(diǎn)溫度時(shí)供暖要求。在室外溫度為-19.5 ℃，供水溫度為45℃時(shí)，單臺(tái)熱泵機(jī)組制熱量為58.7kW，3臺(tái)制熱量為176kW，不能滿足供暖熱負(fù)荷需求，需設(shè)1臺(tái)電輔助鍋爐，電輔助鍋爐容量為104kW。

 

      室外溫度低于-12℃時(shí)，需要啟動(dòng)電鍋爐輔助熱源，而這個(gè)溫度區(qū)間的室外氣溫并不都出現(xiàn)在谷電時(shí)段，為充分利用低谷電，需要設(shè)置蓄熱裝置。蓄熱裝置谷電時(shí)段以?xún)?nèi)進(jìn)行蓄熱，谷電時(shí)段以外用于為熱泵系統(tǒng)補(bǔ)熱。

 

      首先選擇冷月室外平均氣溫等于（或接近）供暖室外計(jì)算溫度-19.5 ℃的1天作為設(shè)計(jì)日。查得結(jié)果為1月18日，該日室外溫度平均為-20℃，為-24℃，為-15.8℃。該日谷電時(shí)段內(nèi)室外溫度為-24 ℃，為-15.9 ℃；谷電時(shí)段外室外溫度為-21.9℃，為-15.8 ℃，平均為-18.5 ℃。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)日谷電時(shí)段內(nèi)、外均需運(yùn)行輔助熱源。谷電時(shí)段內(nèi)3臺(tái)熱泵機(jī)組和1臺(tái)電輔助鍋爐同時(shí)運(yùn)行，直接為建筑供暖，另外還需配置1臺(tái)蓄熱用電鍋爐和蓄熱水箱，谷電時(shí)段內(nèi)進(jìn)行蓄熱。以-18.5℃作為計(jì)算蓄熱裝置的室外計(jì)算溫度，該溫度下建筑熱負(fù)荷為273kW，其中熱泵機(jī)組承擔(dān)176kW，蓄熱裝置需承擔(dān)97kW。谷電時(shí)段外共計(jì)14h，需要蓄熱量1358kW.h。要在谷電時(shí)段10h內(nèi)完成蓄熱，蓄熱用電鍋爐容量為136kW。若采用常壓水蓄熱方式，蓄熱溫度為45~90℃，蓄熱水容積為26m3。

 

      按以上計(jì)算方法，算出了平衡點(diǎn)溫度分別為-11~-9℃，-15~-13 ℃時(shí)的熱泵機(jī)組、電輔助鍋爐、蓄熱用電鍋爐以及蓄熱水箱的容量。

 

 

 

      按1.1節(jié)方法初步選擇空氣源熱泵系統(tǒng)的平衡點(diǎn)溫度后，對(duì)系統(tǒng)供暖期能效（或季節(jié)性能系數(shù)）進(jìn)行核算。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵應(yīng)用的季節(jié)能效推薦指標(biāo)，考慮到熱泵機(jī)組性能、氣候特點(diǎn)、電輔助熱源等因素，并參考北京（寒冷地區(qū)）季節(jié)性能系數(shù)推薦，建議烏魯木齊地區(qū)空氣源熱泵應(yīng)用的供暖期能效指標(biāo)范圍為2.0~2.2。

 

      下面對(duì)1.2節(jié)示例平衡點(diǎn)溫度為-12℃的空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖期能效計(jì)算。先由文獻(xiàn)【7】查得并列出烏魯木齊典型氣象年供暖期內(nèi)13個(gè)室外溫度區(qū)間出現(xiàn)的時(shí)間，然后計(jì)算出各溫度區(qū)間下建筑熱負(fù)荷、熱泵供熱量、熱泵供熱性能系數(shù)、壓縮機(jī)輸入功率、風(fēng)機(jī)功率、電輔助加熱功率等參數(shù)，算結(jié)果見(jiàn)表3。

 

         （點(diǎn)擊可查看大圖~）

 

      表3中熱泵供熱量、輸入功率等參數(shù)參考了某廠家技術(shù)資料。熱泵供熱性能系數(shù)所乘的系數(shù)為熱泵結(jié)霜除霜系數(shù)，根據(jù)烏魯木齊冬季低溫、干燥的氣候特點(diǎn)，以及不同室外溫度區(qū)間結(jié)霜速率，編號(hào)1~3，4~7，8~13的室外溫度區(qū)間結(jié)霜除霜系數(shù)分別取1.0，0.9，0.95。根據(jù)不同室外溫度區(qū)間建筑熱負(fù)荷的需求，可投入1~3臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行，熱源側(cè)風(fēng)機(jī)功率與機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)相對(duì)應(yīng)。編號(hào)10~13的室外溫度區(qū)間為低于平衡點(diǎn)溫度-12℃的區(qū)間，也是啟動(dòng)電輔助加熱的區(qū)間，電輔助加熱量為建筑熱負(fù)荷與熱泵供熱量的差值。電輔助加熱功率中計(jì)入了加熱、蓄熱裝置的熱損失，綜合損失系數(shù)取0.9。

 

      經(jīng)計(jì)算，供暖期按建筑熱負(fù)荷需求的系統(tǒng)總供熱量為697623kW.h，熱泵機(jī)組、電輔助加熱總用電量為318773．93kW·h，供暖期系統(tǒng)能效比為2.19。當(dāng)供暖期系統(tǒng)能效比計(jì)算結(jié)果低于2.0時(shí)，應(yīng)調(diào)整平衡點(diǎn)溫度并重新計(jì)算。

 

      如果電力生產(chǎn)和輸配的總效率按35%計(jì)，本例中空氣源熱泵供暖期的一次能源效率可達(dá)76.65%，遠(yuǎn)高于電直接或蓄熱式供暖的一次能源效率。

 

2.2    空氣源熱泵系統(tǒng)用電費(fèi)用情況分析

      表3中還列出了各室外溫度區(qū)間在低谷電時(shí)段出現(xiàn)的時(shí)間，由此可計(jì)算出熱泵機(jī)組在谷電時(shí)段運(yùn)行的用電量總和為142466．23kW·h；電輔助熱源在谷電時(shí)段供暖及蓄熱的用電量總和為40778.3kW.h。系統(tǒng)低谷電用電量總和為183244．53kW.h，熱泵機(jī)組峰、平時(shí)段用電量總和為135529．4kW.h。

 

      烏魯木齊分時(shí)電價(jià)為：峰電4h，0.565 元/（kW.h）；平電10h，0.395元/（kW.h）；谷電10h，0.08 元/（kW.h）。峰、平時(shí)段平均電價(jià)為0.444元/（kW.h）。

 

      示例中熱泵系統(tǒng)供暖期運(yùn)行的低谷電費(fèi)用為183244．53kW.h*0.08元/（kW.h）=14659.56元；峰、平電費(fèi)用為：135529.4kW.h*0.444元/（kW.h）=60175.05 元。用電費(fèi)用合計(jì)為74834．61元，建筑面積為5200m2，單位面積用電費(fèi)用為14.39元/m2。

 

      空氣源熱泵機(jī)組按樓棟設(shè)置，用戶末端循環(huán)泵耗電輸熱比按JGJ26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》控制，本例用戶末端和蓄熱裝置循環(huán)水泵軸功率在10kW 以?xún)?nèi)。若循環(huán)泵用電按峰、平時(shí)段平均電價(jià)0.444元/（kW.h）計(jì)，供暖期循環(huán)泵單位面積用電費(fèi)用只有2元/m2左右。計(jì)入循環(huán)泵用電的熱泵系統(tǒng)供暖期單位面積運(yùn)行費(fèi)用在16元/m2 左右。而烏魯木齊區(qū)域供熱供暖收費(fèi)為22元/m2，可見(jiàn)采用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行費(fèi)用方面也較具優(yōu)勢(shì)。

 

 

      烏魯木齊應(yīng)用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統(tǒng)，在能效方面優(yōu)于電直接或蓄熱式供暖系統(tǒng)，用電費(fèi)用低于集中供暖收費(fèi)。建議將分時(shí)段供電的低谷電優(yōu)惠政策擴(kuò)展到電驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目中來(lái)，一方面可促進(jìn)可再生能源技術(shù)的推廣應(yīng)用，另一方面可為低谷電應(yīng)用開(kāi)辟新的途徑，有利于縮小電網(wǎng)峰谷差。實(shí)際上，低溫空氣源熱泵不僅可以在冬季供暖，還可以在夏季供冷，一機(jī)兩用，投資效益較高。在具體工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑功能、規(guī)模、冷熱負(fù)荷等結(jié)合平衡點(diǎn)溫度的選擇進(jìn)行包括設(shè)備初投資在內(nèi)的更全面的經(jīng)濟(jì)分析。