地暖月刊 > 行业论文 > 正文
北京山区冬季清洁能源采暖建议方案分析
作者:广东纽恩泰新能源科技发展有限公司 赵密升 李建国 刘伟飞 陈国富
·2017-11-14 15:35:44
 
    

摘 要 本文针对北京地区山区村庄利用清洁能源冬季采暖,提出了一种方案并进行了分析。该方案采用喷气增焓变频压缩机空气能热泵外加带电辅加热的储热水箱,通过分时段控制热泵循环水温度,充分利用电网谷电时段低电价和室外午间时段相对高的室外温度使热泵连续制热,通过提高储能水箱水温和房间内部温度储蓄热量。

在峰电时段,设置较低的循环水温,让水箱和房间的蓄热释放,减少峰电时段热泵的开机比例,降低热泵采暖的运行费用和初期投资费用,本文对这一方案的可行性及经济性进行了分析。

关键词 清洁能源;低温采暖;空气能热泵;喷气;增焓


0 引言

由于北方农村地区及城市周边乡村在冬季缺乏集中供暖,大部分村庄一直采用小锅炉、小煤炉燃煤采暖,导致了空气的严重污染,和大范围的雾霾天气。

为了治理这种严重的空气污染,北京市政府从2003年开始,就一直在寻求农村地区冬季采用清洁能源采暖的途径。

早期,试验过电加热采暖方案,由于电加热采暖能效低、耗电量大、费用高,不适合大面积推广。

后来又试验过太阳能采暖等方案,由于冬季太阳光照时间短,光照强度低,阴雨天和夜间无阳光,太阳能冬季采暖不可行。

最近几年,北京平原地区农村推广应用了冬季空气能热泵采暖技术,经过近三年的大面积应用,结果表明空气能热泵在北京冬季低温条件下村庄采暖是可靠的,也是经济的。

北京市在北部山区还有1500个村庄,在2018~2020年期间计划全部实施清洁能源采暖。清洁能源采暖在北京北部山区村庄实施,一要保证技术上先进可靠,二要保证经济上初期投资少,后期运行费用低。

北京山区地区冬季气候条件:气温低于平原地区,冬季低温一般在-10℃~-13℃范围,低温天气平均气温在-9.7℃。

以2016年1月北京北部山区延庆天气记录和北京天气记录为例(见图1和图2),可见,北部山区的气温要比北京的气温低5℃左右。

尽管北京山区冬季温度低于平原气温4℃~5℃,但还是在低温热泵国家标准[1]的环境温度覆盖范围(-25℃以上)之内。

北京地区清洁能源采暖用户用电有峰电与谷电之分,谷电是从晚上9点到第二天的早上6点,电费为用户支付0.1元/kWh(市、区政府各补贴0.1元/kWh),而峰电则是用户支付0.485元/kWh。

经过大量的调查统计,平原地区一个采暖季的跟踪记录,空气能热泵采暖用户只利用了50%左右的谷电。

由上可以得知,要降低山区农户的空气能热泵采暖费用,需要通过分时段控制热泵的开机比例,保证空气能热泵用户充分利用谷电采暖制热和储热以及白天相对环境温度较高的午间时段制热和储热,在白天峰电的其他时段,利用储热水箱和房间内部储藏的热量缓慢释放,以及降低循环水温设置减少热泵的开机比例,实现节能。

山区农户的房子通常较大,为了避免供暖面积过大造成初期投资过大、采暖费用过高,应该根据农户供暖的基本需求设计采暖方案。对于房间内过道、粮食储藏房间和堆放杂物的房间,建议不要安装采暖末端。同时加强房屋保温,重点保证家庭成员主要活动区域有足够的温度。

由于北京北部山区冬季气温较低,特别是在少数极端天气最低可以接近-25℃,采暖热泵在这种环境温度下,制热量衰减较大,采用变频喷气增焓压缩机低温热泵、分时段控制、电辅加热和储热水箱是必要的。

为了确保山区村庄安全舒适度过寒冬,作为制造厂家必须采用先进可靠的技术,降低初期投资以及后期的运行费用。


1 方案简介

1.1 喷气增焓压缩机热泵及房屋导热计算分析

由于北京北部山区冬季低温在-10℃~-25℃范围,一般的变频热泵压缩机制热量在这一范围内衰减较大,排气温度也会下降较多。喷气增焓变频压缩机在低温环境下(-25℃甚至更低)可以维持较高的出水温度以及较大的制热量,具有较高的制热效率。

根据以上分析,建议采用变频增焓压缩机热泵作为北京北部山区农村清洁能源采暖首选方案。

变频增焓压缩机热泵循环系统如图3:

广东纽恩泰新能源科技发展有限公司喷气增焓变频压缩机低温采暖热泵(5匹机)系统在不同气温下的制热量和制热效率测试数据如表2所示。

表3为不带喷气增焓功能的变频压缩机热泵的数据,可见,在低温环境下(-15℃~-25℃),具有喷气增焓功能的变频压缩机低温热泵比不带喷气增焓功能的变频压缩机热泵制热量高20%左右,在气温为-15℃时,制热效率也要高30%左右。这一优势会确保热泵在低温条件下具有较高的制热量。

但是,当气温下降到-20℃~-25℃范围,房屋内部要保持18℃室温时,由于内外温差加大,房屋向外的导热量加大,电辅加热(3kW)就要启动。

从表4的数据,可以看到不同的墙体材料保温效果有较大的差别,气温低于-20℃时,电辅加热是必要的,否则,当房屋保温较差时,房间内部的温度就达不到16℃~18℃范围。

如若热泵要维持不同气温下房屋内部温度在18℃,则必须考虑房屋在不同气温下的导热功率。

表4计算了一个简单的房屋模型:

设:采暖面积为100平方米;

    房屋内部高度为3米;

    内部温度保持18℃;

    室外气温从0℃~-25℃。

不考虑阳光辐射和对流换热的影响,地面按绝热考虑,计算房屋围护在不同气温下不同墙体材料的导热功率。

从表4可以看出,房屋围护材料及其隔热性能决定了房屋采暖需要制热量的大小。

比如,粉煤灰加气混凝土砖墙体比普通淤泥烧结砖和多孔淤泥烧结砖墙体节能40%左右。屋顶采用导热系数低的水泥基复合保温砂浆(L型),可以大大降低房屋导热功率。

除此之外,根据以上房屋模型的尺寸及多孔淤泥烧结砖计算,当房屋内部温度每升高1℃,并且达到热平衡,房间内外墙体和屋顶的材料就会储存24kWh的热能。房屋内部温度每下降1℃,墙体内部储存的热量就会释放以上热能直到热平衡。这就是本方案提出的房间储热的依据。

如果考虑房间内部物体的储热,实际的储热和放热比24kW/℃还要大。

由于北京北部山区村庄房屋结构以及墙体及屋顶材料千差万别,以上计算仅供参考。值得一提的是,在实际的应用中,每家房屋总的传热系数K值难于精确计算,但可以通过试验方法确定。

具体如下:在外部环境温度Tw基本稳定的条件下,当房屋内部有稳定的加热功率P,连续加热房间,直到房间内部温度稳定在某一温度Tn,在这种热平衡条件下,内部的加热功率(P)等于房间向室外的导热功率。

用热传导的公式表达如下:

P=K·S·(Tn-Tw)

房屋总传热系数以及房屋总围护面积之积如下:

K·S=P/(Tn-Tw)

根据实测得到的房屋传热系数和围护总面积之积K·S就可计算在不同气温下,维持房间内部18℃温度所需要的制热量。

根据最大制热量,就可以合理选定合适的热泵。

1.2 热泵分时控制及储热水箱和房间内部储热

为了充分利用北京地区的谷电低价优势,降低用户的采暖成本,热泵控制系统需要采用分时控制方式,在谷电时段,控制系统调高热泵循环水设置温度到48℃~51℃,使热泵连续运行,500L储热水箱的水温从38℃升高到51℃,可以储存27300kJ(7.6kWh)热量。房间内温度会升高,墙体和房间内物体会储存大量的热量。

在早上7点~10点,控制系统把循环水温控制在38℃~41℃,利用谷电时段储存在水箱和房间的热量缓慢释放,由此降低压缩机的开机比例。

在上午11点到下午3点,利用午间室外相对高气温条件以及热泵在这种条件下具有较高的制热效率,控制器调高循环水温设置到48℃~51℃,令热泵连续运行制热,使储热水箱和房间内部储热,水温升高和室内温度升高,储存热量。

在下午4点到晚上8点,控制器降低循环水温到38℃~41℃范围,利用中午时段储存在房间的热量释放,降低热泵的开机比例。

采用分时控制充分利用谷电时段连续运行热泵制热,通过水箱和房间储热。在峰电时段,调低循环水温设置(38℃~41℃),房间内部和循环水箱储存的热量就会释放,热泵的开机比例就会下降。

在午间时段,室外气温较高,热泵的制热量较大,让热泵连续运行制热。让循环水温升高,以及房间升温,房间升温后,内部物体及墙壁就会储存热量。特别是采用地暖的房间,地面及周边的混凝土及土壤温度也会上升,这些物体会储蓄大量的热量,在白天其他峰电时段,当循环水温设置降低后,这些储存的热量会缓慢释放,热泵的开机比例会降低。

因此,本方案不建议采用大的水箱储热,这样可以大幅降低初期投资。

2 方案的经济性分析

2.1 方案的初期投资

以120平方米建筑面积折合100平方米采暖面积为例,采用5匹喷气增焓变频低温热泵及不同采暖末端的初始投资,根据配件和主机的市场价格计算结果如下:

•主机及循环水箱投资:30076元

•家装散热器总投资:30076+5300元

•家装地暖总投资:30076+6405元

•家装风机盘管总投资:30076+9200元

本方案除配备一组500L循环储热水箱外,不建议配备大的储热水箱。我们应该认识到,房间储热特别是地暖储热效果相当好,大的储热水箱运输成本高,占地面积大,放在室外由于室外低温(-10℃~-25℃)和水箱内部的高温(41℃~51℃)影响,箱内水温和室外气温相差高达51K~71K,储热水箱会损失大量的热量。与此同时,将其放在室内会占用较大的房间面积。

2.2 方案的运行经济性分析

以北京延庆2016年1月22日的天气记录数据(白天-10℃,夜间-23℃)为例,计算喷气增焓变频低温热泵在不同控制模式下的耗电量和电费。

根据2016年1月22日气象记录(延庆在2016年最寒冷的一天)计算,分时控制模式可以节省电费39%。

如果用这天的耗电量及电费计算5个月采暖季的费用,分时控制模式下,一个采暖季需要4023元,不采用分时控制模式,需要5575元,二者相差大约1554元。

实际上,在5个月的采暖季中,实际环境温度要比以上最冷的环境温度高,实际的耗电量和电费比以上估算的要低得多。

按照延庆2016年1月白天和夜间平均气温和分时控制计算,一天的耗电量为69kWh,电费为17.56元。

1月份基本上是延庆最冷的季节,如果按1月的平均温度以及分时控制得到的电费计算5个月采暖季总费用为2635元。

综上可见,分时控制可以充分利用谷电,降低采暖成本。


3 结论

根据以上分析,北京北部山区冬季由于气温低,采暖方案和技术要综合考虑房屋的保温效果和低温条件,确保农户舒适安全度过寒冬。同时要保证方案能够在初期投资和后期使用上,农户能够承担。

本文建议的方案在技术上是可行的,经济上可以降低使用成本,不采用大水箱的方案,可以节省初期投资。

结论如下:

a.数据显示,北京北部山区冬季气温比平原地区气温低,最低气温接近-25℃。在这种气温条件下,喷气增焓变频压缩机热泵系统外加电辅加热水箱可以确保北京北部山区农村冬季采暖。

b.采用分时控制方法,利用储热水箱(500L)和房间储热,充分利用谷电制热采暖和午间气温相对较高时热泵连续运行——用这种控制方式可以大幅降低采暖费用。

c.北京北部山区农村房屋结构和墙体材料千差万别,如果保温效果差,清洁能源采暖就会受到影响。基于上述,建议包括北京北部山区在内的保温效果差的房子要做保温改造或房屋内部采用局部采暖。


参考文献

[1] GB/T 25127.1-2010 《低环境温度空气源热泵(冷水)机组》第1部分:工业或商业用及类似用途的热泵(冷水)机组。

[2]《空气调节》,清华大学出版社,薛殿华主编。

[3]《空气源热泵热水器》李凡、赵恒谊主编,重庆大学出版社。

[4]《供暖与热水供应》[英] E.W.肖著,中国建筑工业出版社,1986。

[5]《制冷原理及设备》吴业正,西安交通大学出版社,1997。


作者简介

赵密升(1974),广东纽恩泰新能源科技发展有限公司董事长,纽恩泰公司的创始人,多年从事热泵产品的开发、研制和生产。

李建国(1963),广东纽恩泰新能源科技发展有限公司副总经理,工学博士,高级工程师,联系方式:584699667@qq.com。

刘伟飞(1979),广东纽恩泰新能源科技发展有限公司工程产品技术部经理,多年从事热泵产品的研究开发,联系方式:168387873@qq.com。

陈国富(1985),广东纽恩泰新能源科技开发有限公司研发技术中心产品项目管理部经理,多年从事热泵热水器产品开发,联系方式:310369992@qq.com。


 
 发表评论    相关评论
标题:
内容:
现在有条评论  匿名发表 
 
按年
按期
本期导读
“万和杯”2018中国舒适家居大会
关于参加“中国采暖暨舒适家居大
太阳能供暖、供冷及热水三联供案
关于地暖系统增加地暖管的案例分
深度解析对加热电缆融雪化冰系统
地暖用实木地板生产技术与质量要
中国采暖暨舒适家居大讲堂西北区
德国YBP供热管路2018年中国区经销
中国地暖万里行暨舒适家居盛会第
耐森锦荣“工蜂力量” 启动大会圆
好享家获GIIS“2018中国家居家装
户式水机空调系统与新风及地暖系
关于参加“中国采暖暨舒适家居大
辽宁省推进清洁取暖应用技术论坛
2018地采暖用实木地板品类大会 暨
纽恩泰2018全国优秀经销商年度峰
我国建材家居及暖通领域 首家混合
三友衡盛助力 《武林风》盛大开播