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北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析(一)
作者:1.同济大学机械与能源工程学院 周海舰 高乃平* 2.中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 李 忠 李爱松 聂晶晶 3.国际铜业协会 赵恒谊 高屹峰
·2017-12-29 10:28:42
 
    

摘 要 2016年在北京农村地区,约有15.1万户居民安装了空气源热泵供暖系统。为探究空气源热泵机组的性能及使用效果,笔者选取了15户农宅对其运行情况进行实时监测。结果表明,空气源热泵供暖系统季节制热性能系数SCOP在1.86~3.45之间,机组可以长期稳定运行并具有较好的节能效果。在满足居民取暖需求的前提下,经济优势明显,环境效益突出。

关键词 空气源热泵;农村供暖;监测系统;SCOP


0 引言

在我国北方地区,供暖季大量燃烧散煤,从而造成雾霾天气频发,阻碍了绿色经济的发展,也给广大居民的日常生活带来一定困扰。为改善这一问题,北京近年来相继出台了“煤改电”“减煤换煤”等政策措施。其中,鼓励在北京农村地区使用空气源热泵采暖,代替原有的“土暖气”[1-2]。空气源热泵属于清洁采暖设备,供暖效果良好,节能性和经济性也有明显优势[3-5]。

2016年,在北京农村地区大规模安装了空气源热泵机组,用于居民冬季采暖。为了解空气源热泵采暖系统的实际使用效果和设备运行情况,在北京农村地区选取了15户普通农宅,建立了供暖监测系统。

本次15户供暖系统来自不同空气源热泵生产厂家,各机组的功率大小有所不同,供暖末端既有散热器也有地暖盘管。通过对2016~2017年供暖季热泵系统情况进行实时监测,详细分析了系统的各项运行参数。

1 供暖监测系统

1.1 系统概况

空气源热泵供暖系统主要由热泵机组、缓冲水箱、循环水泵和供暖末端等组成,不同厂家的系统组成稍有差异,如图1所示。

其中,空气源热泵机组又包含室内机和室外机两部分,主要部件有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀。

本文选取的各监测点均是北京农村地区的普通民宅,建筑形式既有传统的四合院式,以及一体式的;供暖系统的热水加热形式有循环加热式和缓冲水箱式两种;采暖末端有散热器采暖、地面辐射供暖以及散热器+地面辐射供暖三种方式。

1.2 监测方法

本次监测主要涉及室内环境、室外环境和机组参数三部分内容。

(1)室内温度

各测点分别选取4个典型房间设置室内空气温度测点,典型房间涵盖北向房间、南向房间、起居室和卧室四种类型。

测点设置于室内活动区域,距地面0.7m~1.8m内有代表性的位置,且温度传感器不受到太阳辐射或室内热源的直接影响。

(2)室外温湿度

室外空气温度:每个项目设置1个室外空气温度测点,百叶箱放置在距建筑物5m~10m范围内。

室外空气相对湿度:每个项目设置1个室外空气相对湿度测点,并放置在室外空气温度测点附近。

(3)机组参数

供暖系统供水温度:在空气源热泵机组附近供暖系统供水管路上设置水温测点,测试供暖系统供水温度。

供暖系统回水温度:在空气源热泵机组附近供暖系统回水管路上设置水温测点,测试供暖系统回水温度。

供暖系统水流量:在供暖系统主管路直管段上设置水流量测点,流量计安装于水平直管段且满足前端管长不小于10倍管直径,后端管长不小于5倍管直径的要求。

系统电功率与耗电量:在系统总供电电源上设置电功率表,测试系统(包含空气源热泵机组、水泵和辅助电加热等耗电部件)的总输入电功率和耗电量;电辅助加热单独分开计量。测点类型与仪表精度如下表所示:

整个监测系统的结构如图2所示。所有监测参数的数据采样频率均为1分钟/次,确保数据的连续性和完整性。 

2 结果分析

2.1 能效分析

对供暖季开始(11月中旬)到次年2月底的数据进行整理,各监测点数据的平均值如表2所示。

由于部分测点的监测仪表安装时间稍晚,本次统计暂忽略监测时间长短的差异。

空气源热泵供暖系统季节制热性能系数SCOP,是监测周期内的总供热量与总耗电量的比值,总耗电量包括热泵机组、循环水泵、辅助热源等供暖系统所有用电装置的耗电量[6]。按照监测周期内平均SCOP值的大小,对各测点数据进行排列,如表2所示。还包括室外温度和相对湿度,典型供暖房间内的温度,供暖系统的出水温度、回水温度,以及实际供暖面积。表2中所示参数,均为监测周期内的平均值。

供暖系统的SCOP在1.86~3.45之间,15个测点SCOP的平均值为2.34,因此空气源热泵供暖系统的节能效果明显。

由图3可知,各测点的SCOP主要位于1.8~2.6区间内。

由图4可知,在本次监测项目中,15个测点的室内温度平均值为19.6℃,大部分测点的室内温度在18℃~22℃,供暖效果良好。

2.2 经济性分析

对监测周期内15个测点进行综合计算分析,得到各测点的运行费用,如表3所示。

北京农村地区采用空气源热泵供暖用户,实行峰谷电价,白天电价0.4883元/kWh,晚上9时至第二天6时电费为0.1元/kWh[1]。

根据监测数据可得到各测点的日平均单位面积供热量和日平均单位面积耗电量,由此估算出15个测点在供暖季(120天)的单位面积供暖费用,如表3所示。

单位面积供暖费用最小值为12.5元/m2,平均值为20.2元/m2

以120m2居民住宅为例,最小年供暖费用为1500元,平均年供暖费用为2424元。

散煤采暖炉的年运行费用约为39.1元/m2,燃气壁挂炉的年运行费用约为34元/m2[7]。

总而言之,在保证热泵机组性能较好的条件下,其经济优势明显。

2.3 环境效益分析

相比散煤燃烧等传统供暖方式,空气源热泵供暖系统的环保性优势则更为明显。

根据《空气源热泵供暖系统监测和评价规则》中的方法,对污染物等减排情况进行计算核验。

供暖建筑采用常规能源供热的能耗Qt计算公式:

   (1)

式中:

Q——空气源热泵供暖系统供热量,MJ;

ηt——燃煤锅炉效率,取70%;

q——标准煤热值,取29.307MJ/kgce。

空气源热泵供暖系统总能耗Qr计算公式:

         Qr=m∑Ni      (2)

式中:

m——供电煤耗,取0.312kgce/kWh;

∑Ni——空气源热泵供暖系统总耗电量,单位kWh。

空气源热泵供暖系统的常规能源替代量QS计算公式:

         QS=Qt−Qr       (3)

式中:

QS——空气源热泵供暖系统的常规能源替代量,单位kgce;

Qt——供暖建筑采用常规能源供热的能耗,单位kgce;

Qr——空气源热泵供暖系统的总能耗,单位kgce。

由表3可知,以15个测点供暖季的平均值进行计算,农宅的日平均单位面积耗电量为0.49kWh/m2

仍以供暖季120天、供暖面积120m2为例,则总的耗电量为7056kWh。平均SCOP为2.34,则总的供热量约为59440MJ。

计算可得Qt为2897kgce,Qr为2201kgce,因此空气源热泵供暖系统的常规能源替代量为696kgce。

空气源热泵供暖系统的二氧化碳减排量MCO2计算公式:

        MCO2=Qs×EFCO2    (4)

式中:

MCO2——二氧化碳减排量,kg;

FFCO2——二氧化碳排放因子,取2.6kg/kgce。

空气源热泵供暖系统的二氧化硫减排量MSO2计算公式:

           MSO2=QS×EFSO2/1000   (5)

式中:

MSO2——二氧化硫减排量,kg;

EFSO2——二氧化硫排放因子,取7.4kg/tce。

空气源热泵供暖系统的颗粒物减排量MPM计算公式:

              MPM=QS×EFPM/1000     (6)

式中:

MPM——颗粒物减排量,kg;

EFPM——颗粒物排放因子,取13.5kg/tce。

空气源热泵系统的氮氧化物减排量MNOx计算公式:

         MNOx=QS×EFNOx/1000      (7)

式中:

MNOx——氮氧化物减排量,kg;

EFNOx——氮氧化物排放因子,取1.6kg/tce。

根据中国热泵产业联盟的统计结果,2016年北京市共安装空气源热泵机组15.1万户,则二氧化碳及部分污染物的减排量如表4所示。

3 结论

通过对北京市15户农宅空气源热泵供暖系统的实测分析,主要得出以下结论:

(1)空气源热泵供暖系统的SCOP在1.86~3.45之间,15个测点的平均值为2.34,节能效果明显。室内温度大部分都在18℃~22℃,可满足冬季供暖需求。

(2)热泵机组的单位面积供暖费用最小值为12.5元/m2,平均值为20.2元/m2,与散煤采暖炉和燃气壁挂炉相比,经济优势显著。

(3)以北京市2016年安装的空气源热泵机组为例,可实现常规能源替代量10.5万吨,二氧化碳减排量27.3万吨,二氧化硫减排量770吨,颗粒物减排量1419吨,以及氮氧化物减排量166吨,有利于改善北京及周边地区的环境污染情况。


参考文献

[1]北京市人民政府办公厅.2016年北京市农村地区村庄“煤改清洁能源”和“减煤换煤”工作方案[Z].2016-03-28

[2]北京市人民政府办公厅.2017年北京市农村地区村庄冬季清洁取暖工作方案[Z].2017-02-11

[3]李元哲,于涛,陈天侠.空气源热泵地板供暖系统在北方寒冷地区应用的节能性与适用性[J].暖通空调,2012,42(2):62--65

[4]杨茜,李德英,张帅,等.北京农村空气源热泵散热器供暖系统的应用[J].建筑节能,2015,43(11):100-104

[5]Zhang Y, Ma Q, Li B, et al.Application of an air source heat pump(ASHP)for heating in Harbin, the coldest provincial capital of China [J].Energy and Buildings, 2017, 138: 96-103

[6]T/CECA-G0013-2017.空气源热泵供暖系统监测和评价规则[S].中国节能协会,2017

[7]蒋建云,章永洁,叶建东,等.北京农村地区燃煤供暖替代技术方案实效对比[J].暖通空调,2016,46(9):51-55


 
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