下面以某工程為例說明空氣源熱泵系統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，供暖熱負荷280kW。采用低溫空氣源熱泵熱水機組供暖，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算溫度為－19.5℃，供暖系統供回水溫度為45 ℃/40 ℃，需確定輔助熱源容量。

 

      通過對烏魯木齊室外氣象參數和谷電時段時間的分析，選擇-12℃為平衡點溫度，并知該溫度下建筑熱負荷為228kW。根據某廠家技術資料，并考慮到提高熱泵機組在室外氣溫較高時的部分負荷下性能系數，選擇3臺熱泵機組。在室外溫度為-12℃、供水溫度為45℃時，單臺熱泵機組制熱量為76kW，3臺運行可滿足室外溫度大于平衡點溫度時供暖要求。在室外溫度為-19.5 ℃，供水溫度為45℃時，單臺熱泵機組制熱量為58.7kW，3臺制熱量為176kW，不能滿足供暖熱負荷需求，需設1臺電輔助鍋爐，電輔助鍋爐容量為104kW。

 

      室外溫度低于-12℃時，需要啟動電鍋爐輔助熱源，而這個溫度區間的室外氣溫并不都出現在谷電時段，為充分利用低谷電，需要設置蓄熱裝置。蓄熱裝置谷電時段以內進行蓄熱，谷電時段以外用于為熱泵系統補熱。

 

      首先選擇冷月室外平均氣溫等于（或接近）供暖室外計算溫度-19.5 ℃的1天作為設計日。查得結果為1月18日，該日室外溫度平均為-20℃，為-24℃，為-15.8℃。該日谷電時段內室外溫度為-24 ℃，為-15.9 ℃；谷電時段外室外溫度為-21.9℃，為-15.8 ℃，平均為-18.5 ℃。由此可見，在設計日谷電時段內、外均需運行輔助熱源。谷電時段內3臺熱泵機組和1臺電輔助鍋爐同時運行，直接為建筑供暖，另外還需配置1臺蓄熱用電鍋爐和蓄熱水箱，谷電時段內進行蓄熱。以-18.5℃作為計算蓄熱裝置的室外計算溫度，該溫度下建筑熱負荷為273kW，其中熱泵機組承擔176kW，蓄熱裝置需承擔97kW。谷電時段外共計14h，需要蓄熱量1358kW.h。要在谷電時段10h內完成蓄熱，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。

 

      按以上計算方法，算出了平衡點溫度分別為-11~-9℃，-15~-13 ℃時的熱泵機組、電輔助鍋爐、蓄熱用電鍋爐以及蓄熱水箱的容量。

 

 

 

      按1.1節方法初步選擇空氣源熱泵系統的平衡點溫度后，對系統供暖期能效（或季節性能系數）進行核算。目前國內還沒有關于嚴寒地區空氣源熱泵應用的季節能效推薦指標，考慮到熱泵機組性能、氣候特點、電輔助熱源等因素，并參考北京（寒冷地區）季節性能系數推薦，建議烏魯木齊地區空氣源熱泵應用的供暖期能效指標范圍為2.0~2.2。

 

      下面對1.2節示例平衡點溫度為-12℃的空氣源熱泵系統進行供暖期能效計算。先由文獻【7】查得并列出烏魯木齊典型氣象年供暖期內13個室外溫度區間出現的時間，然后計算出各溫度區間下建筑熱負荷、熱泵供熱量、熱泵供熱性能系數、壓縮機輸入功率、風機功率、電輔助加熱功率等參數，算結果見表3。

 

         （點擊可查看大圖~）

 

      表3中熱泵供熱量、輸入功率等參數參考了某廠家技術資料。熱泵供熱性能系數所乘的系數為熱泵結霜除霜系數，根據烏魯木齊冬季低溫、干燥的氣候特點，以及不同室外溫度區間結霜速率，編號1~3，4~7，8~13的室外溫度區間結霜除霜系數分別取1.0，0.9，0.95。根據不同室外溫度區間建筑熱負荷的需求，可投入1~3臺熱泵機組運行，熱源側風機功率與機組運行臺數相對應。編號10~13的室外溫度區間為低于平衡點溫度-12℃的區間，也是啟動電輔助加熱的區間，電輔助加熱量為建筑熱負荷與熱泵供熱量的差值。電輔助加熱功率中計入了加熱、蓄熱裝置的熱損失，綜合損失系數取0.9。

 

      經計算，供暖期按建筑熱負荷需求的系統總供熱量為697623kW.h，熱泵機組、電輔助加熱總用電量為318773．93kW·h，供暖期系統能效比為2.19。當供暖期系統能效比計算結果低于2.0時，應調整平衡點溫度并重新計算。

 

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

 

2.2    空氣源熱泵系統用電費用情況分析

      表3中還列出了各室外溫度區間在低谷電時段出現的時間，由此可計算出熱泵機組在谷電時段運行的用電量總和為142466．23kW·h；電輔助熱源在谷電時段供暖及蓄熱的用電量總和為40778.3kW.h。系統低谷電用電量總和為183244．53kW.h，熱泵機組峰、平時段用電量總和為135529．4kW.h。

 

      烏魯木齊分時電價為：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、平時段平均電價為0.444元/（kW.h）。

 

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

 

      空氣源熱泵機組按樓棟設置，用戶末端循環泵耗電輸熱比按JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》控制，本例用戶末端和蓄熱裝置循環水泵軸功率在10kW 以內。若循環泵用電按峰、平時段平均電價0.444元/（kW.h）計，供暖期循環泵單位面積用電費用只有2元/m2左右。計入循環泵用電的熱泵系統供暖期單位面積運行費用在16元/m2 左右。而烏魯木齊區域供熱供暖收費為22元/m2，可見采用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統在運行費用方面也較具優勢。

 

 

      烏魯木齊應用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統，在能效方面優于電直接或蓄熱式供暖系統，用電費用低于集中供暖收費。建議將分時段供電的低谷電優惠政策擴展到電驅動空氣源熱泵應用項目中來，一方面可促進可再生能源技術的推廣應用，另一方面可為低谷電應用開辟新的途徑，有利于縮小電網峰谷差。實際上，低溫空氣源熱泵不僅可以在冬季供暖，還可以在夏季供冷，一機兩用，投資效益較高。在具體工程應用時應根據建筑功能、規模、冷熱負荷等結合平衡點溫度的選擇進行包括設備初投資在內的更全面的經濟分析。