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1、1996 年 9 月Sep.1996天 津 大 学 学 报JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY第 29卷 第 5 期Vol.29No.5空气源热泵的节能效果及经济可行性分析巨永平*张永铨(土木工程系)吕灿仁(热能工程系)刘耀浩(土木工程系)本文 1994 年9 月 15 日收到.1995 年 1 月 5日收到修改稿.*1963 年生,男,硕士,讲师.Born in 1963,male,M,lecturer.摘要 研究空气源热泵在我国不同供热分区内使用的节能效果及经济可行性.提出了空气源热泵、锅炉及电加热 3种方式的一次能耗及年度使用费用的计算方法,并分别给出了空气源热泵与
2、其他供热方式在经济及能耗上可比的准则关系式.针对7 个不同的供热分区计算分析了两种热泵系统与其它供热方式相比的节能效果及经济效益,并对我国空气源热泵的发展使用提出了几点原则性的结论和建议.关键词:空气源热泵,节能,供热系统,中国供热分区分类号:T K114ENERGY SAVING EFFECT AND ECONOMICFEASIBILITYOF AIR-SOURCE HEAT PUMPSJu YongpingZhang Yongquan(Dept.of Civil Eng.)LCanren(Dept.of Thermalenergy Eng.)Liu Yaohao(Dept.of Civil
3、 Eng.)AbstractThis paper deals with the energy saving effects and the economic feasibility ofair-source heat pumps in various heating areas in China.T he authors present the calculationmethods of coal consumption and annual life-cycle cost of three kinds of heating systems boiler,electric heater and
4、 heat pump,and then give the norm equations which can be used tocompare the air-source heat pumps with the two other heating systems in terms of economy andenergy consumption.With the norm equations the authors have calculated two kinds of air-sourceheat pumps in seven different heating areas.In con
5、clusion the authors present some principal ideaswhich are important in the use and development of air-source heat pumps in China.Key words:air-source heat pumps,energy saving,heating systems,heating areas in China 我国的气候和自然资源有利于热泵采暖,采用热泵发掘环境资源的收益比国外要好 1.黄河、长江流域的广大地区夏季需要空调,冬季需要供热,促进了空调器向冷热两用的方向发展.随着生产
6、能力和技术水平的提高,热泵型空调器已占有相当大的比例 2.空气源热泵的供热性能随气候变化有很大不同,热泵能否广泛使用,取决于有无社会及经济效益.因此,不同地区使用空气源热泵供热与传统的供热系统相比,节约能源的程度和经济上是否合算,一直是众所关心的问题.1 空气源热泵供热系统的节能效果1.1 不同供热系统的一次能耗(折合煤)1)空气源热泵供热系统的一次能耗 MhpMhp=3600Sql/(GeGetH SPFHd)(1)2)锅炉供热系统的一次能耗 Mb锅炉供热系统主要以燃煤为主,同时辅助设备要消耗一定的电能.折合成一次能耗计算式为Mb=3600Sql/(GbHd)+3600sSql/(GeGet
7、Hd)(2)式中:Gb=1.12Gbo-0.16 3.3)电加热供热系统的一次能耗 MeMe=3600Sql/(GeGetHd)(3)1.2空气源热泵供热系统的节能效果以热泵的一次能耗为基准,定义一次能源节约率 ExEx=(Mx-Mhp)/Mhp(4)1)空气源热泵供热系统和锅炉供热系统的一次能耗比较Eb=GeGetH SPF/(1.12Gbo-0.16)+sH SPF-1(5)当 Eb 0时,热泵系统比锅炉系统节约一次能源.在式(5)中令 Eb 0 则有 图 1 热泵和锅炉供热系统一次能耗比较准则曲线Fig.1 Energy consumption comparison of a heatp
8、ump with a boiler heating systemH SPF 1/(GeGet/(1.12Gbo-0.16)+s)(6)式(6)为空气源热泵供热系统和锅炉供热系统的一次能耗相比较的准则关系式.若式(6)成立,说明热泵供热系统比锅炉供热系统节约一次能源,反之,则热泵供热系统比锅炉供热系统多消耗一次能源.取 s=0.025 4,GeGet=0.3,可作出图 1.如果 Gbo和 H SPF 作出的点落在图中曲线上方,则热泵供热系统和锅炉供热系统相比能节约一次能源.各种不同类型的热泵在不同地区有不同的季节性能系数 H SPF.文献 5 针对某空气-空气热泵计算出了其 HSPF 在我国 7
9、 个供热区域的主要参数如表 1,供热区域的分布如图 2(钓鱼岛及南海诸岛因缩比过大兹略).751 第 29 卷第 5 期 巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析表 1 某空气源热泵在 7 个供热区域的主要参数Tab.1Main parameters of an air-source heat pump in different heating areas项目Hn3000287526252375212518751375Tb-12-8-6-1126HDLF0.750.830.830.860.9170.9171.167HSPF1.501.561.701.912.012.042.22图 2 我
10、国 7 个供热区域的分布 5Fig.2Seven heating areas in China我国目前普通供热锅炉的额定效率在 70%80%之间.若取Gbo为 75%,代入式(6)可得 HSPF 2.15,因此,当热泵季节性能系数大于 2.15 时,热泵供热系统和锅炉供热系统相比才可节约一次能源.近年来我国北方地区采用的小型单户暖气炉的热效率约为67%,一般为自然循环,不用电能,即 s 为 0.将以上数值代入式(6)得 H SPF 1.97,即空气源热泵与小型单户暖气炉相比当热泵季节性能系数大于 1.97 时,才可节约一次能源.可见,对热泵能否节能应有客观的评价,与燃煤供热系统相比,空气源热泵
11、节能与否与气候环境及热泵性能有很大关系.2)空气源热泵和电加热系统的能耗比较对电加热系统有Ee=H SPF-1(7)当 Ee 0 时,HSPF 1,空气源热泵系统和电加热系统相比就可节约一次能源.综上所述,空气源热泵供热系统与电加热系统相比,在 H SPF 1 时节约一次能源;与锅炉供热系统相比,则取决于当地气候条件下热泵的 H SPF 值及与之相比的锅炉的效率.2 空气源热泵供热系统的经济可行性分析2.1 几种供热系统的年度使用费 供热系统的年度使用费采用下式计算Ac=IcR+Rc+Mc(8)1)空气源热泵供热系统年度使用费 AchpAchp=AhpRhpQd/HDLF+SqlPe/H SP
12、F+AhpBhpHhpQd/H DLF(9)752天 津 大 学 学 报 1996 年 9 月式中:Hhp为修正系数,热泵只用于供热时为 1,冷热两用时为附加于单冷型空调器初投资的百分数的倒数.2)锅炉供热系统年度使用费 AcbAcb=AbQd(Rb+Bb)+3600SqlPc/(GbHd)+sSqlPe(10)3)电加热供热系统年度使用费 AceAce=AeQdRe+SqlPe+BeAeQd(11)2.2空气源热泵供热系统和锅炉供热系统的经济性比较准则关系式为了便于分析,此处定义年度使用费用节省率 LxLx=(Acx-Achp)/Achp(12)令 Hn=Sql/Qd,Pr=Pc/Pe,Cr
13、b=Ahp/H DLF/Ab,则对锅炉供热系统有Lb=(Rb+Bb+HnPe/Ab(3600Pr/(GbHd)+s)/(Crb(Rhp+BhpHhp)+PeHn/(AbH SPF)-1(13)若 Lb 0,则说明热泵供热系统比锅炉供热系统节省年度使用费.从式(13)可见,当空气源热泵所在地区及当地的价格体系确定之后,Lb即有确定值.因此,式(13)可作为两种系统进行经济性比较的普遍关系式.2.3小型空气-空气热泵供热系统和锅炉供热系统的经济性比较计算2.3.1小型空气-空气热泵只用于冬季供热时和锅炉供热系统的经济性比较取 i=11%,Bb=0.02,Bhp=0.018,Pc=0.22 元/kg
14、,Pe=0.262 元/(kWh),热泵及锅炉系统的寿命分别取 15 年和 18 年 6,7,其他数据按表 1 取值.1)小型空气-空气热泵和小区锅炉房供热系统的经济性比较对分体式小型空气-空气热泵取 Ahp=2700 元/kW,窗式空气-空气热泵 Ahp=1000 元/kW,Ab=750 元/kW,Gbo=0.75,Hhp=1,计算结果如表 2.表 2 小型空气-空气热泵和小区锅炉房供热系统的经济性比较Tab.2Economic comparison of a residential heating-only heatpump with a boiler heating system区域分体
15、Lb-0.73-0.71-0.70-0.68-0.67-0.66-0.62窗式Lb-0.59-0.57-0.54-0.49-0.45-0.44-0.332)小型空气-空气热泵和小型单户暖气炉供热的经济性比较对小型单户暖气炉取 Ab=500 元/kW,Gbo=0.67,针对不同区域计算,结果为:对分体热泵 Lb分别在-0.74 到-0.67 之间,对窗式热泵 Lb分别在-0.61 到-0.42 之间,与表 2 的结果类似.可见,单纯采用小型分体空气-空气热泵和采用窗式空气-空气热泵供热,在经济上均不如小区锅炉房供热系统和小型单户暖气炉供热系统,因此,在我国目前不宜单纯采用空气源热泵进行冬季供热.
16、2.3.2小型空气-空气热泵用于夏季空调冬季供热时和空调器-锅炉系统的经济性比较空调器-锅炉系统指冬季为锅炉系统、夏季用空调器.为了便于分析,本文假定两种系753 第 29 卷第 5 期 巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析统夏季空调费用相同.在计算空气-空气热泵系统冬季供热费用时,初投资仅考虑为热泵型空调器的 20%,因此取 Hhp=5.1)空调器-小区锅炉房供热系统和小型空气-空气热泵系统的经济性比较对小区锅炉房供热系统,取 Ab=750 元/kW,Gbo=0.75,对分体式小型空气-空气热泵取Ahp=540 元/kW,窗式空气-空气热泵 Ahp=200 元/kW,其他数据按表
17、1 取值.用式(13)计算,结果如表 3 所示.表 3 空调器-小区锅炉房和热泵型空调器供热的经济性比较Tab.3Economic comparison of a residential heat pump with anair conditioner-boiler system区域分体Lb-0.57-0.54-0.50-0.45-0.41-0.39-0.26窗式Lb-0.49-0.46-0.40-0.31-0.25-0.21-0.022)空调器-小型单户暖气炉系统和小型空气-空气热泵系统的经济性比较 对于小型单户暖气炉系统,Ab=500 元/kW,Gbo=0.67,其他数据同前.按式(13)
18、计算,结果如表 4 所示.表 4 空调器-单户暖气炉和热泵型空调器供热的经济性比较Tab.4Economic comparison of a residential heat pump with an airconditioner-residential boiler system区域分体Lb-0.58-0.56-0.53-0.48-0.45-0.45-0.36窗式Lb-0.51-0.48-0.43-0.36-0.31-0.29-0.14图 3 不同 HSPF 时 Lb随 Hn的变化曲线Fig.3 Curves of Lbvariation with Hnindifferent HSPF 从表
19、 3、表 4 可知,无论采用窗式还是分体式热泵型空调器,按表1 的季节性能系数和本文所用的价格体系计算与锅炉系统相比并不节省年度使用费.图 3为取Ahp=200元/kW,在不同的HSPF时,Lb随 Hn的变化曲线.2.4 空气源热泵供热和电加热供热系统的经济性比较对电加热供热系统,令 Cre=Ahp/H DLF/Ae,则有Le=(Re+Be+HnPe/Ae)/(Cre(Rhp+BhpHhp)+PeHn/(AeHSPF)-1(14)说明当 Le 0 时,热泵供热系统比电加热供热系统节省年度使用费;当 Le 0 时则相反.上式即为热泵供热系统和电加热供热系统进行比较的准则关754天 津 大 学 学
20、 报 1996 年 9 月系式,可采用式(14)针对不同地区、不同价格体系进行这两种系统的比较.1)小型空气源热泵只用于冬季供热时和电加热供热系统的经济性比较取 Ae=16 元/kW,Pe=0.262 元/(kW h),Hhp=1,电加热器的寿命取 18 年,Be近似取为零,其他取值同前.针对两种不同的小型空气源热泵进行计算,结果如表 5 所示.表 5 小型空气源热泵只用于冬季供热时和电加热系统的经济性比较Tab.5Economic comparison of a heating-only heat pump with an electric heater区域分体Le-0.28-0.24-0.
21、25-0.24-0.24-0.30-0.31窗式Le0.080.120.160.230.250.200.22 从表 5 可知,只用小型空气源热泵供热时,若投资相当于窗式空调器的价格,则其在经济上会优于电加热.2)热泵型空调器冬季供热和电加热供热的经济性比较 对分体式小型空气-空气热泵取 Ahp=540 元/kW,窗式空气-空气热泵 Ahp=200 元/kW,Hhp=5,其他数据同前.按式(14)进行计算,结果如表 6 所示.表 6 热泵型空调器供热和电加热供热的经济性比较Tab.6Economic comparison of a residential heat pump with an el
22、ectric heater区域分体Le0.140.200.250.330.360.310.35窗式Le0.350.400.500.650.710.700.80图 4 不同 Pe时 Le随 HSPF 的变化曲线Fig.4 Curves of Levariation with HSPF indifferent Pe 可见,采用热泵型空调器冬季供热在我国不同的气候分区内均优于使用电加热进行供热.图4为采用第 区的数据针对不同的电价作出的 Le随 HSPF 的变化关系(Ahp=540 元/kW).从图4可知,Le随HSPF 的增大而增加,电价越高,Le越大.在以上分析中电加热系统的投资是以普通电炉的市
23、场价为基础的,其他电热取暖器的初投资会高于此值.就我国目前的价格体系及技术水平,采用电加热既不节能,又不经济,所以要限制电热型空调器的生产.应在保证空调器性能不断提高的前提下多生产热泵空调器,以满足国内市场的需求,同时达到节能经济的目的.755 第 29 卷第 5 期 巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析3 结 论 空气源热泵供热与燃煤锅炉供热相比无烟尘和煤灰污染,并可减少对环境的热污染、减轻城市的热岛效应,具有明显的环保效益.我国现有的生产水平和研制、开发能力与国外相比还有一定的差距,刚处于该项技术的起步阶段.改革开放加强了国内外的信息交流与技术交流,有关热泵产品的直接进口和技术引
24、进以及独立自主的开发研制正在迅速缩短这种差距.文献 8 用美国某空气-空气热泵针对北京地区(处于 区)气象条件计算的最佳 HSPF 值为 2.13.另有文献1)1)朗四维等.中高档旅馆利用热泵技术节约能源的可行性研究.研究报告.中国建筑科学研究院空气调节研究所.1992给出上海地区(处于区)使用的日本某空气源-水热泵其HSPF 可达3.2,该热泵投资折合成空调器附加投资小于 200 元/kW.标定出力大的热泵其单位供热量的投资较小,性能系数也较高.综上所述,可得出以下结论:(1)在我国目前的技术水平及经济条件下单纯采用空气源热泵进行供热与锅炉供热系统相比是不经济的.(2)空气源热泵比电加热节能
25、,且冷热两用时较电加热经济.因此需要冬季供热夏季空调的场所不应用电加热为供热手段,而应采用热泵型空调器.(3)我国 区及其以北地区气候较寒冷,对空气源热泵要求较高,且与锅炉供热系统相比节能效果不明显,冬季运行不经济.因此这些地区应仍以传统的燃煤供热系统为主,一般情况下不宜采用空气源热泵系统进行夏季空调冬季供热.(4)在我国的、区空气源热泵的 HSPF 值一般较高,当各区的 HSPF 值相应大于 2.9、2.7、2.5时,空气源热泵供热不仅要比锅炉系统节能,而且在经济上可以和锅炉系统竞争.小型窗式热泵因投资较低,其经济性优于锅炉系统.小型分体式热泵的经济性略比锅炉系统差.综合考虑节省空间和环保卫
26、生效益,总体上小型空气源热泵冷热两用将优于燃煤锅炉系统.(5)大中型空气源热泵的 COP 值较高,单位供热量投资较小,在 区及其以南地区使用,其能耗及经济性均优于传统的供热系统,故在要求空调供热的场所,如宾馆、饭店等,应作为首选方案进行考虑.(6)第 区是具有应用空气源热泵潜力的地区.大中型空气源热泵冷热两用在能耗上要优于空调-锅炉系统,在经济上前者对后者有较强的竞争力.在要求空调供热的场所,大中型热泵方案要作为重要方案进行分析.随着小型空气源热泵性能及可靠性的提高,小型空气源热泵供热空调将在该地区形成一定市场.符 号 说 明H DLF 供热设计负荷系数Hd 煤的低位发热量,kJ/kgHn 满
27、负荷时数,hH SPF 热泵供热季节性能系数Ic 供热系统的初投资,元M 供热系统的一次能耗(折合煤),kgMc 供热系统的维护管理费,元/aPc 煤价,元/kg756天 津 大 学 学 报 1996 年 9 月Pe 电价,元/(kW h)Qd 供热房间的设计热负荷,kWR 供热系统的资金恢复系数Rc 供热系统的运行费,元/as 锅炉供热系统单位供热量的耗电量,kW/kWSql 供热房间供暖季的总热负荷,kW hTb 热泵的平衡温度,A 供热系统单位供热量的初投资,元/aB 供热系统的维修管理费占初投资的比例Hhp 修正系数Gb 锅炉在供热季节的平均效率Gbo 锅炉的额定效率Ge 发电效率Ge
28、t 输电效率E 一次能源节约率L 年度使用费用节省率下标符号 b 锅炉供热系统e 电加热系统hp 热泵供热系统x 表示任一供热系统参考文献1吕灿仁.论运用热泵提高能源利用率.天津大学学报,1981,(1):84952吕灿仁等.热泵节能技术在我国的研究与应用问题.新能源,1988,(11):42463Bonne U,et al.Fuel Cost and Life Cycle Cost Efficiencies of Residential Heating Systems.ASHRAE T rans,1983,(89):3303384王金凯.采暖热泵变负荷性能试验及其系统优化的研究:硕士学位论文.天津:天津大学,19885赵建成.我国空气-空气热泵季节性能的研究:硕士学位论文.哈尔滨:哈尔滨建筑工程学院,19846李永铭.锅炉及空调建议使用年限.暖通空调,1983,(3):47Lovvorn N C,et al.A Study of Heat Pump Service L ife.ASHRAE T rans,1985(91):Part2B5735888巨永平.京津地区小型空气-空气热泵供热性能研究及其使用可行性分析:硕士学位论文.天津大学,1988757 第 29 卷第 5 期 巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析