北方用空气源热泵采暖（应对雾霾天气-低环境温度空气源热泵采暖的机遇）

北方用空气源热泵采暖（应对雾霾天气-低环境温度空气源热泵采暖的机遇）而且近几年随着变频技术的快速发展，机组部分负荷下的性能得到大幅提升，这点在多联机产品上已经得到很好的验证，变频技术在低温热泵设备上的采用势必会大幅度提升低环境温度空气源热泵制热综合部分性能系数，使其与燃气热电联产相比拥有更明显的性能优势。以上几种方式的热泵采暖效率如表1所示。对于低温热泵采暖，我国早在2010年就颁布国家标准GB/T25127.1—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》[14] ，并规定其制热综合部分性能系数IPLV(H）不低于2.5，现有产品的最低效率限值就已经远高于燃气热水锅炉和电暖气采暖等方式，与燃气热电联产效率接近。举例说明，如图2所示，采用燃气蒸气联合循环的天燃气电厂，纯发电效率可超过55%，即1 m3天燃气可产电5.44 kW•h。而对于天燃气热电联产项目，其发电效率为40%，供热效率为42%，这时1 m3

《热泵市场》杂志

根据我国现有的能源结构和相关政策，替代燃煤的能源主要就是燃气和电，那么空气源热泵采暖与燃气采暖和电采暖相比是否更节约能源、更节约运行成本成为其是否值得推广的一个重要因素。以下就分别从国家能源利用和运行成本2个方面进行分析。

一、国家能源利用层面

从国家能源合理利用的层面看，用哪种方式采暖更节约能源是首要考虑的因素。这就要求找到一种方法评价不同能源的制热效率，在这里引入我国中国建筑节能年度发展研究报告2011[12]中提出的一种评价思路，即通过总结现有不同能源的产热值和产电值，将其转化为空调领域常见的COP值进行对比。

举例说明，如图2所示，采用燃气蒸气联合循环的天燃气电厂，纯发电效率可超过55%，即1 m3天燃气可产电5.44 kW•h。而对于天燃气热电联产项目，其发电效率为40%，供热效率为42%，这时1 m3天燃气可以同时产生3.95 kW•h电和4.15 kW•h热，与天然气纯发电相比，减少了1.49 kW•h电，同时增加4.15 kW•h的热，这相当于一台效率为2.78的热泵。笔者按此思路，计算了天燃气热水锅炉的热泵效率，如图3所示，取天燃气热水锅炉热效率为88%[13]，则1 m3天燃气可产热9.5 kW•h，与天燃气纯发电相比，其热泵效率相当于1.75。

图1 热电联产热效率图

图2 热水锅炉热效率图

对于低温热泵采暖，我国早在2010年就颁布国家标准GB/T25127.1—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》[14] ，并规定其制热综合部分性能系数IPLV(H）不低于2.5，现有产品的最低效率限值就已经远高于燃气热水锅炉和电暖气采暖等方式，与燃气热电联产效率接近。

而且近几年随着变频技术的快速发展，机组部分负荷下的性能得到大幅提升，这点在多联机产品上已经得到很好的验证，变频技术在低温热泵设备上的采用势必会大幅度提升低环境温度空气源热泵制热综合部分性能系数，使其与燃气热电联产相比拥有更明显的性能优势。以上几种方式的热泵采暖效率如表1所示。

表1 热泵效率对比表

燃气热电联产	燃气锅炉	低环境温度空气源热泵	电暖气、电热膜等
热泵效率	2.78	1.75	>2.5	<1

所以，从国家能源利用层面考虑，应优先考虑燃气热电联产和热泵采暖。由于能源利用率低，应尽可能限制燃气采暖，或者是作为后备、辅助热源使用。而对于电暖气、电热膜等采暖方式，由于其能源利用率最大不会超过1，应在只有其他采暖设备无法使用时才予以考虑。

二、运行成本层面

从运行成本层面看，用哪种方式采暖运行费用最低是首要考虑的因素。以下以北京地区一间80 ㎡民用住宅为例，对比分析不同采暖方式的运行成本（见表2）。其中运行成本的计算过程以低环境温度空气源热泵采暖使用阶梯电价为例进行说明。

图 | 北京地区群众拆掉燃煤锅炉，换成空气源热泵（图片左边部分）采暖。

北京地区采暖天数为120天[15] 采暖负荷的面积指标为45~70W/㎡[16] ，在这里取平均值后取整为60 W/㎡，每天按采暖24h计算，整个采暖季的负荷变化按北京地区的IPLV[14]系数计算，则采暖负荷（kW•h）Q=80×120×60×24×(1×8.3% 0.75×40.3% 0.5×38.6% 0.25×12.9%)=8432.64。

按照GB/T 25127.1—2010[14]要求的最低值取2.5计算，则整个采暖季耗电量（kW•h）W=8432.64/2.5=3 373 整个采暖季分为4个月，则平均每个月的耗电量为843 kW•h，北京现有的每月阶梯电价[17]为：一档0.488 3元/1 kW•h(1-240 kW•h)，二档0.538 3元/1 kW•h(240-400 kW•h)，三档0.788 3元/1 kW•h(400 kW•h以上)，则整个采暖季费用（元）M=［240×0.488 3 (400-240)×0.538 3 (843-400)×0.788 3］×4=2 210。

表2 运行费用对比

从表2中的费用总计可以看出，运行成本由低到高的采暖方式依次为：合表用户采用空气源热泵采暖<市热力集团中心大网<分户燃气锅炉<阶梯电价用户采用空气源热泵采暖<区域燃气锅炉<电暖气、电热膜等采暖。只要有合适的电力价格和政策，空气源热泵采暖的运行费用仅有市热力集团集中采暖费用的83%，区域燃气锅炉费用的67%，成本优势非常明显。

三、适用地区分析

我国幅员辽阔，同样在冬季不同地区室外环境温度差别很大，而环境温度正是制约低环境温度空气源热泵机组的主要因素。

低环境温度热泵机组的最低可运转环境温度应当低于或等于所使用地区的室外极端干球温度，即保证所使用地区出现极端温度时机组可以正常工作，否则将会给用户带来无法估量的损失。而常规的空气源热泵机组的最低使用温度只有-7℃[18]，主要是因为环境温度继续降低时，随着系统压比的升高，压缩机排气温度快速上升，超出其使用范围而无法运转，这使其很难在北方采暖上应用，同时由于环境温度的下降，导致压缩机制冷剂循环量减少，能力衰减明显。

鉴于以上问题，目前的主要解决方案是采用准双级压缩经济器循环，即带有中间补气技术的压缩机搭配经济器循环是目前研究和应用最为广泛的一种方式。无论是压缩机单体研究[19-20]还是系统研究[21-22]均表明该技术可以明显降低排气温度，拓展机组的低温使用范围，并且能够有效提升制热能力和COP。

目前我国国家标准GB/T 25127.1—2010[14]规定机组能够在不低于－20℃的条件下运转。而国内大部分有实力的厂家已将此温度拓展到－25 ℃。按此思路，笔者总结了我国涉及集中供暖的省（直辖市）的气象参数[23]，图4展示了各省（直辖市）所属各个城市的空调室外计算干球温度和极端干球温度平均值，可以直观看出，从西藏到甘肃的7个省（直辖市）各城市平均极端温度都高于－25 ℃，意味着现有的低温热泵产品可以在以上地区使用。

而宁夏、辽宁、新疆3省的各城市平均极端温度约为－30 ℃，对于该部分地区的绝大部分城市而言，现有的低温热泵产品是无法满足要求的。但从技术角度而言，通过一些技术改进，如采用双级压缩，更换低温用制冷剂，甚至采用复叠循环等手段是可以开发出对应产品的。但其经济性需要根据具体情况进行分析。

对于青海、吉林、内蒙古和黑龙江4省，属于我国最寒冷的区域，依靠现有空气源热泵技术无法使用该设备进行采暖，即便开发出对应产品，其经济性与其他采暖方式相比恐怕也不具有优势。

图4集中采暖地区各省（直辖市）平均温度分布图

四、结论

从国家能源利用层面看，在大型集中供暖工程中可以采用燃气热电联产技术，而在中小型区域供暖以及分户供暖项目则应考虑低环境温度空气源热泵采暖方式，应该尽可能限制采用燃气热水锅炉和电暖气、电热膜等能源利用率较低的采暖方式。

从运行成本层面看，当有合适的电力价格和政策时，低环境温度空气源热泵采暖方式的运行费用最低。同时，空气源热泵采暖仅消耗电能，运行时所产生的污染和排放较少。综上所述，笔者认为低环境温度空气源热泵采暖是替代燃煤采暖的重要考虑方案。

考虑到使用地区环境温度的差异，现有的低环境温度空气源热泵机组还不能适用于所有的北方采暖区域，如何拓展其运转范围、减少低环温条件下能力的衰减以及进一步提高其季节能效比等是低环境温度空气源热泵机组要面临的一系列挑战。

[12]清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2011 [M].北京：中国建筑工业出版社 2011.

[13] GB 20665—2006家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级[S].

[14] GB/T25127.1—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[S].

[15]首都之窗. 北京市供热采暖管理办法[EB/OL]. (2009.12.12). http://zhengwu.beijing.gov.cn/fggz/zfgz/t1104279.htm

[16]建设部工程质量安全监督与行业发展司. 2003全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调·动力[M]. 北京：中国计划出版社 2003.

[17]北京市发展和改革委员会. 物价管理[EB/OL]. http://www.bjpc.gov.cn/ywpd/wjgl/cx/jz/

[18]GB/T 18430.1—2007蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组[S].

[19]马国远，彦启森. 涡旋压缩机经济器系统的试验研究[J]. 制冷学报 2002 (1): 27-31.

[20]张剑飞 秦妍 秦海杰. 涡旋式压缩机中间补气技术[J]. 制冷与空调 2012 12 (2): 22-24.

[21]黄虎. 大型风冷热泵冷热水机组经济器运行的实验研究[J]. 南京师范大学学报 2002 2 (2): 89-92.

[22] 张乐平 孙山林 柴沁虎 等. 一种具有辅助进气口的空气源热泵的试验研究[J]. 流体机械 2007 35(7): 52-56.

[23] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 中国建筑工业出版社 2008.

版权：节选改变自《应对雾霾天气-低环境温度空气源热泵采暖的机遇》。本微已获作者授权。作者张剑飞，松下压缩机大连有限公司工程师，课长。研究方向：空调、热泵系统及新冷媒应用技术研究，邮箱：sorder@sanyocomp.com。为阅读方便，本文为节选。完整格式论文或更多交流，请联系作者本人。

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