山西實測：芬尼空氣源熱泵用于6000㎡小區集中供暖案例及費用分析

摘 要：為了評估超低溫空氣源熱泵在北方供暖的適用性，本文根據山西臨汾的2015年～2016年供暖季的逐時氣溫數據，結合芬尼克茲超低溫熱泵北極星產品的變工況性能，采用模擬計算得出不同的供暖末端的單位面積供暖負荷和供暖季的運行成本，并對比實際的工程案例的數據(實測)，計算結果和實際運行數據都表明，超低溫空氣源熱泵適用于北方供暖。

關鍵詞：供暖、超低溫空氣源熱泵、變工況參數、供暖末端、供暖負荷

1.引言

近年來，霧霾現象是困擾我國社會和經濟發展、改善民生的嚴峻問題，我國北方供暖熱源主要為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和熱電聯供，其中煤炭燃燒是造成冬季霧霾的重要污染源，而燃氣鍋爐雖然直接排放的粉塵不多，但其排放大量的可二次生成PM2.5的氮氧化合物和大量水蒸氣，也對生成霧霾有重要貢獻。

對于熱電聯供的采暖方式來說，由于熱電聯供在冬季要確保供熱，其工作狀態遠離最佳熱電比，同時由于城市建設的發展速度過快，集中供暖的管網建設速度跟不上城市的建設速度，每年冬季供暖的保障已經成為各級政府面臨的一道難題。

空氣源熱泵，特別是能在-30℃空氣環境下工作的超低溫空氣源熱泵，除了高效節能，安裝方便，管理智能外，其冬季運行成本更低，適應范圍廣。相比直接燃煤供暖，其碳排放和PM2.5的污染大幅度降低，其次空氣熱泵的大規模使用，既可以為風電和光電等綠色電力騰出足夠的應用空間，又可以作為冷熱聯供的有效調峰工具，還可以凝結周邊環境中大量的水蒸氣，因此對于削減天然氣鍋爐排放的水蒸氣也有立竿見影的作用。

總而言之，近期超低溫空氣源熱泵將成為北方供暖熱源的有效補充，未來它將成為我國北方供暖熱源的重要組成部分。

芬尼克茲超低溫空氣源熱泵北極星系列，已經成熟應用于北方供暖。本文通過一個實際案例，先通過數據計算得到一個結果，再和實際運行數據進行比較，得出超低溫空氣源熱泵在北方應用的經濟性分析。

2.經濟性的分析方法

決定采用空氣源熱泵作為供暖系統熱源經濟性的因素是初投資和運行成本，影響初投資的重要的因素有：室外環境溫度、建筑體形系數和保溫狀況、室內設計溫度、機組變工況性價比、電輔助功率。影響運行成本的重要的因素有：室外環境溫度、建筑外墻面積和保溫狀況、室內設計溫度、供暖末端類型、機組變工況性能、電價等。

本文選取山西臨汾一實際運行的典型住宅項目作為案例，其中，把建筑面積、外墻面積和窗戶面積、室內設計溫度、室外環境溫度、機組變工況性能作為不變因子，把供暖末端類型、電價作為可變因子，計算出可變因子變化時，熱泵初投資和運行成本的變化。

3.相關參數

3.1建筑基本情況

山西臨汾一小區住宅項目，采暖面積約為6000m2的6單元48戶的節能建筑。

室內設計溫度20℃，體形系數取為0.3，其外墻面積估算為7200m2，臨汾屬于寒冷地區，該建筑為甲級公共建筑，基本保溫狀況如下：

表1：樣板工程項目保溫狀況及設計要求

上述耗熱計算中，沒有計算以下三個熱量的值：

①太陽輻射的得熱量;

②室內照明，家用電器和人體的的發熱量;

③新風換氣消耗熱量。

上述①、②項部分抵消了③項，從簡化計算的考慮，忽略上述三項的測算。

3.2氣象參數

山西臨汾供暖季2015年11月15日～2016年3月15日的逐時氣溫資料如下：

圖2：臨汾2015供暖季逐時氣溫曲線圖

根據上圖數據，將2015～2016供暖季的氣溫分布統計如下表:(精確到1℃)

表2：2015～2016臨汾采暖季氣溫分布統計表

圖3：臨汾2015供暖季環境溫度時長分布

3.3超低溫熱泵變工況參數

由于篇幅的限制，截取了部分適用于山西臨汾的變工況參數如下 ：

表3：30P北極星PASHW300S-PS變工況參數表

3.4供暖末端類型

出水溫度40℃適用于水地暖輻射供暖末端，45℃適用于風機盤管供暖末端，55℃適用于新型暖氣片供暖末端。供水溫度越低，能效越高。

該工程采用的是用水地暖輻射供暖的方式，可結合氣溫的變化，計算出不同供水溫度下的平均能效。每個地方的電價都不同，設置電價為每kWh 0.4、0.6、0.8、1.0四個檔次來計算，看看供暖費用的變化。

4.計算過程

4.1最大供暖負荷的計算

根據表1計算，平均耗熱系數θ=(s1*θ1+ s2*θ2+ s3*3)/S=1.29W/(K.m2)。

根據表2查的臨汾的最低氣溫Tmin=-15℃，設計室溫Tsh為20℃，則最大供暖負荷Qmax=θ*(Tsh-Tmin)=35*1.29=45.15W/m2。

4.2供暖單位面積熱耗的計算

首先計算整個供暖季的加權平均溫度 =(t1*h1+ t2*h2+…+tn*hn)/總時長=1.14℃，其中，t1、t2、tn和h1、h2、hn表示供暖季各個溫度點及其時長，然后計算其平均負荷 =(Tsh-T平均)*θ平均=(20-1.14)*1.29=24.33W/m2，單位供暖面積熱耗Q=W平均*供暖時長=24.33W/m2*2898=70.51kWh/(m2.a) =0.254GJ。

4.3機組臺數的選擇和初投資的估算

根據3.1計算的結果，最大制熱負荷=45.15 W/m2，總制熱量需求W總=*S=270.9kW，根據機組的變工況參數表3，-15℃環境下機組的制熱能力為55.9kW，則需要機臺數=270.9/55.9=4.8≈5臺，以每臺機10萬元(含安裝水泵等)計算，則機組總投資預算50萬元，折合每平方米需投資83元左右。

4.4供暖季平均能效比和單位面積供暖耗電

表4：供暖季平均能效比和單位面積供暖耗電

上表中，先分別計算出每個環溫下的每平方米建筑面積的供暖熱耗和供暖耗電，然后用每平方米的總耗熱除以總耗電，就可以得出供暖季的平均能效比。

在35℃、45℃和55℃條件下，其對應計算的平均耗電為18.58kWh/( m2.a)、21.87kWh/( m2.a) 和27.18kWh/(m2.a)，能效比為3.79、3.22和2.59，考慮到水泵功耗和系統散熱量取10%，上述數據可做修正如下：

平均耗電：20.44 kWh/(m2.a)、24.06 kWh/(m2.a)和29.90 kWh/(m2.a);

平均能效比：3.45、2.92和2.35。

4.5供暖費用分析

當電價在0.3～1.0元變化時，供暖費用變化如下表：

表5：供暖費用變化

5.實際運行數據

通過實際電表的測量，該小區住宅樓的電量消耗統計如下：

表6：小區供暖季耗電統計表

表7 ：采暖季運行電耗

該小區采用水地板供暖輻射供暖的方式，實際每平方的供暖耗電只有16.65kWh，低于的20.44kWh計算值，計算值大了22.8%。

如果能效不變的計算，其全年能耗只有57.44kWh(0.21GJ)究其原因，主要有以下三個因素：樣板住宅的保溫效果較好，其墻體的傳熱系數低于估算值;沒有計算太陽輻射的得熱量;室內照明、家用電器和人體的發熱量。

由于該住宅入住率較高，這部分的熱量也較為可觀，以每戶平均用電5kWh計算，則整個供暖季120天48戶累計消耗電力28800kWh，這些電力大部分都會轉化成熱量，這部分熱量折合每平方米4.8kWh，約占供暖負荷的8%。

6.結論

采用能夠在-30℃環境溫度下工作的熱泵，性能適用于大多數北方地區的供暖。

對于山西臨汾小區住宅的模擬計算結果來看，單位面積的初投資估算為83元/m2，供暖季耗電量對應不同的供暖末端，其運行電耗如下：

從表7可以看出，供暖供水溫度越低，系統能效越高，實際運行能耗低于計算能耗。結果表明，針對節能建筑，非常合適采用熱泵供暖，其費用分別為12.26～17.94元/m2，這個費用已經低于燃氣供暖，和集中供暖的費用也相當。熱泵設備的初投資，該項目計算的初投資在83元/m2，但實際的投資在60元/m2，這個費用和集中供暖的初裝費相當。

不論是模擬計算還是實際案例都表明，對于北方供暖，超低溫熱泵具備初投資和運成本的優勢，配合國家的節能環保政策，將表現出巨大的經濟效益和社會效益。

芬尼克茲北方采暖熱泵產品資訊，請看：http://www.towerfrenzy.com/info_73_itemid_334_lcid_45.html