基于某校區(qū)清潔能源供熱節(jié)能循環(huán)利用改造的研究

楊猛，王英杰

（濟(jì)南能源建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000）

1 引言

秋冬季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)霧霾天氣，因此，很多市民希望可以推出更清潔的新能源供暖方式，進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)供暖“無(wú)煤化”的目標(biāo)。在新能源使用方面，未來(lái)集中供熱將不會(huì)像傳統(tǒng)方式那樣建鍋爐房，而要采用其他新能源、新技術(shù)替代，比如，利用空氣源、地?zé)?、冰放熱技術(shù)、光發(fā)電技術(shù)等。未來(lái)還將不斷研究更多的供熱新技術(shù)、新能源。中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)教授江億認(rèn)為:“煤改電，絕不是煤改電熱，而是用電來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵，這可能是煤改電供暖的最佳方式?！彪S著《“十三五”全民節(jié)能行動(dòng)計(jì)劃》的實(shí)施以及各地政府陸續(xù)開(kāi)展“煤改電”工程招標(biāo)，由此可以看出，將來(lái)空氣源熱泵在供暖行業(yè)備受青睞，供暖行業(yè)中使用空氣源熱泵更加廣泛。根據(jù)此研究背景，對(duì)學(xué)校的換熱站進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。

2 空氣源熱泵的可行性

2.1 空氣源熱泵機(jī)組的工作原理

空氣源熱泵熱水機(jī)組分為4 個(gè)部分，分別為蒸發(fā)器、膨脹閥、壓縮機(jī)、冷凝器。機(jī)組封閉運(yùn)行，傳熱工質(zhì)在機(jī)組內(nèi)運(yùn)行，熱交換發(fā)生在冷凝器和蒸發(fā)器與外部的地方?？諝庠礋岜玫墓ぷ髟肀容^簡(jiǎn)單，與空調(diào)的工作原理是相同的，都是按照逆卡諾循環(huán)，如圖1 所示?？諝庠礋岜脧闹?chē)h(huán)境中提取熱能，品質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)得以提升，此時(shí)空氣變?yōu)楦邷馗邏?，介質(zhì)（水）將從熱交換器中獲取熱能，最后終端用戶通過(guò)介質(zhì)（水）獲取熱能，最終可以達(dá)到采暖的目的。然而二者也有不同之處，主要是空氣源熱泵的冷凝溫度比空調(diào)更高，蒸發(fā)溫度更低。空氣源熱泵適應(yīng)環(huán)境溫度的范圍更寬，與普通空調(diào)相比，空氣源熱泵更能適應(yīng)環(huán)境溫度的變化，溫差更大，運(yùn)輸熱能的能力也更大。

圖1 空氣源熱泵機(jī)組工作原理

目前，傳熱工質(zhì)的種類(lèi)有很多，空氣源熱泵熱水機(jī)組常用的傳熱工質(zhì)有R22 和R134，用性能系數(shù)COP 來(lái)評(píng)價(jià)其機(jī)組的運(yùn)行效率，性能系數(shù)COP 的計(jì)算公式如下【1】：

在標(biāo)準(zhǔn)工況下，機(jī)組的性能系數(shù)COP 通常是大于4 的。因?yàn)闄C(jī)組的傳熱工質(zhì)、壓縮機(jī)型號(hào)、容量以及種類(lèi)不同，其性能系數(shù)COP 也有所不同。在運(yùn)行過(guò)程中，蒸發(fā)器和冷凝器外部介質(zhì)（空氣或水）的工作溫度以及它們之間的溫差是影響熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP 的主要因素。溫差越大， 性能系數(shù)COP就會(huì)越低；反之，性能系數(shù)COP 就會(huì)越高。

2.2 空氣源熱泵的可行性分析

1）分析空氣源熱泵的工作原理可以得到，空氣源熱泵能從周?chē)h(huán)境中獲取大量免費(fèi)的熱量，即空氣源熱泵的能效為2.5～3，而鍋爐的熱效率最高才能達(dá)到95% ，因此，從節(jié)能的角度來(lái)說(shuō)，利用空氣源熱泵采暖是可行的。

2）空氣源熱泵配置電腦芯片，整機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，無(wú)需專(zhuān)人維護(hù)，比起傳統(tǒng)的供熱方式節(jié)省了人工維護(hù)的投入問(wèn)題，不需要填煤、加煤，不用擔(dān)心發(fā)生火災(zāi)或爆炸，而且溫度可控，可根據(jù)自身需要調(diào)節(jié)溫度高低，并保持溫度恒定，不會(huì)像燃煤取暖一樣出現(xiàn)溫度時(shí)高時(shí)低的情況，采暖舒適性更好。

3）機(jī)組出水溫度過(guò)高是空氣源熱泵熱水機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)。當(dāng)需要高溫?zé)崴畷r(shí)，需要采用輔助熱源；被加熱水1 次溫升通常為5℃，故采用蓄熱運(yùn)行。另外，當(dāng)性能系數(shù)COP 達(dá)到最高時(shí)，其機(jī)組處于最佳運(yùn)行工況；當(dāng)運(yùn)行工況逐漸偏離時(shí)，性能系數(shù)COP 逐漸降低，當(dāng)運(yùn)行工況偏離過(guò)大時(shí)甚至不能正常工作。

4）空氣源熱泵供熱，能效比高達(dá)4.0。能效高，省電，運(yùn)行成本低，安全可靠?？諝庠礋岜眠\(yùn)行過(guò)程中對(duì)大氣及環(huán)境不會(huì)造成污染，其符合我國(guó)目前的減排環(huán)保方面的基本政策。

5）空氣源熱泵工作適應(yīng)環(huán)境溫度范圍比較寬，室外環(huán)境溫度在-15～40℃時(shí)，熱泵機(jī)組都可以正常工作，因此，可以滿足濟(jì)南市范圍內(nèi)的室外環(huán)境溫度要求。

總而言之，綜述空氣源熱泵用于學(xué)校教學(xué)樓的清潔能源改造，從能效、運(yùn)營(yíng)成本、綠色環(huán)保和適用范圍4 個(gè)角度分析是可行的。

3 改造設(shè)想

1）為了全面改善城市空氣質(zhì)量，積極響應(yīng)濟(jì)南市委、市政府、環(huán)保局提出的加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管和大氣污染深度治理，切實(shí)提升空氣環(huán)境質(zhì)量，推進(jìn)碧水藍(lán)天工程建設(shè)的號(hào)召，改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，濟(jì)南能源建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司進(jìn)行了深入的方案探討，充分利用學(xué)校場(chǎng)地條件建設(shè)空氣源熱泵，煙氣余熱回收型熱泵配合燃?xì)忮仩t使用。

2）如今節(jié)能減排已經(jīng)成為時(shí)代潮流。節(jié)約能源，減少碳排放是最時(shí)尚的生活方式?？諝庠礋岜玫墓ぷ髟聿捎玫氖悄婵ㄖZ循環(huán)，可以將空氣中的能量轉(zhuǎn)移到水中，而不是直接用電熱元件加熱，因此，其能效可達(dá)到電熱水器的4 倍，即加熱等量的熱水，耗電量相當(dāng)于電熱水器的1/4，大大節(jié)約了電力的消耗。中國(guó)的電力70%是通過(guò)火電廠燒煤產(chǎn)生的，節(jié)約電力意味著減少碳的排放量。

3）空氣是可再生能源，是取之不盡用之不竭的天然資源，熱泵利用可再生能源——空氣能，并輔以清潔能源——電能，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染，是國(guó)家大力推廣的開(kāi)發(fā)和利用可再生能源的綠色環(huán)保設(shè)備。

4 空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t的比較

以濟(jì)南市山東大學(xué)清潔能源供熱節(jié)能循環(huán)利用改造——護(hù)理學(xué)院換熱站改造項(xiàng)目為例進(jìn)行節(jié)能改造前后的對(duì)比分析【2】。

4.1 項(xiàng)目概況

濟(jì)南市山東大學(xué)護(hù)理學(xué)院換熱站的改造，項(xiàng)目包括護(hù)理學(xué)院以及教學(xué)6 樓，共19 000m2。

4.2 項(xiàng)目改造內(nèi)容

熱指標(biāo)取70W/m2，冷指標(biāo)取85W/m2，保留原有的燃?xì)忮仩t，在原有燃?xì)忮仩t供熱的基礎(chǔ)上，加入空氣源熱泵?？諝庠礋岜脵C(jī)組冬季制熱，夏季制冷。

換熱站介質(zhì)參數(shù)，制熱工況：設(shè)計(jì)供回水溫度55℃/40℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa；制冷工況：設(shè)計(jì)供回水溫度12℃/7℃，設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa。

4.3 運(yùn)行策略

初末寒時(shí)，熱泵能效較高，此時(shí)優(yōu)先使用空氣源熱泵制熱。隨著溫度下降，熱泵效率降低，當(dāng)室外氣溫低于0℃時(shí)，優(yōu)先使用燃?xì)忮仩t制熱，其中，煙氣余熱回收系統(tǒng)配合燃?xì)忮仩t使用。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，空氣源熱泵提供60%的熱量，燃?xì)忮仩t提供40%的熱量。

4.4 運(yùn)行過(guò)程

冬天空氣源熱泵機(jī)組是以制冷劑為熱媒，在空氣中吸收熱能（在蒸發(fā)器中間接換熱），經(jīng)壓縮機(jī)將低溫位的熱能提升為高溫位熱能，加熱系統(tǒng)循環(huán)水（在冷凝器中間接換熱）。這可使不能直接利用的熱能再生為可直接利用的熱能，只消耗少量電能，而獲得2～6 倍于輸入功率的節(jié)能回報(bào)。

燃?xì)忮仩t的高溫?zé)煔馀c低溫采暖回水在換熱器中換熱降溫，回收煙氣顯熱，然后由引風(fēng)機(jī)導(dǎo)流進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中與水源熱泵循環(huán)水進(jìn)行進(jìn)一步換熱，回收煙氣潛熱。采暖回水或衛(wèi)生熱水經(jīng)高溫?zé)煔夂蜔岜眉訜岷?，溫度提升，進(jìn)入原熱系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)煙氣余熱到中溫?zé)崴霓D(zhuǎn)移，提高鍋爐的熱效率。

4.5 經(jīng)濟(jì)分析

山東大學(xué)清潔能源供熱節(jié)能環(huán)保循環(huán)利用改造項(xiàng)目的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、各項(xiàng)費(fèi)用匯總分別如表1、表2 所示。

4.5.1 運(yùn)行費(fèi)用分析

以下對(duì)燃?xì)忮仩t及空氣源熱泵進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，本方案能源價(jià)格按：0.5469 元/（kW·h），燃?xì)鈨r(jià)格3.6 元/m3，天然氣熱值按3.6×104kJ/m3?？諝庠礋岜门c燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用如表3 所示。

表1 山東大學(xué)趵突泉校區(qū)節(jié)能環(huán)保主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2 各項(xiàng)費(fèi)用匯總

表3 運(yùn)行費(fèi)用表

改造前項(xiàng)目采用燃?xì)忮仩t供熱，濟(jì)南市燃?xì)鈨r(jià)格為3.6元/m2。因此，經(jīng)計(jì)算改造前該校每年供熱采暖費(fèi)用為6.84萬(wàn)元。改造后，全年采暖耗電量為3.88×104kW·h，電費(fèi)價(jià)格為0.546 9 元/（kW·h），改造后每年供熱采暖費(fèi)用為2.12 萬(wàn)元。因此，改造后每年節(jié)約費(fèi)用4.72 萬(wàn)元【3】。

從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t聯(lián)合供熱費(fèi)用少于以往單獨(dú)燃?xì)忮仩t供熱花費(fèi)，基本滿足該高校的供暖需求。

4.5.2 節(jié)能效果分析

本項(xiàng)目通過(guò)空氣源熱泵技術(shù)提取空氣中的低品位熱量供熱，實(shí)現(xiàn)了低品位能源的開(kāi)發(fā)利用，采用高能效比的空氣源熱泵機(jī)組及煙氣余熱回收系統(tǒng)，補(bǔ)充燃?xì)忮仩t制熱量，均以所消耗的一次能源（標(biāo)煤）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目實(shí)施后每年可節(jié)約1 112t 標(biāo)煤，節(jié)能效果顯著。

5 未來(lái)展望

1）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在節(jié)能與環(huán)境保護(hù)方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其效能的發(fā)揮受使用條件限制【4】。當(dāng)室外空氣溫度大于5℃時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)COP 一般在2～6，平均可以達(dá)到3 以上；其能源利用效率為電加熱器的3～4 倍以上，比一般熱源節(jié)能30%～80%，是供熱方式中效率最高、節(jié)能最多的供熱方式。

2）空氣源熱泵系統(tǒng)在濟(jì)南市利用狀況可觀，其運(yùn)行成本低于集中供熱費(fèi)用，且改善了室內(nèi)的熱環(huán)境，能基本保障采暖溫度在20℃左右。在夏熱冬冷地區(qū)以及更為溫暖地區(qū)使用空氣源熱泵熱水技術(shù)是可行的，并有較好的節(jié)能效果，值得推廣，但熱泵機(jī)組冬季性能還需要進(jìn)一步提高。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本項(xiàng)目對(duì)原有燃?xì)忮仩t進(jìn)行煙氣排放改造，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建設(shè)空氣源熱泵能源站替代部分燃?xì)忮仩t供熱能力，有效降低天然氣燃?xì)庥昧亢蜔煔馀欧牛粺煔庥酂嵛帐綗岜门浜先細(xì)忮仩t使用，有效提高燃?xì)忮仩t的效率，減少煙氣排放污染。符合國(guó)家現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，具有很好的節(jié)能效益、環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。