空氣源熱泵供暖期逐時(shí)各日累計(jì)耗電量計(jì)算

谷戰(zhàn)生，閆 廣，谷亞軍

(河北華熱工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050051)

1 概述

截至2019年底，北方地區(qū)清潔供暖取得明顯進(jìn)展，改善了城鄉(xiāng)居民用能條件和居住環(huán)境。北方地區(qū)清潔供暖面積達(dá)116×108m2，比2016年增加51×108m2。

與地埋管地源熱泵、中水源熱泵相比，空氣源熱泵對(duì)室外溫度更敏感[1-2]，易導(dǎo)致裝機(jī)容量大、耗電量高、經(jīng)濟(jì)性偏差[3]。閆廣等人[4-5]采用熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間法計(jì)算了空氣源熱泵供熱耗電量以及供水溫度對(duì)耗電量的影響。閻蕭煒[6]、宋小曼等人[7]分別研究了新型軸承技術(shù)和變流量調(diào)節(jié)對(duì)空氣源熱泵耗電量的影響。龔延風(fēng)[8]、吳靜怡等人[9]研究了空氣源熱泵供冷供暖的經(jīng)濟(jì)性。

本文以某小區(qū)作為研究對(duì)象，根據(jù)空氣源熱泵樣本數(shù)據(jù)，采用差值法計(jì)算空氣源熱泵在不同室外溫度、供水溫度條件下的制熱量、耗電功率，從而計(jì)算分時(shí)耗電量。

2 工程概況

石家莊某節(jié)能多層建筑小區(qū)供熱面積為10×104m2，室內(nèi)采用地面輻射供暖系統(tǒng)，設(shè)計(jì)供、回水溫度為42、35 ℃，設(shè)計(jì)供暖熱指標(biāo)取45 W/m2。供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃，供暖室外計(jì)算溫度為-6.2 ℃，供暖期平均室外溫度為0.1 ℃。所研究的供暖期為2019年11月15日至2020年3月15日。采用空氣源熱泵(以下簡(jiǎn)稱熱泵)作為供熱設(shè)備，供水溫度為35～42 ℃。

3 熱泵參數(shù)與插值法

某型號(hào)熱泵樣本提供了室外溫度-12～15 ℃，熱泵出水溫度為35、40、45 ℃時(shí)熱泵單機(jī)制熱量、單機(jī)耗電功率。樣本提供的具體內(nèi)容見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制不同出水溫度熱泵單機(jī)制熱量、單機(jī)耗電功率隨室外溫度的變化曲線。由變化曲線可知，熱泵出水溫度一定時(shí)，熱泵單機(jī)制熱量、單機(jī)耗電功率與室外溫度基本成線性關(guān)系。因此，可根據(jù)相鄰數(shù)據(jù)，采用插值法計(jì)算變工況下熱泵制熱量、耗電功率。

配置32臺(tái)熱泵。室外溫度-6.2 ℃、熱泵出水溫度42 ℃時(shí)，單機(jī)制熱量為154.78 kW、單機(jī)耗電功率為59.14 kW。

熱網(wǎng)采用定回水溫度(35 ℃)、變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)控制策略，即根據(jù)室外溫度-熱負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)節(jié)熱泵出水溫度的方式調(diào)節(jié)供熱量。不同室外溫度下，除處于工作狀態(tài)的熱泵外，始終有1臺(tái)熱泵處于熱備用狀態(tài)，用于補(bǔ)充供熱量以維持熱網(wǎng)回水溫度(35 ℃)的恒定。熱備用熱泵的耗電量根據(jù)其補(bǔ)充不足熱量對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，熱備用熱泵啟動(dòng)時(shí)的制熱量與正常工作的熱泵一致。

表1 樣本提供的具體內(nèi)容

瞬時(shí)供暖熱指標(biāo)與當(dāng)前室外溫度的關(guān)系式為：

(1)

式中q——瞬時(shí)供暖熱指標(biāo)，W/m2

qd——設(shè)計(jì)供暖熱指標(biāo)，W/m2，為45 W/m2

tin,d——供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃，為18 ℃

to——當(dāng)前室外溫度，℃

to,d——供暖室外計(jì)算溫度，℃，為-6.2 ℃

當(dāng)前供水溫度(即當(dāng)前熱泵出水溫度)與當(dāng)前室外溫度的關(guān)系式為：

(2)

式中ts——當(dāng)前供水溫度，℃

tr——回水溫度，℃，為35 ℃

Δtd——設(shè)計(jì)供回水溫差，℃，為7 ℃

由式(1)、(2)，可計(jì)算當(dāng)前室外溫度下瞬時(shí)供暖熱指標(biāo)(由供熱面積可計(jì)算得到當(dāng)前熱負(fù)荷)、當(dāng)前供水溫度。由當(dāng)前室外溫度、當(dāng)前供水溫度，根據(jù)表1數(shù)據(jù)采用插值法可計(jì)算當(dāng)前室外溫度、當(dāng)前供水溫度下熱泵單機(jī)制熱量、單機(jī)耗電功率，進(jìn)而確定熱泵啟動(dòng)數(shù)量、耗電量等。

筆者下面給出的插值法，同時(shí)適于計(jì)算熱泵單機(jī)制熱量、單機(jī)耗電功率。以熱泵單機(jī)制熱量為例，介紹插值法。

當(dāng)前室外溫度、當(dāng)前供水溫度分別屬于表1中某個(gè)區(qū)間，如當(dāng)前室外溫度屬于(-12 ℃，5 ℃)、當(dāng)前供水溫度屬于(35 ℃，40 ℃)，可用數(shù)學(xué)式表達(dá)成：

to∈(toL,toup)

ts∈(tsL,tsup)

式中toL、toup——某個(gè)室外溫度區(qū)間的下限、上限，℃

tsL、tsup——某個(gè)供水溫度區(qū)間的下限、上限，℃

當(dāng)前室外溫度、當(dāng)前供水溫度下熱泵單機(jī)制熱量Φ基于toL和tsL對(duì)應(yīng)的熱泵單機(jī)制熱量、toup和tsL對(duì)應(yīng)的熱泵單機(jī)制熱量、toL和tsup對(duì)應(yīng)的熱泵單機(jī)制熱量、toup和tsup對(duì)應(yīng)的熱泵單機(jī)制熱量進(jìn)行二次插值得到。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用Excel軟件建立插值法計(jì)算式，結(jié)合2019年11月15日至2022年3月15日氣象參數(shù)，可計(jì)算得到供暖期各日逐時(shí)供熱量、逐時(shí)耗電量。根據(jù)分時(shí)電價(jià)(見表2)，可計(jì)算得到分時(shí)電費(fèi)。

表2 分時(shí)電價(jià)

供暖期逐時(shí)各日累計(jì)供熱量、逐時(shí)各日累計(jì)電費(fèi)分別見圖1、2。由圖1、2可知，受室外溫度影響，低谷電價(jià)時(shí)間的供熱量比較高。受益于分時(shí)電價(jià)，低谷電價(jià)時(shí)間的電費(fèi)并不高。

圖1 供暖期逐時(shí)各日累計(jì)供熱量

圖2 供暖期逐時(shí)各日累計(jì)電費(fèi)

由計(jì)算結(jié)果，可得到供暖期各電價(jià)時(shí)間的供熱量、耗電量、電費(fèi)，見表3。由表3可知，低谷電價(jià)時(shí)間的供熱量占比為39.02%，而電費(fèi)占比僅為26.71%。因此，在蓄熱型供熱系統(tǒng)中，應(yīng)充分利用低谷電價(jià)時(shí)間制熱，可有效提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

表3 供暖期各電價(jià)時(shí)間的供熱量、耗電量、電費(fèi)

該小區(qū)的單位供熱面積耗電量為29.72 kW·h/m2，單位供熱面積電費(fèi)為15.57 元/m2。與同類小區(qū)的單位供熱面積耗電量23～33 kW·h/m2[10]、單位供熱面積電費(fèi)13.5～21.7 元/m2[11]相比，計(jì)算結(jié)果處于合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

① 受室外溫度影響，低谷電價(jià)時(shí)間的供熱量比較高。受益于分時(shí)電價(jià)，低谷電價(jià)時(shí)間的電費(fèi)并不高。低谷電價(jià)時(shí)間的供熱量占比為39.02%，而電費(fèi)占比僅為26.71%。

② 該小區(qū)單位供熱面積耗電量為29.72 kW·h/m2，單位供熱面積電費(fèi)為15.57 元/m2。與同類小區(qū)的單位供熱面積耗電量、單位供熱面積電費(fèi)相比，計(jì)算結(jié)果處于合理范圍內(nèi)。