下面以某工程為例說明空氣源熱泵系統(tǒng)電輔助熱源容量的確定方法。

 

      該工程為烏魯木齊某宿舍樓，建筑面積5200，供暖熱負(fù)荷280kW。采用低溫空氣源熱泵熱水機組供暖，并利用低谷電以電鍋爐（或電加熱器）為輔助熱源。烏魯木齊供暖室外計算溫度為－19.5℃，供暖系統(tǒng)供回水溫度為45 ℃/40 ℃，需確定輔助熱源容量。

 

      通過對烏魯木齊室外氣象參數(shù)和谷電時段時間的分析，選擇-12℃為平衡點溫度，并知該溫度下建筑熱負(fù)荷為228kW。根據(jù)某廠家技術(shù)資料，并考慮到提高熱泵機組在室外氣溫較高時的部分負(fù)荷下性能系數(shù)，選擇3臺熱泵機組。在室外溫度為-12℃、供水溫度為45℃時，單臺熱泵機組制熱量為76kW，3臺運行可滿足室外溫度大于平衡點溫度時供暖要求。在室外溫度為-19.5 ℃，供水溫度為45℃時，單臺熱泵機組制熱量為58.7kW，3臺制熱量為176kW，不能滿足供暖熱負(fù)荷需求，需設(shè)1臺電輔助鍋爐，電輔助鍋爐容量為104kW。

 

      室外溫度低于-12℃時，需要啟動電鍋爐輔助熱源，而這個溫度區(qū)間的室外氣溫并不都出現(xiàn)在谷電時段，為充分利用低谷電，需要設(shè)置蓄熱裝置。蓄熱裝置谷電時段以內(nèi)進行蓄熱，谷電時段以外用于為熱泵系統(tǒng)補熱。

 

      首先選擇冷月室外平均氣溫等于（或接近）供暖室外計算溫度-19.5 ℃的1天作為設(shè)計日。查得結(jié)果為1月18日，該日室外溫度平均為-20℃，為-24℃，為-15.8℃。該日谷電時段內(nèi)室外溫度為-24 ℃，為-15.9 ℃；谷電時段外室外溫度為-21.9℃，為-15.8 ℃，平均為-18.5 ℃。由此可見，在設(shè)計日谷電時段內(nèi)、外均需運行輔助熱源。谷電時段內(nèi)3臺熱泵機組和1臺電輔助鍋爐同時運行，直接為建筑供暖，另外還需配置1臺蓄熱用電鍋爐和蓄熱水箱，谷電時段內(nèi)進行蓄熱。以-18.5℃作為計算蓄熱裝置的室外計算溫度，該溫度下建筑熱負(fù)荷為273kW，其中熱泵機組承擔(dān)176kW，蓄熱裝置需承擔(dān)97kW。谷電時段外共計14h，需要蓄熱量1358kW.h。要在谷電時段10h內(nèi)完成蓄熱，蓄熱用電鍋爐容量為136kW。若采用常壓水蓄熱方式，蓄熱溫度為45~90℃，蓄熱水容積為26m3。

 

      按以上計算方法，算出了平衡點溫度分別為-11~-9℃，-15~-13 ℃時的熱泵機組、電輔助鍋爐、蓄熱用電鍋爐以及蓄熱水箱的容量。

 

 

 

      按1.1節(jié)方法初步選擇空氣源熱泵系統(tǒng)的平衡點溫度后，對系統(tǒng)供暖期能效（或季節(jié)性能系數(shù)）進行核算。目前國內(nèi)還沒有關(guān)于嚴(yán)寒地區(qū)空氣源熱泵應(yīng)用的季節(jié)能效推薦指標(biāo)，考慮到熱泵機組性能、氣候特點、電輔助熱源等因素，并參考北京（寒冷地區(qū)）季節(jié)性能系數(shù)推薦，建議烏魯木齊地區(qū)空氣源熱泵應(yīng)用的供暖期能效指標(biāo)范圍為2.0~2.2。

 

      下面對1.2節(jié)示例平衡點溫度為-12℃的空氣源熱泵系統(tǒng)進行供暖期能效計算。先由文獻(xiàn)【7】查得并列出烏魯木齊典型氣象年供暖期內(nèi)13個室外溫度區(qū)間出現(xiàn)的時間，然后計算出各溫度區(qū)間下建筑熱負(fù)荷、熱泵供熱量、熱泵供熱性能系數(shù)、壓縮機輸入功率、風(fēng)機功率、電輔助加熱功率等參數(shù)，算結(jié)果見表3。

 

         （點擊可查看大圖~）

 

      表3中熱泵供熱量、輸入功率等參數(shù)參考了某廠家技術(shù)資料。熱泵供熱性能系數(shù)所乘的系數(shù)為熱泵結(jié)霜除霜系數(shù)，根據(jù)烏魯木齊冬季低溫、干燥的氣候特點，以及不同室外溫度區(qū)間結(jié)霜速率，編號1~3，4~7，8~13的室外溫度區(qū)間結(jié)霜除霜系數(shù)分別取1.0，0.9，0.95。根據(jù)不同室外溫度區(qū)間建筑熱負(fù)荷的需求，可投入1~3臺熱泵機組運行，熱源側(cè)風(fēng)機功率與機組運行臺數(shù)相對應(yīng)。編號10~13的室外溫度區(qū)間為低于平衡點溫度-12℃的區(qū)間，也是啟動電輔助加熱的區(qū)間，電輔助加熱量為建筑熱負(fù)荷與熱泵供熱量的差值。電輔助加熱功率中計入了加熱、蓄熱裝置的熱損失，綜合損失系數(shù)取0.9。

 

      經(jīng)計算，供暖期按建筑熱負(fù)荷需求的系統(tǒng)總供熱量為697623kW.h，熱泵機組、電輔助加熱總用電量為318773．93kW·h，供暖期系統(tǒng)能效比為2.19。當(dāng)供暖期系統(tǒng)能效比計算結(jié)果低于2.0時，應(yīng)調(diào)整平衡點溫度并重新計算。

 

      如果電力生產(chǎn)和輸配的總效率按35%計，本例中空氣源熱泵供暖期的一次能源效率可達(dá)76.65%，遠(yuǎn)高于電直接或蓄熱式供暖的一次能源效率。

 

2.2    空氣源熱泵系統(tǒng)用電費用情況分析

      表3中還列出了各室外溫度區(qū)間在低谷電時段出現(xiàn)的時間，由此可計算出熱泵機組在谷電時段運行的用電量總和為142466．23kW·h；電輔助熱源在谷電時段供暖及蓄熱的用電量總和為40778.3kW.h。系統(tǒng)低谷電用電量總和為183244．53kW.h，熱泵機組峰、平時段用電量總和為135529．4kW.h。

 

      烏魯木齊分時電價為：峰電4h，0.565 元/（kW.h）；平電10h，0.395元/（kW.h）；谷電10h，0.08 元/（kW.h）。峰、平時段平均電價為0.444元/（kW.h）。

 

      示例中熱泵系統(tǒng)供暖期運行的低谷電費用為183244．53kW.h*0.08元/（kW.h）=14659.56元；峰、平電費用為：135529.4kW.h*0.444元/（kW.h）=60175.05 元。用電費用合計為74834．61元，建筑面積為5200m2，單位面積用電費用為14.39元/m2。

 

      空氣源熱泵機組按樓棟設(shè)置，用戶末端循環(huán)泵耗電輸熱比按JGJ26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》控制，本例用戶末端和蓄熱裝置循環(huán)水泵軸功率在10kW 以內(nèi)。若循環(huán)泵用電按峰、平時段平均電價0.444元/（kW.h）計，供暖期循環(huán)泵單位面積用電費用只有2元/m2左右。計入循環(huán)泵用電的熱泵系統(tǒng)供暖期單位面積運行費用在16元/m2 左右。而烏魯木齊區(qū)域供熱供暖收費為22元/m2，可見采用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統(tǒng)在運行費用方面也較具優(yōu)勢。

 

 

      烏魯木齊應(yīng)用低谷電輔助熱源的空氣源熱泵系統(tǒng)，在能效方面優(yōu)于電直接或蓄熱式供暖系統(tǒng)，用電費用低于集中供暖收費。建議將分時段供電的低谷電優(yōu)惠政策擴展到電驅(qū)動空氣源熱泵應(yīng)用項目中來，一方面可促進可再生能源技術(shù)的推廣應(yīng)用，另一方面可為低谷電應(yīng)用開辟新的途徑，有利于縮小電網(wǎng)峰谷差。實際上，低溫空氣源熱泵不僅可以在冬季供暖，還可以在夏季供冷，一機兩用，投資效益較高。在具體工程應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)建筑功能、規(guī)模、冷熱負(fù)荷等結(jié)合平衡點溫度的選擇進行包括設(shè)備初投資在內(nèi)的更全面的經(jīng)濟分析。