燃气锅炉与空气源热泵高效耦合供暖系统的设计

耦合系统的设计流程

   

耦合系统的设计流程主要是①根据全生命周期费用、节能降碳要求确定选型；②根据系统情况、热源要求确定合适的耦合形式；③根据能源条件、供暖效果确定合适的运行逻辑。其中，热源的选型需测算不同配置下全生命周期的费用，综合节能考虑选择一个合适的热源配。两种热源的耦合形式设计则需满足两种热源设备对系统循环流量、加热温差等工况的要求，同时也要满足供暖终端的水温、流量要求。耦合系统的运行逻辑则应能充分发挥两种热源的特性，优先使用更节能降费的热源，并保证供暖的舒适度及稳定性。

耦合系统的选型策略

   

1    单位供暖条件的耗热量

供暖耗热量计算条件为建筑面积10000m 2 、单位面积热负荷50W/m 2 、满负荷供暖1h，可得供暖耗热量为1.8GJ，以此作为单位供暖条件的耗热量。

选取全国24个主要城市冬季供暖室外设计温度，按系统供水温度50℃的条件，选取对应的空气源热泵的COP，并进行各城市单位供暖条件下的空气源耗电量计算（如表1）。空气源热泵参数按商用低温空气源热泵机组确定，电能热值取3.6MJ/kWh。

燃气锅炉考虑间接换热等因素，按90%的热源整体效率（锅炉热效率95%，间接换热效率95%）进行单位供暖条件下的燃气锅炉耗气量计算。燃气锅炉参数按商用直流式燃气锅炉确定，燃气热值取36MJ/m 3 （因燃气锅炉水温、水压、水质的要求，可采用间接换热形式接入系统，为不赘述，下文“锅炉” 代表了直接或间接供暖的锅炉热源形式）。

2    单位供暖条件的费用分析

1）室外环境温度的影响。室外环境温度越低，空气源热泵的COP越低，供暖费用越高，而燃气锅炉热源的整体效率基本不受环境温度的影响。 

2）气电价格比（燃气价格与电价之比）的影响。郭鹏学暖通能源单价越高，对应热源的供暖费用越高。气电价格比越大，空气源供暖费用节省量越大，如南京、郑州此类近期燃气价格涨幅较大、电价变化不大的城市，气电价格比非常大，空气源热泵的供暖费用节省量也较大。

3）系统水温的影响。系统水温越高，空气源热泵的COP越低，供暖费用越高。

其中，q气为燃气热值，MJ/m 3 ；q电为电能热值，MJ/kWh；M气为燃气价格，元/m 3 ；M电为电价，元/kWh；η为燃气热源整体效率。

实际项目中，可查询空气源热泵在实际水温工况、环境温度对应的实时COP，如实时COP大于临界COP费用，则空气源热泵供暖费用更低。

3    单位供暖条件的能耗分析

根据相关规范，电能（当量值）折算标准煤的系数为0.1229kgce/kWh，天然气（热值36MJ/m 3 ）折算标准煤的系数为1.229kgce/m 3 。可将各城市单位供暖条件下的热泵耗电量、燃气锅炉耗气量折算为标准煤，并进行耗能比较。室外环境温度越低、系统供水温度越高，空气源热泵的COP越低，空气源热泵供暖能耗越高。实际项目中，查询空气源热泵在实际水温工况、环境温度对应的实时COP，实时COP越大，空气源热泵供暖能耗越少。

4    单位供暖条件的碳排放分析

根据相关规范及政策，电能的碳排放因子取0.5810tCO 2 /MWh，天然气的碳排放因子为55.54tCO 2 /TJ。将各城市单位供暖条件下的热泵耗电量、燃气锅炉耗气量进行碳排放量计算，并进行比较。

同样的，室外环境温度越低、系统供水温度越高，空气源热泵的COP越低，空气源热泵供暖碳排放量越高。但随着室外环境温度、系统供水温度的工况变化，空气源热泵供暖碳排放量会从低于燃气锅炉变为高于燃气锅炉。

另一方面，当前测算中的电能碳排放因子是固定不变的，实际电能碳排放因子应根据各地电网实际发电能源情况确定，根据中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专委会测算的2019年区域电网平均排放因子范围为0.4165tCO 2 /MWh～0.8034tCO 2 /MWh，电能碳排放因子的变化也会对空气源热泵与燃气锅炉供暖碳排放量的测算产生影响。

可以按下式计算空气源热泵供暖碳排放量与燃气锅炉相等的空气源热泵临界COP碳排放值：

式中F气——燃气碳排放因子，kgCO 2 /m 3 ； F电——电能碳排放因子，kgCO 2 /kWh。实际项目中，查询空气源热泵在实际水温工况、环境温度对应的实时COP，如实时COP＞临界COP碳排放，则空气源热泵供暖碳排放量更低。

5    全生命周期费用分析

在确定热源优先性后，耦合系统中两种热源如何配比还需要考虑项目全生命周期下的总成本情况，包括不限于设备投资、安装造价、运行费用等方面。 以北京为例进行不同热泵占比情况下的全生命周期费用测算。

测算条件如下：供暖面积及负荷条件、热源条件、能源条件与前文一致；热源包含安装的造价按空气源热泵1000元/kW、燃气锅炉450元/kW取值；系统生命周期10年；供暖期天数及气温按规范规定的典型年气温、平均温度≤8℃的144天取值。根据以上条件，北京不同热源占比的全生命周期费用测算如图1。

   

耦合系统形式的选择

   

在实际应用中，燃气锅炉与空气源热泵可采用串联、并联、二级泵三种形式进行耦合供暖。

1）当系统运行流量仅可满足空气源热泵运行要求，且系统流量变化范围不超过热源适应范围时，可采用串联耦合供暖系统。 

如图2，供暖末端回水依次通过空气源热泵、燃气锅炉，热媒水经两种热源接力加热后供向末端。

2）当系统运行流量可同时满足空气源热泵、燃气锅炉运行要求，且系统流量变化范围不超过热源适应范围时，可采用并联耦合供暖系统。如图3，供暖末端回水同时通过空气源热泵、燃气锅炉，热媒水经两种热源分别加热，混合供向末端。

图3 并联耦合供暖系统

3）当系统运行流量或流量变化范围无法满足空气源热泵／燃气锅炉运行要求时，可采用二级泵耦合供暖系统。如图4，燃气锅炉加热的热媒水通过系统循环泵供向供暖末端，空气源热泵及对应循环泵通过平衡管与系统耦合，当需要空气源热泵加热时，热泵循环泵将热媒水从平衡管进口抽至空气源热泵进行加热，加热后的热媒水在平衡管出口重新进入系统，实现热泵供暖。

图4  二级泵耦合供暖系统

三种耦合供暖系统中，温度较低的系统回水可以直接进入空气源热泵加热，以确保空气源热泵的高效运行。 从系统设计、稳定性、舒适性等方面对三种耦合供暖系统进行分析，结果如表2。

   

耦合系统的 运行控制

   

耦合系统的运行逻辑应能充分发挥两种热源的特性，在保证供暖的舒适度及稳定性的前提下，可以根据系统运行工况判断当前空气源热泵供暖更优还是燃气锅炉更优。

以节省供暖运行费用为原则的耦合系统运行逻辑如上图所示。而为实现耦合系统的运行逻辑，在实践中所需的监测点包括但不限于下列参数：

温度参数：环境温度、系统供/回水温度、空气源热泵供水温度、燃气锅炉供水温度等； 能源单价： 燃气价格、电价等； 热源状态： 燃气锅炉实时制热量/效率、热泵实时制热量/COP等； 同时，在实际运行中对耦合系统中燃气热源及空气源热泵供暖量进行热计量，可以帮助分析系统实际供暖及节能情况,并进行供暖运行工况的优 化。