根據(jù)我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)和相關(guān)政策，替代燃煤的能源主要就是燃氣和電，那么空氣源熱泵采暖與燃氣采暖和電采暖相比是否更節(jié)約能源、更節(jié)約運行成本成為其是否值得推廣的一個重要因素。以下就分別從國家能源利用和運行成本2個方面進行分析。

 

從國家能源合理利用的層面看，用哪種方式采暖更節(jié)約能源是首要考慮的因素。這就要求找到一種方法評價不同能源的制熱效率，在這里引入我國中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2011[12]中提出的一種評價思路，即通過總結(jié)現(xiàn)有不同能源的產(chǎn)熱值和產(chǎn)電值，將其轉(zhuǎn)化為空調(diào)領(lǐng)域常見的COP值進行對比。

 

舉例說明，如圖2所示，采用燃氣蒸氣聯(lián)合循環(huán)的天燃氣電廠，純發(fā)電效率可超過55%，即1 m3天燃氣可產(chǎn)電5.44 kW?h。而對于天燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目，其發(fā)電效率為40%，供熱效率為42%，這時1 m3天燃氣可以同時產(chǎn)生3.95 kW?h電和4.15 kW?h熱，與天然氣純發(fā)電相比，減少了1.49 kW?h電，同時增加4.15 kW?h的熱，這相當于一臺效率為2.78的熱泵。筆者按此思路，計算了天燃氣熱水鍋爐的熱泵效率，如圖3所示，取天燃氣熱水鍋爐熱效率為88%[13]，則1 m3天燃氣可產(chǎn)熱9.5 kW?h，與天燃氣純發(fā)電相比，其熱泵效率相當于1.75。

對于低溫?zé)岜貌膳覈缭?010年就頒布國家標準GB/T25127.1—2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵(冷水)機組》[14] ，并規(guī)定其制熱綜合部分性能系數(shù)IPLV(H）不低于2.5，現(xiàn)有產(chǎn)品的最低效率限值就已經(jīng)遠高于燃氣熱水鍋爐和電暖氣采暖等方式，與燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)效率接近。

 

而且近幾年隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，機組部分負荷下的性能得到大幅提升，這點在多聯(lián)機產(chǎn)品上已經(jīng)得到很好的驗證，變頻技術(shù)在低溫?zé)岜迷O(shè)備上的采用勢必會大幅度提升低環(huán)境溫度空氣源熱泵制熱綜合部分性能系數(shù)，使其與燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)相比擁有更明顯的性能優(yōu)勢。以上幾種方式的熱泵采暖效率如表1所示。

所以，從國家能源利用層面考慮，應(yīng)優(yōu)先考慮燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)和熱泵采暖。由于能源利用率低，應(yīng)盡可能限制燃氣采暖，或者是作為后備、輔助熱源使用。而對于電暖氣、電熱膜等采暖方式，由于其能源利用率最大不會超過1，應(yīng)在只有其他采暖設(shè)備無法使用時才予以考慮。 

 

從運行成本層面看，用哪種方式采暖運行費用最低是首要考慮的因素。以下以北京地區(qū)一間80 ㎡民用住宅為例，對比分析不同采暖方式的運行成本（見表2）。其中運行成本的計算過程以低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖使用階梯電價為例進行說明。

北京地區(qū)采暖天數(shù)為120天[15] ,采暖負荷的面積指標為45~70W/㎡[16] ，在這里取平均值后取整為60 W/㎡，每天按采暖24h計算，整個采暖季的負荷變化按北京地區(qū)的IPLV[14]系數(shù)計算，則采暖負荷（kW?h）Q=80×120×60×24×(1×8.3%+0.75×40.3%+0.5×38.6%+0.25×12.9%)=8432.64。

 

按照GB/T 25127.1—2010[14]要求的最低值取2.5計算，則整個采暖季耗電量（kW?h）W=8432.64/2.5=3 373,整個采暖季分為4個月，則平均每個月的耗電量為843 kW?h，北京現(xiàn)有的每月階梯電價[17]為：一檔0.488 3元/1 kW?h(1-240 kW?h)，二檔0.538 3元/1 kW?h(240-400 kW?h)，三檔0.788 3元/1 kW?h(400 kW?h以上)，則整個采暖季費用（元）M=［240×0.488 3+(400-240)×0.538 3+(843-400)×0.788 3］×4=2 210。

從表2中的費用總計可以看出，運行成本由低到高的采暖方式依次為：合表用戶采用空氣源熱泵采暖<市熱力集團中心大網(wǎng)<分戶燃氣鍋爐<階梯電價用戶采用空氣源熱泵采暖<區(qū)域燃氣鍋爐<電暖氣、電熱膜等采暖。只要有合適的電力價格和政策，空氣源熱泵采暖的運行費用僅有市熱力集團集中采暖費用的83%，區(qū)域燃氣鍋爐費用的67%，成本優(yōu)勢非常明顯。

我國幅員遼闊，同樣在冬季不同地區(qū)室外環(huán)境溫度差別很大，而環(huán)境溫度正是制約低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組的主要因素。

低環(huán)境溫度熱泵機組的最低可運轉(zhuǎn)環(huán)境溫度應(yīng)當?shù)陀诨虻扔谒褂玫貐^(qū)的室外極端干球溫度，即保證所使用地區(qū)出現(xiàn)極端溫度時機組可以正常工作，否則將會給用戶帶來無法估量的損失。而常規(guī)的空氣源熱泵機組的最低使用溫度只有-7℃[18]，主要是因為環(huán)境溫度繼續(xù)降低時，隨著系統(tǒng)壓比的升高，壓縮機排氣溫度快速上升，超出其使用范圍而無法運轉(zhuǎn)，這使其很難在北方采暖上應(yīng)用，同時由于環(huán)境溫度的下降，導(dǎo)致壓縮機制冷劑循環(huán)量減少，能力衰減明顯。

鑒于以上問題，目前的主要解決方案是采用準雙級壓縮經(jīng)濟器循環(huán)，即帶有中間補氣技術(shù)的壓縮機搭配經(jīng)濟器循環(huán)是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的一種方式。無論是壓縮機單體研究[19-20]還是系統(tǒng)研究[21-22]均表明該技術(shù)可以明顯降低排氣溫度，拓展機組的低溫使用范圍，并且能夠有效提升制熱能力和COP。

目前我國國家標準GB/T 25127.1—2010[14]規(guī)定機組能夠在不低于－20℃的條件下運轉(zhuǎn)。而國內(nèi)大部分有實力的廠家已將此溫度拓展到－25 ℃。按此思路，筆者總結(jié)了我國涉及集中供暖的省（直轄市）的氣象參數(shù)[23]，圖4展示了各省（直轄市）所屬各個城市的空調(diào)室外計算干球溫度和極端干球溫度平均值，可以直觀看出，從西藏到甘肅的7個省（直轄市）各城市平均極端溫度都高于－25 ℃，意味著現(xiàn)有的低溫?zé)岜卯a(chǎn)品可以在以上地區(qū)使用。

 

而寧夏、遼寧、新疆3省的各城市平均極端溫度約為－30 ℃，對于該部分地區(qū)的絕大部分城市而言，現(xiàn)有的低溫?zé)岜卯a(chǎn)品是無法滿足要求的。但從技術(shù)角度而言，通過一些技術(shù)改進，如采用雙級壓縮，更換低溫用制冷劑，甚至采用復(fù)疊循環(huán)等手段是可以開發(fā)出對應(yīng)產(chǎn)品的。但其經(jīng)濟性需要根據(jù)具體情況進行分析。

 

對于青海、吉林、內(nèi)蒙古和黑龍江4省，屬于我國最寒冷的區(qū)域，依靠現(xiàn)有空氣源熱泵技術(shù)無法使用該設(shè)備進行采暖，即便開發(fā)出對應(yīng)產(chǎn)品，其經(jīng)濟性與其他采暖方式相比恐怕也不具有優(yōu)勢。

 

從國家能源利用層面看，在大型集中供暖工程中可以采用燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，而在中小型區(qū)域供暖以及分戶供暖項目則應(yīng)考慮低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖方式，應(yīng)該盡可能限制采用燃氣熱水鍋爐和電暖氣、電熱膜等能源利用率較低的采暖方式。

 

從運行成本層面看，當有合適的電力價格和政策時，低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖方式的運行費用最低。同時，空氣源熱泵采暖僅消耗電能，運行時所產(chǎn)生的污染和排放較少。綜上所述，筆者認為低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖是替代燃煤采暖的重要考慮方案。

 

考慮到使用地區(qū)環(huán)境溫度的差異，現(xiàn)有的低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組還不能適用于所有的北方采暖區(qū)域，如何拓展其運轉(zhuǎn)范圍、減少低環(huán)溫條件下能力的衰減以及進一步提高其季節(jié)能效比等是低環(huán)境溫度空氣源熱泵機組要面臨的一系列挑戰(zhàn)。

作者單位：松下壓縮機大連有限公司工程師、課長