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            熱泵技術在北方“煤改電”工程中的應用與展望

            • 作者:
            • 中國暖通空調網
            • 發布時間:
            • 2020-01-13

            北京建筑大學  高英博  李德英

                   【摘  要】通過對“煤改電”工程的背景和發展現狀的總結,和對空氣源熱泵相對于其他供熱設備的技術性經濟性分析,指出了在北方“煤改電”工程中空氣源熱泵所具有的獨特優勢。同時,結合已經完成的“煤改電”工程,分析指出了在下一階段“煤改電”工程可以應用的新技術和需要解決的問題。

                   【關鍵詞】“煤改電”工程;熱泵技術;供熱改造;太陽能供暖

                   早至2001年,北京市政府就開始推進了居民供熱“煤改清潔能源”工程,也就是習慣上所說的“煤改電”工程。[1]“煤改電”工程之初,主要采用直熱式電供熱、蓄熱式電供熱等電熱設施的直接利用階段。經過一段時間的實際應用和理論論證后,2017年起,北京市全面禁止推廣使用直熱式電供熱設備,限制使用蓄能式電暖器,推廣使用能效比(COP值)較高的空氣源熱泵、地源熱泵和高能效低排放的燃氣供熱設備。本文結合北方地區“煤改電”工程的背景及發展現狀,分析論述熱泵技術在“煤改電”工程中的優勢,并對未來“煤改電”工程可應用的新技術做出展望。

            1 “煤改電”工程的背景

                   在我國北方的大片農村地區,居民冬季取暖普遍使用燃煤爐,通過直接燃燒煤炭等化石燃料,將其中的化學能轉化為熱能直接加熱空氣以實現取暖的效果。即便是在條件稍好的地區,也不過是使用小型燃煤鍋爐結合暖氣片或地暖等供熱末端設備來進行冬季的取暖。采用這兩種方式,都會給我國北方冬季帶來嚴重的空氣污染問題,燃煤取暖已經成為我國北方地區冬季大氣污染的一個重要污染源。為治理大氣污染,國家在2013年兩會后出臺了“國家大氣污染防治規劃”,各地區也陸續出臺了大氣污染防治規劃[2]。北京市于2014年3月1日出臺了“大氣污染防治條例”與對應的規劃等一系列措施。根據北京市的大氣污染防治規劃,在能源結構方面北京市制定了未來到2020年能源結構調整戰略,其中以“煤改電”工程最為引人注目,引發了全社會的關注。

                   “煤改電”工程的實質就是放棄北方傳統的使用燃煤取暖的冬季采暖方式,轉而利用電設備進行冬季的供熱采暖。“煤改電”工程目前經歷了兩個階段,即直接利用電熱設施取暖的階段,和以利用熱泵技術為代表的供熱階段。在利用電熱設施直接取暖的階段,雖然電供熱也屬于清潔供熱,沒有污染的問題。但是,電供暖的一次能源利用率低,它以消耗更多的燃煤為代價來實現清潔供暖的目的,雖然清潔但不節能。同時居民供熱的用電量急劇上升,供熱成本高昂,加重了居民的供暖負擔。而以熱泵技術為代表的第二階段,在實現清潔供暖的同時,兼顧了節能,通過較高的供熱效率,降低了居民的供暖負擔。通過推動“煤改電”工程,大大緩解了北方供暖季的空氣污染問題,同時也能夠顯著改善集中居民區的空氣質量。利用熱泵技術,“煤改電”工程在實現顯著的節能減排效果的同時,也保證了北方居民的生活質量,因此具有廣闊的發展前景。

            2 “煤改電”工程的發展現狀

                   隨著2013年“國家大氣污染防治規劃”的出臺,各省市地區也陸續出臺了大氣污染防治規劃,并建立了“煤改電”工程試點,從而實現利用電供暖設備逐步替代傳統燃煤設備的目標。截止到2017年,我國北方冬季供熱的“煤改電”工程已經得到了北京、天津、河北、河南、山東、山西等15個省份的明文支持。其中尤其是在北京地區,冬季供熱“煤改電”工程已經進入了收尾期,并達到了良好的預期效果。根據中國環境保護部的數據,2017年北京市的空氣質量達標天數相較2013年增加了50天[3],重污染天數減少了33天。整個京津冀地區的空氣質量也取得了明顯的改善,2017年京津冀PM2.5平均濃度為64微克每立方米,相較于2013年下降了39.6%??梢钥闯?,利用熱泵技術的“煤改電”工程較好的實現了清潔供熱的政策預期,可盡快在更多的適宜地區加以推廣應用。

            3 熱泵技術在“煤改電”工程中的優勢

                   3.1 熱泵技術的原理

                   熱泵是一種能夠在較低溫度下利用蘊含在自然中的大量能源,并將其轉化到較高溫度,從而向用戶提供有用熱量的裝置。其本質上是一種熱量提升裝置。熱泵通常是先從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱能,經過壓縮機或發生器做功,然后再向人們提供可被利用的高品位熱能。熱泵具有節能環保、可冷熱聯供、安裝方便、運行可靠等優點,在集中供熱不容易覆蓋的鄉鎮及農村建筑中,有廣泛的應用前景。

                   根據冷熱源的不同一般可以將熱泵分為水源熱泵、地源熱泵和空氣源熱泵[4]。水源熱泵是利用水中所儲藏的低品味熱能,經過壓縮機做工實現提取熱量用于供暖的設備。然而由于北方地區水資源較為稀缺,因此水源熱泵并不適合在北方“煤改電”工程中進行應用。地源熱泵技術是以土地為熱源對建筑物進行供熱或制冷的技術,通過熱泵將土地中的低品位熱能提升以實現供暖或制冷的目的。由于地源熱泵需要滿足冬夏兩季向土地取熱量和排熱量之間的平衡,技術要求較高,因此限制了地源熱泵在“煤改電”工程中的發展??諝庠礋岜靡钥諝庾鳛榈推肺粺嵩?,以電能驅動壓縮機做工實現提取低品位熱量用于供暖的設備。相較于水源熱泵和地源熱泵,空氣源熱泵具有技術可靠、運行穩定、方便改造、投資較小等優點,因此得以在北方“煤改電”工程中得以大量應用。

                   3.2 熱泵技術在“煤改電”工程中的優勢

                   空氣源熱泵由于具有經濟、清潔、安全、高效等一系列優點,因此相對于傳統供熱方式,空氣源熱泵是“煤改電”工程中最佳的選擇之一。相對于燃煤鍋爐、電熱鍋爐、燃氣鍋爐和燃油鍋爐等設備,空氣源熱泵在熱效率、供熱費用、使用壽命、維護費用、環境污染和安全性等各方面,均具有十分明顯的優勢[5]。

                   除了技術性優勢之外,空氣源熱泵同樣具有可觀的經濟性優勢。下面以冬季供熱加熱熱水水溫從5℃到45℃(溫升40℃)為例,每噸熱水所需加熱量為168,000kJ(取水的比熱容為4.2kJ/kg),在20℃干球溫度工況下,對各種供熱設備的經濟性進行分析。

                   燃煤鍋爐熱效率約為93%,標準煤熱值約為293,000kJ/kg,當前煤炭價格約為700元每噸。經計算可得,使用燃煤鍋爐供熱,產生每噸熱水的費用約為4.3元。

                   電熱鍋爐熱效率約為95%,電能的熱值約為3600kJ/kWh,當前居民用電價格約為0.5元每千瓦時。經計算可得,使用電熱鍋爐供熱,產生每噸熱水的費用約為24.5元。

                   燃氣鍋爐熱效率約為90%,天然氣的熱值約為36,000kJ/m³,當前居民用天然氣價格約為2.3元每立方米。經計算可得,使用燃氣鍋爐供熱,產生每噸熱水的費用約為11.9元。

                   燃油鍋爐熱效率約為90%,燃油熱值約為42,696kJ/L,當前燃油價格約為7元每升。經計算可得,使用燃油鍋爐供熱,產生每噸熱水的費用約為30.6元。

                   空氣源熱泵熱效率可達420%,電能的熱值約為3600kJ/kWh,當前居民用電價格約為0.5元每千瓦時。經計算可得,使用空氣源熱泵供熱,產生每噸熱水的費用約為5.6元。

                   通過以上計算對比可以看出,使用空氣源熱泵供熱具有明顯的經濟性優勢,在保證環保的同時,可明顯降低使用時的運行成本,降低居民的供熱負擔。

            4 “煤改電”工程中的問題與展望

                   空氣源熱泵依靠節能環保、結構簡單、運行可靠、方便維護、無需機房、初期投資少,比較適合小型工程或改造工程等優點,成為了各省市地區“煤改電”工程中主要推廣的技術。利用空氣源熱泵技術,北方“煤改電”工程不僅減少了空氣污染,改善了居民的生活環境,同時也降低了居民供熱負擔。但是同時,以空氣源熱泵技術為主的“煤改電”工程仍面臨一些問題以待解決,從而取得更好的效果。

                   以北京為例,北京在我國屬于典型的夏熱冬冷地區,空氣源熱泵在冬季極端天氣影響時,會出現節能效果不明顯、加熱效果不理想,運行不穩定、易出現結霜現象等問題。

                   針對此問題,結合北方的氣候特點,可以考慮將空氣源熱泵技術與太陽能系統相結合[6]。我國北方地區冬季多為晴朗天氣,具有很廣闊的太陽能利用潛力。但是太陽能資源的利用面臨著天氣和氣溫等因素的制約,太陽能供熱系統無法保證全天的穩定運行。將空氣源熱泵熱水機組與太陽能熱水器相結合既可以解決太陽能系統全體運行的問題,也可以提高空氣源熱泵的運行穩定性。同時,“煤改電”工程多在鄉鎮農村地區,建筑屋頂有足夠的空間安裝太陽能系統,也不存在破壞城市景觀等問題。因此,在未來的“煤改電”工程中,因地制宜的將空氣源熱泵技術與太陽能系統相結合,具有可觀的發展空間。

                   在“煤改電”工程進行中,普遍存在供熱末端仍為鑄鐵暖氣片的現象[7],老化嚴重且配比不合理,造成了整體的供熱效率低供熱效果差。同時,“煤改電”工程主要針對供熱設備進行改造,忽視了房屋的保溫性改造,大多數居民房屋墻體保溫隔熱性差,門窗密閉性差,使整棟房屋散熱量大,最終造成了屋內供熱效果不理想的結果。因此在下一階段的“煤改電”工程中,要在對供熱設備進行改造的同時,重視供熱末端的改造和房屋圍護結構的保溫性改造,以更好的實現提高居民舒適度、降低能源消耗的目的。

            5 結語

                   本文通過對“煤改電”工程現狀進行總結,并將空氣源熱泵和其他供熱設備進行對比分析,指出了在北方“煤改電”工程中空氣源熱泵具有的明顯的技術性和經濟性優勢,適宜在北方居民建筑“煤改電”工程中推廣應用。同時,結合已經完成的“煤改電”工程,分析指出了在下一階段“煤改電”工程可以應用的新技術。并分析得出了“煤改電”工程中存在的一些問題,如供熱末端設備陳舊、房屋圍護結構保溫性差等,需要在下一階段的“煤改電”工程中解決。盡管現階段仍存在一些問題,但空氣源熱泵技術應用于北方“煤改電”工程已經取得了良好的成果。在未來的“煤改電”工程中,空氣源熱泵技術仍將作為主要技術手段,發揮不可替代的作用。

            參考文獻:

                   [1] 李煜.“煤改電”工程的環境影響[J]. 環境與生活, 2014(6): 102-103.
                   [2] 國家發展改革委,能源生產和消費革命戰略(2016-2030),發改基礎〔2016〕2795號, 2016.12.29;
                   [3] 邢有凱.北京市“煤改電”工程對大氣污染物和溫室氣體的協同減排效果核算[C] 2016中國環境科學學會學術年會論文集,???2016,3:3186-3191.
                   [4] 李素花,代寶民,馬一太.空氣源熱泵的發展及現狀分析[J].制冷技術,2014,(01):42-48.
                   [5] 王天舒.節能型太陽能空氣源熱泵多功能機研究[J].價值工程,2018(7)131-133
                   [6] 張帥,胡文舉,李德英,等.空氣源熱泵—散熱器供暖系統用于北京地區某農村住宅的實測分析[J].暖通空調,2015(8):79,80-83.

                   備注:本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會(2018年10月23~27日,中國·三門峽)論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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