空气源热泵的节能效果及经济可行性分析

1996年9月天　津　大　学　学　报第29卷　第5期

　　　　　　　　　　　　　　

Sep. 1996JOURNAL OF TI ANJ I N UN I VERSI T Y V o l . 29　N o. 5

巨永平3　张永铨　　

(土木工程系)

()

()

摘要　1提出了空气源热泵、3, 并分别给出了空气源热泵1针对7个不同的供热分区计算分析了两种热, 并对我国空气源热泵的发展使用提出了几点1

关键词:空气源热泵, 节能, 供热系统, 中国供热分区分类号:T K114

ENERG Y SAV ING EFFECT AND ECONOM I C FEASIB I L IT Y

OF A IR -S OURCE HEAT PU M PS

Ju Y ongp i ng 　Zhang Y ongquan

(D ep t . of C ivil Eng . )

　　

L üCanren

(D ep t . of T herm alenergy Eng . )

L iu Yaohao

(D ep t . of C ivil Eng . )

　　Abstract 　T h is paper deals w ith the energy saving effects and the econom ic feasibility of

air 2source heat pump s in vari ous heating areas in Ch ina . T he au tho rs p resen t the calculati on m ethods of coal con sump ti on and annual life 2cycle co st of th ree k inds of heating system s ——bo iler, electric heater and heat pump , and then give the no rm equati ons w h ich can be used to compare the air 2sou rce heat pump s w ith the tw o o ther heating system s in ter m s of econom y and energy consump ti on . W ith the no rm equati ons the autho rs have calculated tw o k inds of air 2source heat pump s in seven differen t heating areas . In conclusi on the autho rs p resen t som e p rinci pal ideas w h ich are i m po rtant in the use and developm ent of air 2source heat pump s in Ch ina . Key words :air 2source heat pump s, energy saving, heating system s, heating areas in Ch ina

　　我国的气候和自然资源有利于热泵采暖, 采用热泵发掘环境资源的收益比国外要好[1]1黄河、长江流域的广大地区夏季需要空调, 冬季需要供热,

促进了空调器向冷热两用

　本文1994年9月15日收到. 1995年1月5日收到修改稿. 　3　1963年生, 男, 硕士, 讲师1Bo rn in 1963, m ale, M , lecturer .

　第29卷第5期　　　　　　巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析・751・

的方向发展1随着生产能力和技术水平的提高, 热泵型空调器已占有相当大的比例[2]1空气源热泵的供热性能随气候变化有很大不同, 热泵能否广泛使用, 取决于有无社会及经济效益1因此, 不同地区使用空气源热泵供热与传统的供热系统相比, 节约能源的程度和经济上是否合算, 一直是众所关心的问题1

1　

空气源热泵供热系统的节能效果

1. 1　不同供热系统的一次能耗(折合煤　　1) M hp

e et ・H S P F ・H d ) ql 　　2) b

(1)

, 同时辅助设备要消耗一定的电能1折合成一次能耗计算式为

(Γb ・H d ) +3600・s ・S ql (Γe ・Γet ・H d ) (2) 　　　　　　　　　M b =3600・S ql 式中:Γb =1. 12Γbo -0. 16[3]1

　　3) 电加热供热系统的一次能耗M e

(Γe ・Γet ・H d ) 　　　　　　　　　M e =3600・S ql 1. 2

　空气源热泵供热系统的节能效果

(3)

　　以热泵的一次能耗为基准, 定义一次能源节约率Εx

　　　　　　　　　ΕM x -M hp ) M hp x =(

　　1) 空气源热泵供热系统和锅炉供热系统的一次能耗比较

(1. 12Γbo -0. 16) +s ・H S P F -1　　　　　　　　　Εb =Γe ・Γet ・H S P F

当Εb >0时, 热泵系统比锅炉系统节约一次能源1在式(5) 中令Εb >0则有

(Γe ・Γet (1. 12Γbo -0. 16) +s ) H S P F >1

式(6) 为空气源热泵供热系统和锅炉供热系统的一次能耗相比较的准则关系式. 若式(6) 成立, 说明热泵供热系统比锅炉供热系统节约一次能源, 反之, 则热泵供热系统比锅炉供热系统多消耗一次能源1

取s =0. 025[4], Γe ・Γet =0. 3, 可作出图11如果Γbo 和H S P F 作出的点落在图中曲线上方, 则热泵供热系统

(4) (5) (6)

和锅炉供热系统相比能节约一次能源1各种不同类型的热泵在不同地区有不同的季节性能系数H S P F 1文献[5]针对某空气2空气热泵计算出了其H S P F 在我国7个供热区域

　图1　热泵和锅炉供热系统一次能耗比较准则

的主要参数如表1, 供热区域的分布如图2曲线(钓鱼岛及南海诸岛因缩比过大兹略) 1　F ig . 1　Energy con su m ption co m par ison of a hea t

pu m p with a bo iler heati ng syste m

・752・天　　津　　大　　学　　学　　报　　　　　　　　　　1996年9月

表1　某空气源热泵在7个供热区域的主要参数

Tab . 1　M a i n param eters of an a ir -source hea t pu m p i n differen t heati ng area s

项目

H

n

3000-120. 751. 50

2875-80. 831. 56

2625-60. 831. 70

2375-10. 861. 91

212510. 9172.

18752.

137561. 1672. 22

T b

HDL F H SPF

　　我国目前普通供热锅炉的额

定效率在70%～80%之间Γbo 为75%, >2115, 数大于2热泵供热系统和锅炉供热系统相比才可节约一次能源1近年来我国北方地区采用的小型单户暖气炉的热效率约为67%, 一般为自然循环, 不用电能, 即s 为01将以上数值代入式(6) 得H S P F >1197, 即空气源热泵与小型单户暖气炉相比当热泵季节性能系数大于1197时, 才可节约一次能源1

　　可见, 对热泵能否节能应有客图2　我国7个供热区域的分布[5]观的评价, 与燃煤供热系统相比, F ig . 2　Seven hea ti n g areas i n Ch i na 空气源热泵节能与否与气候环境及热泵性能有很大关系1

　　2) 空气源热泵和电加热系统的能耗比较　　对电加热系统有

(7) 　　　　　　　　　Εe =H S P F -1

当Εe >0时, H S P F >1, 空气源热泵系统和电加热系统相比就可节约一次能源1

　　综上所述, 空气源热泵供热系统与电加热系统相比, 在H S P F >1时节约一次能源; 与锅炉供热系统相比, 则取决于当地气候条件下热泵的H S P F 值及与之相比的锅炉的效率1

2　空气源热泵供热系统的经济可行性分析

2. 1　几种供热系统的年度使用费

　　供热系统的年度使用费采用下式计算　　　　　　　　　A c =I c ・R +R c +M c

　　1) 空气源热泵供热系统年度使用费A chp 　　A

chp =ΑQ d H DL F +S ql ・P e H S P F +ΑQ d H DL F hp ・R hp ・hp ・Βhp ・Ηhp ・

(8) (9)

　第29卷第5期　　　　　　巨永平等:

空气源热泵的节能效果及经济可行性分析・753・

式中:Ηhp 为修正系数, 热泵只用于供热时为1, 冷热两用时为附加于单冷型空调器初投资的百分数的倒数1

　　2) 锅炉供热系统年度使用费A cb

(Γb ・H d ) +sS ql ・P e 　　　A cb =Αb ・Q d ・(R b +Βb ) +3600・S ql ・P c

　　3) 电加热供热系统年度使用费A ce

(10) (11)

　　　　　　　　　A ce =ΑQ d ・R e +S ql ・P e +Βd e ・Αe 2. 2　　为了便于分析, x 　　　　　　　　　Λx =(A c -A ) A 令H n =S ql Q d , P r =P c e , F b , 则对锅炉供热系统有

(Γb ・H d ) +s ) ) (C rb (R hp +ΒΑH n ・P e b 3600・P r hp ・Ηhp )

(ΑP e H n b ・H S P F ) ) -1

(12)

(13)

若Λb >0, 则说明热泵供热系统比锅炉供热系统节省年度使用费1

　　从式(13) 可见, 当空气源热泵所在地区及当地的价格体系确定之后, Λb 即有确定值1因此, 式(13) 可作为两种系统进行经济性比较的普遍关系式12. 3　小型空气2空气热泵供热系统和锅炉供热系统的经济性比较计算2. 3. 1　小型空气2空气热泵只用于冬季供热时和锅炉供热系统的经济性比较

(kW ・h ) , 热泵及锅　　取i =11%, Β. 02, Β. 018, P c =0. 22元 b =0kg , P e =0. 262元 hp =0

炉系统的寿命分别取15年和18年[6, 7], 其他数据按表1取值1

　　1) 小型空气2空气热泵和小区锅炉房供热系统的经济性比较

　　对分体式小型空气2空气热泵取Αhp =2700元 kW , 窗式空气2空气热泵Αhp =1000元

kW , ΑkW , Γbo =0. 75, Ηb =750元 hp =1, 计算结果如表21

表2　小型空气2空气热泵和小区锅炉房供热系统的经济性比较

Tab . 2　Econo m ic co m par ison of a residen ti a l heati ng -on ly hea t

pu m p with a bo iler heati ng syste m

区域

分体

窗式

Λb Λb

-0. 73-0. 59

-0. 71-0. 57

-0. 70-0. 54

-0. 68-0. 49

-0. 67-0. 45

-0. 66-0. 44

-0. 62-0. 33

　　2) 小型空气2空气热泵和小型单户暖气炉供热的经济性比较

　　对小型单户暖气炉取ΑkW , Γbo =0. 67, 针对不同区域计算, 结果为:对分体热b =500元 泵Λb 分别在-0. 74到-0. 67之间, 对窗式热泵Λb 分别在-0. 61到-0. 42之间, 与表2的结果类似1

　　可见, 单纯采用小型分体空气2空气热泵和采用窗式空气2空气热泵供热, 在经济上均不如小区锅炉房供热系统和小型单户暖气炉供热系统, 因此, 在我国目前不宜单纯采用空气源热泵进行冬季供热1

2. 3. 2　小型空气2空气热泵用于夏季空调冬季供热时和空调器2锅炉系统的经济性比较

　　空调器2锅炉系统指冬季为锅炉系统、夏季用空调器1为了便于分析, 本文假定两种系

・754・天　　津　　大　　学　　学　　报　　　　　　　　　　1996年9月

统夏季空调费用相同1在计算空气2空气热泵系统冬季供热费用时, 初投资仅考虑为热泵型空调器的20%, 因此取Ηhp =51

　　1) 空调器2小区锅炉房供热系统和小型空气2空气热泵系统的经济性比较　　对小区锅炉房供热系统, 取ΑkW , Γbo =0. 75, 2空气热泵取b =750元 ΑkW , 窗式空气2空气热泵ΑkW , 其他数据按表1用式(13) 计hp =540元 hp =200元 算, 结果如表3所示1

表3　空调器2Tab . 3　Econo m ic par a l heat pu m p with an

-bo iler syste m

分体

窗式

b b

-. 57-0. 49

-0. 54-0. 46

-0. 50-0. 40

-0. 45-0. 31

-0. 41-0. 25

-0. 39-0. 21

-0. 26-0. 02

　　2) 空调器2小型单户暖气炉系统和小型空气2空气热泵系统的经济性比较　　对于小型单户暖气炉系统, Αk W , Γbo =0. 67, 其他数据同前1按式(13) 计b =500元 算, 结果如表4所示1

表4　空调器2单户暖气炉和热泵型空调器供热的经济性比较

Tab . 4　Econo m ic co m par ison of a residen ti a l heat pu m p with an a ir

conditioner -residen ti al bo iler syste m

区域

分体

窗式

Λb Λ

-0. 58

-0. 51

-0. 56-0. 48

-0. 53-0. 43

-0. 48-0. 36

-0. 45-0. 31

-0. 45-0. 29

-0. 36-0. 14

　　从表3、表4可知, 无论采用窗式还是分体式热泵型空调器, 按表1的季节性能系数和本文所用的价格体系计算与锅炉系统相比并不节省年度使用费1图3为取Αk W , 在不同的H SPF hp =200元 时, Λb 随H n 的变化曲线1

2. 4　空气源热泵供热和电加热供热系统的经济性比较

　　对电加热供热系统, 令C re =ΑH DL F Αhp e , 则

有

(C re (R hp +Β　　Λe =(R e +Βe +H n ・P e e ) Αhp ・Ηhp )

(Α(14) +P e ・H n e ・H S P F ) ) -1

图3　不同HSPF 时Λb 随H n 的变化曲线

说明当Λe >0时, 热泵供热系统比电加热供热系统

F ig . 3　Curves of Λa tion with H n i n b var i

节省年度使用费; 当Λe

differen t HSPF

　第29卷第5期　　　　　　巨永平等:空气源热泵的节能效果及经济可行性分析・755・

系式, 可采用式(14) 针对不同地区、不同价格体系进行这两种系统的比较1　　1) 小型空气源热泵只用于冬季供热时和电加热供热系统的经济性比较

(kW ・h ) , Η　　取Αe =16元 kW , P e =0. 262元 hp =1, 电加热器的寿命取18年, Βe 近似取

为零, 其他取值同前1针对两种不同的小型空气源热泵进行计算, 结果如表5所示1

表5　Tab . 5　Econo m ic co m par ison of a heati ng -t m p with an heater

区域

分体

窗式

Λe Λ

-0. 280. 08

-0. 240. 12

0. 2516

0. 0. 23

-0. 240. 25

-0. 300. 20

-0. 310. 22

　　, , 若投资相当于窗式空调器的价格, 则其在经1

　　2) 热泵型空调器冬季供热和电加热供热的经济性比较

　　对分体式小型空气2空气热泵取ΑkW , 窗式空气2空气热泵Αhp =540元 hp =200元 k W , Ηhp =5, 其他数据同前1按式(14) 进行计算, 结果如表6所示1

表6　热泵型空调器供热和电加热供热的经济性比较

Tab . 6　Econo m ic co m par ison of a residen ti al hea t pu m p with an electr ic hea ter

区域

分体

窗式

Λe Λe

0. 140. 35

0. 200. 40

0.

250. 50

0. 330. 65

0. 360. 71

0. 310. 70

0. 350. 80

　　可见, 采用热泵型空调器冬季供热在我国不同的气候分区内均优于使用电加热进行供热1图4为采用第 区的数据针对不同的电价作出的Λe 随H SPF 的变化关系(Α540元hp = k W ) 1从图4可知, Λe 随H SPF 的增大而增加, 电价越高, Λe 越大1

　　在以上分析中电加热系统的投资是以普通电炉的市场价为基础的, 其他电热取暖器的初投资会高于此值1就我国目前的价格体系及技术水平, 采用电加热既不节能, 又不经济, 所以要限制电热型空调器的生产1应在保证空调器性能不断提高的前提下多生产热泵空调器,

以满足国内市场的需求, 同时达到节能经济的

F ig . 4　Curves of Λation with HSPF i n e var i

目的1

differen t P e

图4　不同P e 时Λe 随HSPF 的变化曲线

・756・天　　津　　大　　学　　学　　报　　　　　　　　　　1996年9月

3　结　论

　　空气源热泵供热与燃煤锅炉供热相比无烟尘和煤灰污染, 并可减少对环境的热污染、减轻城市的热岛效应, 1我国现有的生产水平和研制、阶段18用美国某空气2空气热泵针

)

对北京地区(处于 区) 21131另有文献1

给出上海地区( ) 2水热泵其H SPF 可达312, 该热泵投资折合k 1标定出力大的热泵其单位供热量的投资较小, 性能系数也较高:

　　(1) 统相比是不经济的1

　　(2) 空气源热泵比电加热节能, 且冷热两用时较电加热经济1因此需要冬季供热夏季空调的场所不应用电加热为供热手段, 而应采用热泵型空调器1

　　(3) 我国 区及其以北地区气候较寒冷, 对空气源热泵要求较高, 且与锅炉供热系统相比节能效果不明显, 冬季运行不经济1因此这些地区应仍以传统的燃煤供热系统为主, 一般情况下不宜采用空气源热泵系统进行夏季空调冬季供热1　　(4) 在我国的 、 、 区空气源热泵的H SPF 值一般较高, 当各区的H SPF 值相应大于219、217、215时, 空气源热泵供热不仅要比锅炉系统节能, 而且在经济上可以和锅炉系统竞争1小型窗式热泵因投资较低, 其经济性优于锅炉系统1小型分体式热泵的经济性略比锅炉系统差1综合考虑节省空间和环保卫生效益, 总体上小型空气源热泵冷热两用将优于燃煤锅炉系统1

　　(5)

大中型空气源热泵的CO P 值较高, 单位供热量投资较小, 在 区及其以南地区使用, 其能耗及经济性均优于传统的供热系统, 故在要求空调供热的场所, 如宾馆、饭店等, 应作为首选方案进行考虑1

　　(6) 第 区是具有应用空气源热泵潜力的地区1大中型空气源热泵冷热两用在能耗上要优于空调2锅炉系统, 在经济上前者对后者有较强的竞争力1在要求空调供热的场所, 大中型热泵方案要作为重要方案进行分析1随着小型空气源热泵性能及可靠性的提高, 小型空气源热泵供热空调将在该地区形成一定市场1

符　号　说　明

　　H DL F ——供热设计负荷系数　　H d ——煤的低位发热量, kJ kg 　　H n ——满负荷时数, h

　　H S P F ——热泵供热季节性能系数

　　I c ——供热系统的初投资, 元

　　M ——供热系统的一次能耗(折合煤) , kg 　　M c ——供热系统的维护管理费, 元 a 　　P c ——煤价, 元 kg

1) 朗四维等1中高档旅馆利用热泵技术节约能源的可行性研究1研究报告1中国建筑科学研究院空气调节研究所

11992

　第29卷第5期　　　　　　巨永平等:

空气源热泵的节能效果及经济可行性分析

(k W h ) 　　P e ——电价, 元

・757・

　　Β——供热系统的维修管理费占初投资的比例　　Η—修正系数hp —

　　Γb ——锅炉在供热季节的平均效率　　Γbo ——锅炉的额定效率　　Γe ——发电效率　　Γet ——输电效率——　　Q d ——供热房间的设计热负荷, kW 　　R ——供热系统的资金恢复系数　　R c ——供热系统的运行费, 元 a

　　s ——锅炉供热系统单位供热量的耗电量, k W k W 　　S ql ——供热房间供暖季的总热负荷, kW h 　　T b ——热泵的平衡温度, ℃

　　Α——供热系统单位供热量的初投资, 元 a

　　b ——锅炉供热系统　　e ——电加热系统

hp ——热泵供热系统　　x ——表示任一供热系统

参　　考　　文　　献

1　吕灿仁1论运用热泵提高能源利用率1天津大学学报, 1981, (1) :84～952　吕灿仁等1热泵节能技术在我国的研究与应用问题1新能源, 1988, (11) :42～46

3　Bonne U , et al . Fuel Co st and L ife Cycle Co st Efficiencies of R esidential H eating System s . A SHRA E T rans ,

1983, (89) :330～338

4　王金凯1采暖热泵变负荷性能试验及其系统优化的研究:[硕士学位论文]. 天津:天津大学, 19885　赵建成1我国空气2空气热泵季节性能的研究:[硕士学位论文]. 哈尔滨:哈尔滨建筑工程学院, 19846　李永铭1锅炉及空调建议使用年限1暖通空调, 1983, (3) :4

7　L ovvo rn N C , et al . A Study of H eat Pump Service L ife . A SHRA E T rans , 1985(91) :Part 2B 573～5888　巨永平1京津地区小型空气2空气热泵供热性能研究及其使用可行性分析:[硕士学位论文]1天津大学, 1988