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摘 要：空气源热泵供暖逐渐成为煤改电的替代选择方案。本文结合河南省郑州市的某供暖项目，核算分析了该项目采用空气源热泵供暖的节能效果。该项目单位供热面积能耗为1.95 kgce/m2，远低于燃煤为主集中供暖建筑供暖能耗指标引导值。节约能耗折标煤393.47 t，相应地可减少产生SO2为240.01 t，烟尘为40.92 t，氮氧化物为1.97 t，体现了很好的节能减排效果。
关键词：空气源热泵;供暖;节能效果
中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0091-03
A case Study of the Energy Saving Effect About Heating Supply Under Air Source Heat Pumps
PAN Yandan CHEN Jing ZHANG Bingxue
（Henan Low-Carbon Energy Saving Technology Co.， Ltd，Zhengzhou Henan 450000）
Abstract： Air source heat pump heating has gradually become an alternative to coal heating. Combining with a heating project， this paper analyzes the energy saving effect of using air source heat pumps. In this project， the energy consumption per unit heating area is 1.95kgce/m2， which is far lower than the guiding value of heating energy consumption index for buildings with coal burning heating. It saved the energy consumption of 393.47 tons standard coal， correspondingly， the production of sulfur dioxide 240.01 tons， dust 40.92 tons and nitrogen oxides 1.97 tons can be reduced， which has shown a good effect on energy conservation and emission reduction.
Keywords： air source heat pump;heating supply;energy-saving effect
我國能源紧缺形势十分严峻，开发利用可再生能源为主的新能源成为人类的必然选择。目前我国城镇建筑采暖主要是靠燃烧矿物燃料，给大气环境造成了极大的污染。随着我国城市化进程的不断推进和人民生活水平不断提高，建筑能耗的比例将继续增加。这将导致建筑用能的不断增长，造成对我国能源供应系统的巨大压力。
与此同时，国务院下发全面整治燃煤小锅炉计划，加快推进“煤改气”“煤改电”等集中供热工程建设。一些地区的政府工作文件中也鼓励用地热能、空气能等清洁能源提供供热、供冷服务，提出了压减燃煤消费，防治大气污染、提高可再生能源消费比例等要求。鼓励因地制宜发展可再生能源供热，加快构建以集中供热为主，以空气热能等清洁能源利用为辅的现代清洁取暖体系[1]。
热泵作为一种高效加热装置，在新能源技术领域备受关注，尤其是空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用方便，安全节约，因此成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。该产品所体现的节能环保性，将成为煤改电政策之下北方清洁采暖、清洁热水的首选技术之一[2-3]。
1 实例介绍
本文实例分析的供暖项目位于我国河南省郑州市，该地区属暖温带大陆季风性气候，冬冷夏热。项目供暖总面积10.78万㎡，共建热源站1个，供热管网约6 350 m，远程控制系统1套。采暖建筑为框架结构的节能型建筑。主要建设内容包含供暖热源站建设、供热管网建设、物联网智能控制系统建设。
项目住宅供暖系统运行时间为24 h/天，供暖期为11月15日至次年3月15日，年运行120天，运行时间共计2 880 h/季。依据该地区冬季室外的温度为-3.8 ℃，项目室内设计温度为不低于18 ℃。本项目住宅建成于2010年，墙体有外保温结构，依据当地居住建筑节能设计标准，设计供热指标均按45 W/㎡标准执行[4]。
项目采用某型号空气源热泵供暖，产品名义制热量为175 kW，消耗总电功率为52 kW，共配置空气源热泵机组25台。空气源热泵机组的附属设备有循环水泵6台，补水泵1台，软化水系统1套。根据项目所在地气象条件、供水排水管网及所采用的设备等其他条件，核算得出该项目的主要技术指标，如表1所示。
2 项目工艺原理
空气源热泵是运用逆卡诺循环原理，通过压缩机的工作使冷媒吸热与放热，实现了利用空气中的低温（低品位）热量转变为高温（高品位）热量，使冷水逐步升温至55 ℃以上的新型机电产品。在制热时，液态制冷剂在空气换热器中汽化，吸收空气中的热量，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度，制冷剂从气态冷却为液态，液体制冷剂经膨胀阀节流后，在压力作用下进入空气换热器，低压气体制冷剂再次汽化，完成一次循环。在这个循环中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从空气侧向水侧的转移[5]。 项目利用补水定压设备、敷设二级管网、室内干管及采暖末端进行供暖，循环泵及除污器设于热源站内。空气源热泵机组加热的热水直接通过循环泵在供热管网内循环，除污器定期冲洗排放污水进入下水道，进入市政污水管网。供水、排水均依托于原有的市政管网。
3 节能效果分析
项目消耗的能源种类有电力，耗能工质为水，引入电源为热力公司变电站，单回路供电。用水就近引入市政自来水，用能有保障。本节分别对该项目空气源热泵供暖的节能效果进行定性和定量分析。
3.1 项目建设方案节能分析
项目供暖采用空气源热泵，该技术有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，无须复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时兼顾节能环保的目的。同时，对于推动清洁能源采暖替代传统燃煤方式采暖的进程具有积极作用。
相比较其他形式的供暖方式，超低温空气源热泵有着高效节能的显著特点。该方式以空气源为冷热源，放出或吸收热量，不消耗资源，不会对环境造成污染，同时节省了锅炉房及附属煤场、储油库、冷却塔等设施。空气源热泵系统可以一机多用，可供暖、制冷，还可提供生活热水。一套空气源热泵系统可以替换城市热网供热的三套装置或系统，减少了设备的初投资，同时可根据负荷调整热泵机组的开启台数，使热泵机组在高效负荷区运行，以提高设备运行效率，节约能源消耗。
3.2 项目能耗计算分析
项目所使用能源为电力，消耗的耗能工质主要为水。经过分析论证、核算评价得出该项目的能源消费情况：项目供热改造后项目年综合能源消费量当量折标为210.72 tce，其中电力消费171.46 万kWh。
其中，电力消耗核算分析根据《工业与民用配电手册》中的方法进行计算，项目电力消耗按照工艺用电、辅助生产和附属生产设施用电等其中，项目的需要系数根据项目的实际情况选取，电力核算的计算过程如下[6]：
设备计算功率=设备额定功率×工作台数×需要系数;设备年耗电量=设备组有功功率×年平均有功負荷系数×年运行时间;各子项目年用电量分别为各系统中所有设备年用年量之和：线路损耗年用电量=各子项目年用电量之和×线路损耗2%。计算结果见表2。
3.3 项目主要能效指标
根据项目实际情况，选取了项目单位供热能耗和项目单位供热面积电耗这两项指标值来分析该项目的能耗情况。
3.3.1 项目单位供热能耗。该空气源热泵分布式区域供暖项目，主要利用空气源热泵进行供暖。根据项目供暖面积为107 800 m2和该项目按当量值核算的年用能量折合标准煤210.72 t，则单位供热面积能耗为：
单位供热面积能耗=年综合能源当量能耗/供热面积
=210.72 tce /107 800 m2
=1.95 kgce/（m2·a） （1）
按照《民用建筑能耗标准》（GB/T51161—2016），该地区燃煤为主的小区集中供暖建筑供暖能耗指标（引导值）为5.6 kgce/（m2·a）（燃煤为主），则项目单位供热面积能耗较之降低3.65 kgce/m2。
3.3.2 项目单位供热面积电耗。本项目主要利用空气源热泵进行供暖。根据项目单位提供数据，项目供暖面积为107 800 m2。该项目前期经核算年耗电量为171.46万kWh，则单位供热面积电耗为：
单位供热面积电耗=企业耗电量/供热面积
=171.46万kWh/107 800 m2
=15.91 kWh/m2 （2）
3.4 节能减排效果
由核算可知，该项目单位供热能耗为1.95 kgce/（m2·a）。相比于燃煤为主的小区供暖能耗指标，该项目单位供暖能耗减少了3.65 kgce/ m2。项目的供暖面积为107 800 m2，由此可以计算出相比于燃煤供暖空气源热泵供暖所对应的节能量。
该项目节能量=（燃煤供暖单位面积能耗指标-该项目单位供热面积能耗指标）×项目供暖面积=（5.65.6 -1.95 ）kgce/m2×107 800 m2=393.47 tce （3）
本项目年可节约能耗折标煤393.47 t，通过查询《全国各省燃煤含硫量和灰分、挥发分含量汇总表》可知，该地区烟煤灰分含量为8.18%，挥发分含量为10.77%，全硫含量为0.45%。根据锅炉烟气计算系数计算可得， SO2产生量为240.01 t，烟尘产生量为40.92 t，氮氧化物的产生量为1.97 t。
按照末端处理装置，SO2的去除率可达到95%，烟尘去除率可达到90%，计算可得，SO2排放量为12.00 t，烟尘产生量为4.09 t，氮氧化物的产生量为1.97 t。由此可知，项目实施后年可减排SO2约12.00 t，减排烟尘约4.09 t，减排氮氧化物1.97 t，具有显著的节能减排效果。
4 结语
案例项目为空气源热泵供暖项目，能够在城市集中热网无法覆盖的区域，替代传统的燃煤锅炉满足城市发展规划和人们的供热需求。项目建成后，单位供热面积能耗为1.95 kgce/m2，远低于燃煤为主集中供暖建筑供暖能耗指标引导值，节约能耗折标煤393.47 t，相应的可减少产生SO2为240.01 t，烟尘为40.92 t，氮氧化物1.97 t。空气源热泵管理和运行成本低，能源利用率高，原料为空气，对环境无污染，有助于推进该地区散煤治理，有助于促进该地区的煤炭减量替代。
参考文献：
[1] 金洪文，孙妍，马喆，等.超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究[J].哈尔滨商业大学学报，2017，33（6）：728-729.
[2] 李婷，惠芳芳，石娟玲.浅谈空气源热泵在既有建筑供暖系统改造中的应用[J].建筑技术开发，2021，48（1）：82-83.
[3] 韩卫珍，刘勇，任文晋.空气源热泵成为可靠供暖热源技术的探讨[J].山西建筑，2021，47（6）：161-163.
[4] 河南省住房和城乡建设厅.河南省居住建筑节能设计标准：DBJ 41/062—2017[S].郑州：郑州大学出版社，2017.
[5] 张昌.热泵技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2015：2.
[6] 刘屏周.工业与民用供配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2016：12.
关键词：空气源热泵;供暖;节能效果
中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0091-03
A case Study of the Energy Saving Effect About Heating Supply Under Air Source Heat Pumps
PAN Yandan CHEN Jing ZHANG Bingxue
（Henan Low-Carbon Energy Saving Technology Co.， Ltd，Zhengzhou Henan 450000）
Abstract： Air source heat pump heating has gradually become an alternative to coal heating. Combining with a heating project， this paper analyzes the energy saving effect of using air source heat pumps. In this project， the energy consumption per unit heating area is 1.95kgce/m2， which is far lower than the guiding value of heating energy consumption index for buildings with coal burning heating. It saved the energy consumption of 393.47 tons standard coal， correspondingly， the production of sulfur dioxide 240.01 tons， dust 40.92 tons and nitrogen oxides 1.97 tons can be reduced， which has shown a good effect on energy conservation and emission reduction.
Keywords： air source heat pump;heating supply;energy-saving effect
我國能源紧缺形势十分严峻，开发利用可再生能源为主的新能源成为人类的必然选择。目前我国城镇建筑采暖主要是靠燃烧矿物燃料，给大气环境造成了极大的污染。随着我国城市化进程的不断推进和人民生活水平不断提高，建筑能耗的比例将继续增加。这将导致建筑用能的不断增长，造成对我国能源供应系统的巨大压力。
与此同时，国务院下发全面整治燃煤小锅炉计划，加快推进“煤改气”“煤改电”等集中供热工程建设。一些地区的政府工作文件中也鼓励用地热能、空气能等清洁能源提供供热、供冷服务，提出了压减燃煤消费，防治大气污染、提高可再生能源消费比例等要求。鼓励因地制宜发展可再生能源供热，加快构建以集中供热为主，以空气热能等清洁能源利用为辅的现代清洁取暖体系[1]。
热泵作为一种高效加热装置，在新能源技术领域备受关注，尤其是空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用方便，安全节约，因此成为热泵诸多型式中应用最为广泛的一种。该产品所体现的节能环保性，将成为煤改电政策之下北方清洁采暖、清洁热水的首选技术之一[2-3]。
1 实例介绍
本文实例分析的供暖项目位于我国河南省郑州市，该地区属暖温带大陆季风性气候，冬冷夏热。项目供暖总面积10.78万㎡，共建热源站1个，供热管网约6 350 m，远程控制系统1套。采暖建筑为框架结构的节能型建筑。主要建设内容包含供暖热源站建设、供热管网建设、物联网智能控制系统建设。
项目住宅供暖系统运行时间为24 h/天，供暖期为11月15日至次年3月15日，年运行120天，运行时间共计2 880 h/季。依据该地区冬季室外的温度为-3.8 ℃，项目室内设计温度为不低于18 ℃。本项目住宅建成于2010年，墙体有外保温结构，依据当地居住建筑节能设计标准，设计供热指标均按45 W/㎡标准执行[4]。
项目采用某型号空气源热泵供暖，产品名义制热量为175 kW，消耗总电功率为52 kW，共配置空气源热泵机组25台。空气源热泵机组的附属设备有循环水泵6台，补水泵1台，软化水系统1套。根据项目所在地气象条件、供水排水管网及所采用的设备等其他条件，核算得出该项目的主要技术指标，如表1所示。
2 项目工艺原理
空气源热泵是运用逆卡诺循环原理，通过压缩机的工作使冷媒吸热与放热，实现了利用空气中的低温（低品位）热量转变为高温（高品位）热量，使冷水逐步升温至55 ℃以上的新型机电产品。在制热时，液态制冷剂在空气换热器中汽化，吸收空气中的热量，低温低压的气态制冷剂经压缩机压缩后变为高温高压气体送至水换热器。由于制冷剂的温度高于水的温度，制冷剂从气态冷却为液态，液体制冷剂经膨胀阀节流后，在压力作用下进入空气换热器，低压气体制冷剂再次汽化，完成一次循环。在这个循环中，随着制冷剂状态的变动，实现了热量从空气侧向水侧的转移[5]。 项目利用补水定压设备、敷设二级管网、室内干管及采暖末端进行供暖，循环泵及除污器设于热源站内。空气源热泵机组加热的热水直接通过循环泵在供热管网内循环，除污器定期冲洗排放污水进入下水道，进入市政污水管网。供水、排水均依托于原有的市政管网。
3 节能效果分析
项目消耗的能源种类有电力，耗能工质为水，引入电源为热力公司变电站，单回路供电。用水就近引入市政自来水，用能有保障。本节分别对该项目空气源热泵供暖的节能效果进行定性和定量分析。
3.1 项目建设方案节能分析
项目供暖采用空气源热泵，该技术有着使用成本低、易操作、采暖效果好、安全、干净等多重优势。以无处不在的空气中的能量作为主要动力，通过少量电能驱动压缩机运转，实现能量的转移，无须复杂的配置、昂贵的取水、回灌或者土壤换热系统和专用机房，能够逐步减少传统采暖给大气环境带来的大量污染物排放，保证采暖功效的同时兼顾节能环保的目的。同时，对于推动清洁能源采暖替代传统燃煤方式采暖的进程具有积极作用。
相比较其他形式的供暖方式，超低温空气源热泵有着高效节能的显著特点。该方式以空气源为冷热源，放出或吸收热量，不消耗资源，不会对环境造成污染，同时节省了锅炉房及附属煤场、储油库、冷却塔等设施。空气源热泵系统可以一机多用，可供暖、制冷，还可提供生活热水。一套空气源热泵系统可以替换城市热网供热的三套装置或系统，减少了设备的初投资，同时可根据负荷调整热泵机组的开启台数，使热泵机组在高效负荷区运行，以提高设备运行效率，节约能源消耗。
3.2 项目能耗计算分析
项目所使用能源为电力，消耗的耗能工质主要为水。经过分析论证、核算评价得出该项目的能源消费情况：项目供热改造后项目年综合能源消费量当量折标为210.72 tce，其中电力消费171.46 万kWh。
其中，电力消耗核算分析根据《工业与民用配电手册》中的方法进行计算，项目电力消耗按照工艺用电、辅助生产和附属生产设施用电等其中，项目的需要系数根据项目的实际情况选取，电力核算的计算过程如下[6]：
设备计算功率=设备额定功率×工作台数×需要系数;设备年耗电量=设备组有功功率×年平均有功負荷系数×年运行时间;各子项目年用电量分别为各系统中所有设备年用年量之和：线路损耗年用电量=各子项目年用电量之和×线路损耗2%。计算结果见表2。
3.3 项目主要能效指标
根据项目实际情况，选取了项目单位供热能耗和项目单位供热面积电耗这两项指标值来分析该项目的能耗情况。
3.3.1 项目单位供热能耗。该空气源热泵分布式区域供暖项目，主要利用空气源热泵进行供暖。根据项目供暖面积为107 800 m2和该项目按当量值核算的年用能量折合标准煤210.72 t，则单位供热面积能耗为：
单位供热面积能耗=年综合能源当量能耗/供热面积
=210.72 tce /107 800 m2
=1.95 kgce/（m2·a） （1）
按照《民用建筑能耗标准》（GB/T51161—2016），该地区燃煤为主的小区集中供暖建筑供暖能耗指标（引导值）为5.6 kgce/（m2·a）（燃煤为主），则项目单位供热面积能耗较之降低3.65 kgce/m2。
3.3.2 项目单位供热面积电耗。本项目主要利用空气源热泵进行供暖。根据项目单位提供数据，项目供暖面积为107 800 m2。该项目前期经核算年耗电量为171.46万kWh，则单位供热面积电耗为：
单位供热面积电耗=企业耗电量/供热面积
=171.46万kWh/107 800 m2
=15.91 kWh/m2 （2）
3.4 节能减排效果
由核算可知，该项目单位供热能耗为1.95 kgce/（m2·a）。相比于燃煤为主的小区供暖能耗指标，该项目单位供暖能耗减少了3.65 kgce/ m2。项目的供暖面积为107 800 m2，由此可以计算出相比于燃煤供暖空气源热泵供暖所对应的节能量。
该项目节能量=（燃煤供暖单位面积能耗指标-该项目单位供热面积能耗指标）×项目供暖面积=（5.65.6 -1.95 ）kgce/m2×107 800 m2=393.47 tce （3）
本项目年可节约能耗折标煤393.47 t，通过查询《全国各省燃煤含硫量和灰分、挥发分含量汇总表》可知，该地区烟煤灰分含量为8.18%，挥发分含量为10.77%，全硫含量为0.45%。根据锅炉烟气计算系数计算可得， SO2产生量为240.01 t，烟尘产生量为40.92 t，氮氧化物的产生量为1.97 t。
按照末端处理装置，SO2的去除率可达到95%，烟尘去除率可达到90%，计算可得，SO2排放量为12.00 t，烟尘产生量为4.09 t，氮氧化物的产生量为1.97 t。由此可知，项目实施后年可减排SO2约12.00 t，减排烟尘约4.09 t，减排氮氧化物1.97 t，具有显著的节能减排效果。
4 结语
案例项目为空气源热泵供暖项目，能够在城市集中热网无法覆盖的区域，替代传统的燃煤锅炉满足城市发展规划和人们的供热需求。项目建成后，单位供热面积能耗为1.95 kgce/m2，远低于燃煤为主集中供暖建筑供暖能耗指标引导值，节约能耗折标煤393.47 t，相应的可减少产生SO2为240.01 t，烟尘为40.92 t，氮氧化物1.97 t。空气源热泵管理和运行成本低，能源利用率高，原料为空气，对环境无污染，有助于推进该地区散煤治理，有助于促进该地区的煤炭减量替代。
参考文献：
[1] 金洪文，孙妍，马喆，等.超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究[J].哈尔滨商业大学学报，2017，33（6）：728-729.
[2] 李婷，惠芳芳，石娟玲.浅谈空气源热泵在既有建筑供暖系统改造中的应用[J].建筑技术开发，2021，48（1）：82-83.
[3] 韩卫珍，刘勇，任文晋.空气源热泵成为可靠供暖热源技术的探讨[J].山西建筑，2021，47（6）：161-163.
[4] 河南省住房和城乡建设厅.河南省居住建筑节能设计标准：DBJ 41/062—2017[S].郑州：郑州大学出版社，2017.
[5] 张昌.热泵技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2015：2.
[6] 刘屏周.工业与民用供配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2016：12.