空气源热泵与燃气锅炉供暖系统配置研究
2021年第4期（总第49卷第362期) No. 4 in 2021 (Total Vol. 49，No. 362)建筑节能（中英文）
Journal o f BE E
■暖通空调
HV&AC
doi ：
10.3969/j. issn. 2096 -9422.2021.04.013
空气源热泵与燃气锅炉供暖系统配置研究
李昊、金光彬\王天任\钱堃2，岳玉亮2，齐月松2，张彬彬2
(1.中石化新星(北京)新能源研究院有限公司，北京1〇〇〇83;2.中建工程研究院有限公司，北京101300)
摘要：天然气是我国北方供暖的主要能源形式，但当前我国的储气能力严重不足。空气源热泵使用 电能，可以通过科学合理的系统配置，优化供暖运行费用，缓解天然气需求压力。针对廊坊市
某实际供热项目，根据当地的燃气价格和用电价格计算不同室外条件下的盈亏平衡点，为能
源配置及系统搭建提供依据。通过eQUEST软件完成负荷计算，进行能源系统配置并对运行
费及年费进行分析。结果表明，空气源热泵的装机容量处于5〇% ~7〇%时的系统配置技术经
济性较好，但不同室外条件下的系统配置需要分别计算。可供同类型项目借鉴。
八月十五的祝福语关键词：空气源热泵；系统配置；燃气锅炉
中图分类号：TU83 文献标志码：A文章编号：2096-9422(2021 )04-0072*04 Configuration of Air Source Heat Pump and Gas Boiler Heating System LI Hao' , JIN Guang-bin , WANG Tian-ren , QIAN Kun, YUE Yu-liang~, QI Yue-song2, ZHANG Bin-bin^
(1. Sinopec Star(Beijing)New Energy Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100083, China；
2. China Construction Engineering Research Institute, Beijing 101300, China)
Abstract ：As the main energy form of heating in North China, natural gas storage capacity is seriously insufficient. Air source heat pump can optimize the heating operation cost and relieve the pressure of natural gas demand through scientific and reasonable system configuration. This paper calculates the load of a heating project in Langfang，according to the local gas price and electricity
price，the break even point under different outdoor conditions is calculated to provide the basis for energy allocation and system construction. Load calculation is completed by eQUEST software, and carry out energy system configuration and operation cost and annual cost analysis. The results show that when the installed capacity of air source heat pump is between 50% and 70%，the technical and economic efficiency of the system configuration is better，but the system configuration under different outdoor conditions needs to be calculated separately. It can be used as reference for similar projects.
Keywords ：air source heat pump ；system configuration ；gas boiler
〇引言
伴随着我国经济的增长，我国能源结构和利用技 术也在逐步改善，北方清洁供暖技术不断进步且愈加 成熟。天然气和电能是最主要的两种能源形式。但 当前我国天然气产供储销体系还不完备，产业发展中 不平衡不充分问题较为突出，主要是国内产量增速低 于消费增速[|]。在此能源形势下，如何科学合理地进 行能源配置，就需要进行相应的研究，以保证多种能 源之间的合理协调。石岩、郭泳军、张天寿等人研究 了空气源热泵在北方地区的供暖应用得，出了系统可
收稿日期：20204)34)4；修回日期：202丨~04-19靠性高且能耗较低的结论[^4]。高岫、姜镀辉等人对
耦合其他系统的空气源热泵供暖进行研究，计算了盈 亏平衡和不同容量配比下的经济性[5’6]。杨景洋、赵 芝蓉、徐鑫等人研究了严寒地区空气源热泵性能得出 了不宜作为单独热源的结论[7_9]。
空气源热泵原理就是利用逆卡诺原理，其以极少 的电能吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压 缩变为高温热能，是一种节能高效的热泵技术[1°]。全世界范围内，超过90%的人口居住于可合理使用热 泵装置的区域[11]，几乎整个亚太地区包括高度都市 化的中国和日本（除极度寒冷地区外）。空气源热泵
李昊，等：空气源热泵与燃气锅炉供暖系统配置研究
在寒冷地区采暖应用时主要存在两个问题:①热量需 求大时，制热量不足;②低温环境下运行可靠性差或 无法正常运行[12]。原本空气源热栗的应用主要集中 于夏季制冷，但随着近年来空气源热泵技术进步明 显，在环境温度为-20 t条件下，C O P可以达到 2.0[13]，不但弥补了空气源热泵自身的不足，同时为多 种能源互联提供了可能。
对于室外温度的确定，美国的《ASHRAE Hand-book-Fundamentals》（2017 版）在关于室外空气计算温 度的确定方法的介绍中，详细介绍了累积频率法。除 日本室外计算参数所需的逐时气象数据不是全年数 据，而是冬季11月至次年2月的逐时气象数据。我 国的供暖室外计算温度和冬季空调室外计算温度应 分别采用历年平均不保证5 d和不保证1d的日平均 温度[14]。
在多种能源互联互补的情况下，空气源热泵技术 不但可以适用于寒冷地区，在一定条件下甚至可以拓 展至严寒地区。除了空气源热泵设备的性能提升外，依靠科学的系统配置，可以在不同工况下采用不同热 源，达到提升系统效率、降低综合能耗的目标。本文 案例为寒冷地区某供热项目。
1工程案例
1.1 项目概况
本项目是河北省廊坊市某供热项目，供热面积约 16万m2居住建筑，新建建筑约占整个供暖面积的 30%，其余部分为既有建筑。供热峰值总负荷约为6 500 kW，末ijfj形式为地板米暖，供回水温度为45 t/35 t。模拟采用空气源热泵+燃气锅炉的系 统形式进行冬季供热。
1.2设计计算
1.2.1负荷估算
负荷估算方法是对新建建筑进行模拟，对既有建 筑进行估算，估算值根据甲方提供的资料确定。将既 有建筑峰值负荷与新建建筑峰值负荷叠加，作为该项 目总峰值负荷，在相同气象参数条件下，假定既有建 筑负荷规律与新建建筑相同，按照新建建筑逐时负荷 系数将总峰值负荷数据处理并作出曲线。在本项目 供暖范围内以某新建建筑为例，使用eQUEST软件进 行模拟计算，如图1所示。廊坊市属于
寒冷地区，建 模建筑围护结构采用河北省居住建筑65%节能标准，模拟计算热负荷结果为30_ 9 W/m2。
此类建筑约占总供暖面积的30%，其余70%全部 为既有建筑，其负荷指标按45 W/m2考虑，综合计算 全部供暖面积的总负荷约为6 500 kW，根据项目所在 地气象参数导出的总供热负荷的采暖季逐时热负荷如图2所示由图可知峰值热负荷出现在1月中下 旬，整体负荷变化较大，最低负荷时刻仅为峰值热负 荷的15%左右，所以系统配置需科学研究，运行策略 要精细控制。
1000-
°0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2 000 2 250 2 500 2750
时间/h
图2采暖季逐时热负荷
1.2. 2系统配置
本供热系统将空气源热泵与燃气锅炉并联，设计 供回水为45 t/35 燃气锅炉供回水温度为85 t/ 65 t，通过锅炉与板换之间的循环水泵经由板换换热 至二次供热侧回路，系统原理示意图如图3所示。运 行控
制方法如下:①本系统为一次泵定流量系统，循 环水泵定频运行;②满负荷工况下，通过电动阀调节 空气源热泵与燃气锅炉供热比例，共同承担热负荷;
③部分负荷工况下，结合气候补偿器优先开启空气源 热泵，系统仍为定流量运行，通过空气源热泵机组 的台数控制供热量及电动阀开度，保证空气源与板换 之间流量匹配。末端循环水泵在采暖季内24 h开启 为末端用户供热。
图3供热系统原理示意图
随着蒸发温度的降低，单位质量制冷剂从蒸发侧 吸收的热量将逐渐降低，单位质量制冷剂压缩功将增 加，从而导致机组的制热量和制热C O P逐渐降低。
本系统的选型根据系统原理图及某空气源热泵厂家
LI H ao，et a l•Configuration of Air Source Heat Pump and Gas Boiler Heating System
提供的CO P值曲线进行计算，如图4所示。
图4空气源热泵不同温度下的修正参数
由上述条件可以计算出空气源热泵与燃气锅炉 运行的盈亏平衡点，计算公式如下：
公式（1)为燃气锅炉供热单价计算：
,,Qmx V m
U燃=—p^⑴
厂燃
式中：为燃气锅炉供热单价，kJ/元；
&为燃气锅炉天然气热值，取8 500 kCal/Nm3;
T?为燃气锅炉热效率，取〇.9;
Z3燃为天然气单价，取3.M元/Nm30
公式(2)为空气源热杲供热单价计算：
C O P
t/空=3 600 ^(2)
尸电
式中：为空气源热泵供热单价,kJ/元；
COP为空气源热泵在不同温度下的COP修正值；
尸电为电单价，取〇•58元/kW-h。
当公式（1)与公式(2)相等时的C O P即是两种不 同供暖方式盈亏平衡时空气源热泵的C O P值。经计 算可知盈亏平衡CO P为1.64，此CO P所对应的室外 气温即为两系统盈亏平衡时的室外气温，结合图4中的修正曲线可知盈亏平衡点温度将低于-20 t：。本 项目所在廊坊市冬季空气调节室外计算干球温
度为 -11t[151，即在廊坊市的冬季，本项目空气源热泵相 较于燃气锅炉系统经济性更佳。运行时应优先开启 空气源热泵供热，根据回水温度判定供热量不足时开 启燃气锅炉。
系统配置是方案比选的重要组成部分，可以体现 相同或相似技术路线下的细节优势，为技术及经济性 对比提供依据。在此系统原理图的基础上可以进行 不同配置比例的方案计算，以分析空气源热泵机组的 不同装机容量占比下的初投资、运行费及年费用，如 图5所示。图5主要计算参数为：电价0.58元/kW-h，天然气价3. 14元/Nm3，水价3. 1元/m3，工程建设其 他费用约占总投资的10%左右，设备折旧年限为14年，残值为3%。
由图5可知，运行费方面，由于空气源热泵相比 于燃气锅炉有更高的能效比，所以运行费曲线随着空气源热泵比例的升高是单调降低的，如果不考虑初投
资等因素，单纯从节能角度分析，全部采用空气源热
泵系统是最经济的方式。但供热系统作为民生问题
应综合考虑各种因素，如空气源热泵可靠性和初投资
等，确保系统的长期稳定运行。
图5空气源热泵装机容量不同占比费用分析
初投资方面，由于本项目机房场地及设备台数配
置的原因，在空气源热泵占比为50%和100%两个方
案时，均会出现因锅炉台数减少导致的初投资增幅降
低现象，其余比例的系统配置方案不存在此问题，单
纯从初投资角度分析，本项目宜选取50%或100%占
比的系统配置方案。
年费方面，空气源热泵占比从〇升至50%阶段，
年费用迅速降低;50%升至70%阶段，你那费用变化率
减小;70%升至100%阶段，年费用反而有所提升。究
其原因是运行费降低的变化率不及初投资增长的变
化率快，在年费用曲线中体现为上升。所以系统配置
上宜选取空气源热栗占比为50% ~7〇%的区间。
综合上述因素，由于本项目甲方对空气源热泵占
比从50%增至70%的初投资因素不敏感，最终选用了
怎样购买基金
运行费较低的7〇%容量配置空气源热泵主机。
2 结论
(1) 在廊坊市气象条件及本项目各项能源价格作 为运行条件时，空气源热泵供热运行费用低于燃气锅
炉系统。
(2) 空气源热泵系统的应用对室外环境参数较为 敏感，不同温湿度条件下与其他能源供热系统的盈亏
平衡点需要单独计算，才能优化系统配置形成最佳运
行策略。
(3) 在空气源热泵与燃气锅炉联合供热系统中，空气源热泵装机容量占比从〇升至50%阶段，年费用
变化率最为明显；从50%升至7〇%变化率减小；从
70%升至100%阶段反而有所提升。
(4) 根据项目其他限制因素，如初投资、运行费 等，在50% ~ 70%区间内选取空气源热泵配置比例
为宜。
(5) 空气源热栗与燃气锅炉系统在科学配比的情 况下经济性较高，
可供同类项目参考。
李昊，等：空气源热泵与燃气锅炉供暖系统配置研究
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2012.
作者简介：李昊（1988)，男，河南南阳人，毕业于重庆大学，动力工程
专业，硕士，研究方向：地热及多种清洁能源优化配置研究（809757899@
qq. com) 0qq组名
(上接第71页）
(2)
传染病应急临时医疗设施的设计有其特殊 性，建筑平面应严格按照传染病医院流程布局，空调 通风系统严格按照功能分区独立设置，通过各分区的 送、排风的控制，保证医院内空气压力从清洁区至半 污染区至污染区依次降低，形成由高至低的压力梯 度，形成有序的定向空气流，隔断污染区空气进人清
洁区，这是传染病类医院设计的基本原则。
(3) 依据负压病房与其相邻缓冲间、走廊应有
5 P a 的负压差，根据门窗尺寸及缝隙宽度计算门缝漏 风量，对于成品钢结构集成箱式模块化病房，
每间漏 风量可在300~700 m 3/h 之间考虑。同时在设计要求 及施工现场，应对门窗安装的密封性及机电管道穿越 房间处的密封措施给予重视。
(4)
对病房内的气流组织，通风系统的采新风与排
风高度、距离、净化措施的要求，应严格按照规范执行。(5) 确定负压病房建设标准及医院方使用需求， 是传染病医院设置隔离措施及配置系统的基本准则。 依靠送、排风量差形成的压差控制为基本的静态隔离 措施，设置缓冲间实现了一定动态隔离效果，为缓冲
间设置送、排风的隔离效果更为显著。采用定风量控 制可以实现病房的压差要求，采用定变风量相结合的
自控方式，不仅可以保证压差的控制精度，还能削弱 房门启闭产生的压力振荡。明确病房建设标准，采取 相应的技术手段，才能逐级从设计、施工、调试和运行 的各个环节实现负压病房的负压控制。
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建筑工业出版社，2011.
作者简介：唐艺丹（ 1985)，女，北京人，毕业于哈尔滨工业大学，供热
供燃气通风及空调工程专业，硕士，高级工程师，主要从事建筑暖通空 调设计工作(4894642492@ qq. com )。
^5
只狼结局

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