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基于空气源热泵系统的低谷电辅助热源的应用(二)

时间: 2016-08-05 16:24  来源: 中国空气能网   作者: kqn   点击:  

电辅助热源容量的确定
  
      下面以某工程为例说明空气源热泵系统电辅助热源容量的确定方法。
 
      该工程为乌鲁木齐某宿舍楼,建筑面积5200,供暖热负荷280kW。采用低温空气源热泵热水机组供暖,并利用低谷电以电锅炉(或电加热器)为辅助热源。乌鲁木齐供暖室外计算温度为-19.5℃,供暖系统供回水温度为45 ℃/40 ℃,需确定辅助热源容量。
 
      通过对乌鲁木齐室外气象参数和谷电时段时间的分析,选择-12℃为平衡点温度,并知该温度下建筑热负荷为228kW。根据某厂家技术资料,并考虑到提高热泵机组在室外气温较高时的部分负荷下性能系数,选择3台热泵机组。在室外温度为-12℃、供水温度为45℃时,单台热泵机组制热量为76kW,3台运行可满足室外温度大于平衡点温度时供暖要求。在室外温度为-19.5 ℃,供水温度为45℃时,单台热泵机组制热量为58.7kW,3台制热量为176kW,不能满足供暖热负荷需求,需设1台电辅助锅炉,电辅助锅炉容量为104kW。
 
      室外温度低于-12℃时,需要启动电锅炉辅助热源,而这个温度区间的室外气温并不都出现在谷电时段,为充分利用低谷电,需要设置蓄热装置。蓄热装置谷电时段以内进行蓄热,谷电时段以外用于为热泵系统补热。蓄热装置容量按以下方法计算。
 
      首先从文献【7】查得最冷月室外平均气温等于(或最接近)供暖室外计算温度-19.5 ℃的1天作为设计日。查得结果为1月18日,该日室外温度平均为-20℃,最低为-24℃,最高为-15.8℃。该日谷电时段内室外温度最低为-24 ℃,最高为-15.9 ℃;谷电时段外室外温度最低为-21.9℃,最高为-15.8 ℃,平均为-18.5 ℃。由此可见,在设计日谷电时段内、外均需运行辅助热源。谷电时段内3台热泵机组和1台电辅助锅炉同时运行,直接为建筑供暖,另外还需配置1台蓄热用电锅炉和蓄热水箱,谷电时段内进行蓄热。以-18.5℃作为计算蓄热装置的室外计算温度,该温度下建筑热负荷为273kW,其中热泵机组承担176kW,蓄热装置需承担97kW。谷电时段外共计14h,需要蓄热量1358kW.h。要在谷电时段10h内完成蓄热,蓄热用电锅炉容量为136kW。若采用常压水蓄热方式,蓄热温度为45~90℃,蓄热水容积为26m3。
 
      按以上计算方法,算出了平衡点温度分别为-11~-9℃,-15~-13 ℃时的热泵机组、电辅助锅炉、蓄热用电锅炉以及蓄热水箱的容量,计算结果见表2。
 
 
2   空气源热泵系统供暖期能效计算
 
2.1 供暖期能效计算
      按1.1节方法初步选择空气源热泵系统的平衡点温度后,对系统供暖期能效(或季节性能系数)进行核算。目前国内还没有关于严寒地区空气源热泵应用的季节能效推荐指标,考虑到热泵机组性能、气候特点、电辅助热源等因素,并参考北京(寒冷地区)季节性能系数推荐范围【4】,建议乌鲁木齐地区空气源热泵应用的供暖期能效指标范围为2.0~2.2。
 
      下面对1.2节示例平衡点温度为-12℃的空气源热泵系统进行供暖期能效计算。先由文献【7】查得并列出乌鲁木齐典型气象年供暖期内13个室外温度区间出现的时间,然后计算出各温度区间下建筑热负荷、热泵供热量、热泵供热性能系数、压缩机输入功率、风机功率、电辅助加热功率等参数,算结果见表3。
 
         (点击可查看大图~)
 
      表3中热泵供热量、输入功率等参数参考了某厂家技术资料。热泵供热性能系数所乘的系数为热泵结霜除霜系数,根据乌鲁木齐冬季低温、干燥的气候特点,以及不同室外温度区间结霜速率,编号1~3,4~7,8~13的室外温度区间结霜除霜系数分别取1.0,0.9,0.95【6】。根据不同室外温度区间建筑热负荷的需求,可投入1~3台热泵机组运行,热源侧风机功率与机组运行台数相对应。编号10~13的室外温度区间为低于平衡点温度-12℃的区间,也是启动电辅助加热的区间,电辅助加热量为建筑热负荷与热泵供热量的差值。电辅助加热功率中计入了加热、蓄热装置的热损失,综合损失系数取0.9。
 
      经计算,供暖期按建筑热负荷需求的系统总供热量为697623kW.h,热泵机组、电辅助加热总用电量为318773.93kW·h,供暖期系统能效比为2.19。当供暖期系统能效比计算结果低于2.0时,应调整平衡点温度并重新计算。
 
      如果电力生产和输配的总效率按35%计,本例中空气源热泵供暖期的一次能源效率可达76.65%,远高于电直接或蓄热式供暖的一次能源效率。
 
2.2空气源热泵系统用电费用情况分析
      表3中还列出了各室外温度区间在低谷电时段出现的时间,由此可计算出热泵机组在谷电时段运行的用电量总和为142466.23kW·h;电辅助热源在谷电时段供暖及蓄热的用电量总和为40778.3kW.h。系统低谷电用电量总和为183244.53kW.h,热泵机组峰、平时段用电量总和为135529.4kW.h。
 
      乌鲁木齐分时电价为:峰电4h,0.565 元/(kW.h);平电10h,0.395元/(kW.h);谷电10h,0.08 元/(kW.h)。峰、平时段平均电价为0.444元/(kW.h)。
 
      示例中热泵系统供暖期运行的低谷电费用为183244.53kW.h*0.08元/(kW.h)=14659.56元;峰、平电费用为:135529.4kW.h*0.444元/(kW.h)=60175.05 元。用电费用合计为74834.61元,建筑面积为5200m2,单位面积用电费用为14.39元/m2。
 
      空气源热泵机组按楼栋设置,用户末端循环泵耗电输热比按JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》控制,本例用户末端和蓄热装置循环水泵轴功率在10kW 以内。若循环泵用电按峰、平时段平均电价0.444元/(kW.h)计,供暖期循环泵单位面积用电费用只有2元/m2左右。计入循环泵用电的热泵系统供暖期单位面积运行费用在16元/m2 左右。而乌鲁木齐区域供热供暖收费为22元/m2,可见采用低谷电辅助热源的空气源热泵系统在运行费用方面也较具优势。
 
3  结语
 
      乌鲁木齐应用低谷电辅助热源的空气源热泵系统,在能效方面优于电直接或蓄热式供暖系统,用电费用低于集中供暖收费。建议将分时段供电的低谷电优惠政策扩展到电驱动空气源热泵应用项目中来,一方面可促进可再生能源技术的推广应用,另一方面可为低谷电应用开辟新的途径,有利于缩小电网峰谷差。实际上,低温空气源热泵不仅可以在冬季供暖,还可以在夏季供冷,一机两用,投资效益较高。在具体工程应用时应根据建筑功能、规模、冷热负荷等结合平衡点温度的选择进行包括设备初投资在内的更全面的经济分析。

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