01 引言

　　我國(guó)傳統(tǒng)的供熱能源以煤炭、石油等化石燃料為主，因此，每年都需要消耗大量的煤炭和石油，并且會(huì)排放大量污染物，這是很多北方城市冬季空氣質(zhì)量不佳的重要原因之一。目前，隨著我國(guó)環(huán)保政策推行以及能源結(jié)構(gòu)的變化，供熱行業(yè)開始逐步以新能源替代傳統(tǒng)化石燃料。熱泵供熱方式以其節(jié)能、高效、清潔的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城市供熱領(lǐng)域。當(dāng)下使用較為廣泛的熱泵供熱方式中，污水源熱泵主要由污水處理廠提取熱能；地源熱泵主要以土壤作為蓄熱體，將熱量?jī)?chǔ)存在土壤中；空氣源熱泵主要是提取室外空氣中的熱量。不同的熱泵供熱方式雖然都具有節(jié)能環(huán)保的特征，但在供熱成本以及造價(jià)方面存在一定的差異，本文將對(duì)此進(jìn)行深入分析。

 

　　02 熱泵供熱技術(shù)概述

　　熱泵是一種能夠從水源、土壤以及空氣等介質(zhì)中提取低品位熱能，在電力做功條件下，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能的裝置，其本質(zhì)上屬于一種熱量提升裝置。熱泵裝置的作用在于可以從自然環(huán)境中提取熱量，然后傳遞給供熱對(duì)象，其基本運(yùn)行原理和制冷機(jī)類似，都是按照逆卡諾循環(huán)運(yùn)行，只是二者工作溫度范圍不同。熱泵裝置在運(yùn)行時(shí)，其本身需要消耗較少的能量，以提取自然環(huán)境中的熱量，然后通過傳熱工質(zhì)循環(huán)將提取的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能并加以利用，相較于熱泵裝置的輸出功而言，其消耗功僅占一小部分，因此，采用熱泵供熱技術(shù)可以有效節(jié)約能源，相較于傳統(tǒng)供熱方式綜合效益更高。以下介紹目前使用較為廣泛的3種熱泵的供熱方式。

 

　　2.1、污水源熱泵

　　污水源熱泵主要是以城市產(chǎn)生的污水作為能量提取對(duì)象，通過熱泵機(jī)組內(nèi)部的物態(tài)循環(huán)變化，以消耗少量的電能為代價(jià)，實(shí)現(xiàn)供熱或制冷效果的新型技術(shù)。污水源熱泵的基本工作原理是通過熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)，在冬季消耗少量的電能提取污水當(dāng)中的低品位熱能，并利用熱泵裝置將其轉(zhuǎn)化為高品位熱能，然后為用戶供熱；在夏季則將室內(nèi)熱量提取出來，并利用熱泵裝置釋放到污水中，以達(dá)到制冷效果。污水源熱泵按照污水是否進(jìn)入熱泵裝置中可以分為兩種形式：

　　（1）直接利用的方式，即熱泵裝置在提取污水中的熱量后直接送達(dá)供熱對(duì)象；

　　（2）間接利用的方式，即先利用熱交換器對(duì)污水進(jìn)行熱交換，然后由熱泵裝置提取熱量輸送至供熱對(duì)象。

 

　　2.2、空氣源熱泵

　　空氣源熱泵主要利用空氣中的熱量，通過壓縮機(jī)完成熱量轉(zhuǎn)移，裝置構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要專用機(jī)房以及換熱系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)供熱目標(biāo)的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。空氣源熱泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，基本運(yùn)行原理是蒸汽壓縮冷循環(huán)原理，主要從空氣中換取熱量，其主要設(shè)備包括電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)以及換熱設(shè)備等。空氣源熱泵按照機(jī)組容量進(jìn)行分類可以分為大型、中型以及小型機(jī)組3種類型；按照機(jī)組的組合形式進(jìn)行分類可以分為模塊化機(jī)組與整體機(jī)組兩種。

 

　　2.3、地源熱泵

　　地源熱泵簡(jiǎn)單來說就是在地表淺層能源中加入少量高品位能源，從而使其轉(zhuǎn)化為高品位熱能的裝置，其本質(zhì)上屬于熱能提升裝置，運(yùn)行時(shí)僅需消耗少量電能，而其從環(huán)境介質(zhì)當(dāng)中所提取的熱能至少是消耗電能的4倍以上，節(jié)能效果顯著。地源熱泵的主要構(gòu)成包括3部分，分別是地源換熱系統(tǒng)、熱泵主機(jī)以及室內(nèi)終端系統(tǒng)。目前，地源熱泵是供熱行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的熱泵供熱形式，其與節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的配合顯著降低了建筑供熱成本以及能源消耗。

 

　　03、不同熱泵供熱方式

　　供熱成本對(duì)比研究

　　目前，熱泵供熱技術(shù)發(fā)展衍生出多種供熱方式，包括污水源熱泵、空氣源熱泵、地源熱泵等，本文以這3種熱泵供熱方式為研究對(duì)象，對(duì)比分析了3種熱泵供熱方式的供熱成本。

 

　　以目前熱泵技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況來看，污水源熱泵制熱性能系數(shù)為3.0～4.0；空氣源熱泵制熱性能系數(shù)為2.5～3.5，地源熱泵制熱性能系數(shù)為3.5～4.5，本文取三者制熱性能的平均數(shù)：污水源熱泵為3.5，空氣源熱泵為3.0，地源熱泵為4.0。按照當(dāng)前燃料的價(jià)格來看，天然氣價(jià)格約為4.0元/m3；生物質(zhì)燃料價(jià)格約為1.0元/kg；電價(jià)峰谷時(shí)期為0.69元/（kW·h），低谷時(shí)期為0.35元/（kW·h）。假設(shè)供熱量在1GJ時(shí)，參照上述數(shù)據(jù)，污水源熱泵、空氣源以及地源熱泵供熱方式的供熱成本見表1。

表1 不同熱泵供熱方式供熱成本表

 

　　雖然不同熱泵供熱方式都是以消耗少量電能為代價(jià)，從環(huán)境介質(zhì)中提取熱量，經(jīng)過熱泵裝置處理后為供熱對(duì)象進(jìn)行供熱，都具備良好的節(jié)能環(huán)保性能，但是由于不同熱泵的供熱方式所采用的裝置不同，制熱性能系數(shù)存在差異，因此，在供熱成本上也存在一定差異。由表1可知，在污水源熱泵、空氣源熱泵以及地源熱泵3種熱泵供熱方式中，以地源熱泵的供熱成本最低，1GJ供熱量的成本為43.65元；次之為污水源熱泵，1GJ供熱量的供熱成本為52.38元；空氣源熱泵供熱成本最高，1GJ供熱量的供熱成本為61.11元，三者之間差異較為明顯。

 

　　空氣源熱泵供熱成本偏高的主要原因是在氣候較為寒冷的條件下，空氣源熱泵能效比大幅下降，這就導(dǎo)致當(dāng)供熱量需求較大時(shí)，空氣源熱泵制熱量卻不足，并且在寒冷氣候條件下，空氣源熱泵可靠性相對(duì)較差，這在很大程度上增加了空氣源熱泵的供熱成本。污水源熱泵的供熱成本高于地源熱泵主要與污水利用方式有關(guān)，若污水源熱泵機(jī)組采用的是直接利用的方式，則成本相對(duì)較低，但是這對(duì)于熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器的性能要求較高，并且在運(yùn)行過程中對(duì)機(jī)組影響較大，因此，直接利用的方式相對(duì)少見。而采用間接利用的方式，則需要先將污水經(jīng)過熱交換器進(jìn)行熱交換，然后才能完成供熱，流程更為復(fù)雜，因此，必然導(dǎo)致供熱成本增加。地源熱泵供熱成本較低的主要原因在于其制熱性能系數(shù)較高，同時(shí)其能效比（COP值）可以達(dá)到4以上，即地源熱泵機(jī)組單位耗能所能獲取的能量可以達(dá)到耗能的4倍以上。相較于傳統(tǒng)鍋爐供熱，地源熱泵可以節(jié)省約70%的電能，相較于空氣源熱泵，地源熱泵制熱性能系數(shù)要高出40%以上。

 

　　04、不同熱泵供熱方式

　　工程造價(jià)對(duì)比研究

　　由于不同熱泵的供熱方式所需設(shè)備類型以及安裝施工工藝等方面存在差異，因此，其整體造價(jià)必然存在差異，為確保研究成果的可靠性與科學(xué)性，本文在某省范圍內(nèi)就污水源熱泵、空氣源熱泵以及地源熱泵3種供熱方式分別選擇2個(gè)項(xiàng)目，并盡可能地使其建造年份接近，以對(duì)比分析不同熱泵供熱方式的工程造價(jià)。表2為選取的熱泵供熱工程項(xiàng)目情況。

表2 3種熱泵供熱工程項(xiàng)目情況表

 

　　1號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為95.2萬元，單位供熱面積造價(jià)為158.7元/m2；2號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為87.9萬元，單位供熱面積造價(jià)為175元/m2；3號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為125.9萬元，單位供熱面積造價(jià)為139.6元/m2；4號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為80萬元，單位供熱面積造價(jià)為133.4元/m2；5號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為411萬元，單位供熱面積造價(jià)為411元/m2；6號(hào)項(xiàng)目的整體造價(jià)為328萬元，單位供熱面積造價(jià)為401元/m2。

 

　　污水源熱泵的工程造價(jià)主要包括3個(gè)方面：

　　（1）設(shè)備費(fèi)用。污水源熱泵系統(tǒng)包括污水循環(huán)系統(tǒng)、中介循環(huán)系統(tǒng)以及末端循環(huán)系統(tǒng)3部分，主要設(shè)備有污水泵、中介泵、污水換熱器、蒸發(fā)器、熱泵機(jī)組以及末端泵等；

　　（2）安裝施工費(fèi)用。包括人工費(fèi)用、耗材以及工具器械購(gòu)買或租賃費(fèi)用；

　　（3）系統(tǒng)維護(hù)成本。由于污水及地表水的水質(zhì)條件較差，利用過程中又是開式循環(huán)，懸浮物和雜質(zhì)迅速累積，因此，提取熱量時(shí)需解決防堵、防垢及低能耗運(yùn)行等一系列問題。

 

　　地源熱泵的工程造價(jià)主要包括兩方面費(fèi)用：

　　（1）是設(shè)備費(fèi)用，包括室外地源換熱系統(tǒng)裝置、熱泵主機(jī)以及室內(nèi)終端系統(tǒng)裝置；

　　（2）安裝施工費(fèi)用，包括人工費(fèi)用、耗材以及工具器械購(gòu)買或租賃費(fèi)用。

 

　　空氣源熱泵的工程造價(jià)主要包括兩方面：

　　（1）是設(shè)備費(fèi)用，主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥以及熱泵主機(jī)；

　　（2）是安裝施工費(fèi)用，包括人工費(fèi)用、耗材以及工具器械購(gòu)買或者租賃費(fèi)用等。

 

　　從上述數(shù)據(jù)來看，同類型熱泵供熱方式單位供熱面積造價(jià)成本比較接近，沒有較為明顯的差異，其中，以空氣源熱泵的工程造價(jià)最低，其單位供熱面積造價(jià)最高為139.6元/m2，以污水源熱泵的工程造價(jià)最高，其單位供熱面積的工程造價(jià)最高為411元/m2，這主要是由于污水源熱泵需要增加防堵漏、防垢處理，并且后續(xù)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高；地源熱泵的工程造價(jià)居中，其單位供熱面積造價(jià)最高為175元/m2。

 

　　05、結(jié)語

　　綜上所述，不同熱泵供熱方式在供熱成本以及工程造價(jià)方面存在顯著差異，以當(dāng)下技術(shù)條件來看，供熱成本最低的是地源熱泵，次之為污水源熱泵，空氣源熱泵最高；工程造價(jià)最低的是空氣源熱泵，次之為地源熱泵，最高的是污水源熱泵。就綜合效益而言，顯然地源熱泵最高，其供熱成本最低，雖然工程造價(jià)并非最低，但隨著使用年限增加，這一缺陷足以被彌補(bǔ)，這也符合當(dāng)前地源熱泵應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)狀。從發(fā)展前景來看，空氣源熱泵前景廣闊，主要是其可以從多種環(huán)境介質(zhì)中提取熱量，且COP值較高，節(jié)能效果顯著；污水源熱泵也具有一定發(fā)展前景，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用必然降低，因此，其綜合效益必然會(huì)得到提升。