【论文精选】严寒地区村镇空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖系统研究

0 引言

能源短缺和环境污染是当今世界面临的两大难题，而严寒地区的供暖问题一直是能源与环境领域的难题。目前我国严寒地区村镇冬季供暖仍主要通过燃烧煤炭、天然气等传统供暖方式，这种方式不但加剧了能源短缺，还会对环境造成污染［1］。现阶段的中国正努力推进我国农村城镇化的发展，我国北方严寒地区的村镇面积日益增大，供暖能耗也随之提升。随 着2024 年《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》的推出，将可再生能源应用在供暖技术上，实现建筑领域节能减碳具有重大意义。

近年来，我国积极制定了“双碳”目标，大力推行“煤改电”供热系统。空气源热泵( ASHP) 作为一种清洁、高效的能源利用设备，有着广阔的应用前景［2］。但严寒地区冬季气候寒冷，空气源热泵在低温高湿工况下运行容易结霜，降低制热量，进而影响室内热舒适性。因此需要引入辅助热源，目前国内外对于耦合供暖系 统已经进行了一定的研 究。

唐汝宁等对太阳能和其他可再生能源耦合供暖 技术进行了大量的实验研究，设计了许多适用于严寒地区的多能互补供暖系统，如太阳能耦合空气源热泵供暖系统［3］、太阳能耦合地源热泵供暖系统［4］，证实了多能互补供暖系统能够减少环境污染，节能降耗。冯国会等针对传统清洁能源 在 农 村 应 用 时利用单一清洁能源系统形式的采暖系统具有不稳定、效率低等缺陷的问题，通过对太阳能与 4 种 清洁能源耦合利用的讨论，确定了在农村住宅采暖领域应用可再生能源耦合利用的技术可行性［5］。Jor-dan，Threlkeld 等经过研究热泵与太阳能联合的供暖 系 统，发现其热效率与能源利用率均大 幅 上升［6］。李艺泽进行了北方农居生物质锅炉空气源热泵联合运行的优化研究，对联合供热系统进行性能模拟分析，为生物质锅炉空气源热泵联合供热系统在我国北方农村地区实际工程应用中提供参考依据［7］。Geory 等对太阳能与地源热泵联合供热系统和太阳能与空气源热泵联合供热系统进行了TＲNSYS 仿真分析。结果表明，与热泵系统耦合的太阳能供热可以明显提高热泵系统的系统效率，且性能的提高与建筑热负荷成负相关［8］。

综上可以发现，使用清洁能源多能互补协同供暖技术已经成为产业研究新趋向［9］，但是针对严寒地区村镇建筑耦合供暖方案的研究数量较少，有关于严寒地区空气源热泵耦合供暖方案的可行性研究更是屈指可数。另外，经国内外研究结果显示，生物质成型燃料优于普通的煤炭，在同样的热值时，生物质燃料排放的温室气体排放量不足煤炭的 1 /9。因此本文将以哈尔滨市某乡镇典型住宅为研究对象，提出空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖方案; 并基于TＲNSYS 软件探讨系统运行特性，进行可行性分析;最后从经济性、环境效益的角度对系统进行评价，为空气源热泵耦合生物质锅炉供暖方案在北方村镇的推广和使用提供理论参考。

1 仿真系统模型构建

1.1 建筑逐时热负荷计算

文章以哈尔滨市某村镇住宅为研究对象。现北方村镇住宅多独立成户且各农户聚集。用 SketchUp 建立建筑模型，建筑长 10 m，宽 6 m，高 3 m; 建筑开有两扇窗，每扇窗高 1.5 m，宽 1.8 m; 门高 2 m，宽 1.8 m。本研究空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖机组向10 座上述典型建筑供暖。

将模型导入 Trnsys，进行模拟建筑热负荷计算。将气象文件导入Trnsys。热负荷计算各项参数如下:供暖室外计算温度-24.2 ℃，建筑采暖设计温度为20 ℃，外墙传热系数 0.35 W/( m2·K) ，屋面传热系数0.25 W/( m2·K) ，外窗为三层透明中空玻璃，传热系数 2.3 W/( m2·K) ，外门传热系数 3.2 W/( m2·K) 。将各项参数导入 TＲNBuild，利用 Trnsys 进行建筑热负荷模型搭建。计算得到该典型建筑在整个采暖期的逐时热负荷，计算结果如图 1 所示。

根据观察逐时热负荷模拟结果可发现: 建筑热负荷在供暖期初末波动幅度较小，建筑热负荷较小，供暖系统供暖压力较小; 建筑热负荷在供暖中期波动幅度较大，12 月末陡增至最大值35.9 kW，此 时供暖压力较大，供暖系统可能出现供热不稳定、供热量不足等问题。

1.2 耦合供暖系统模型构建

空气源热泵耦合生物质锅炉供暖系统搭建见图 2。

供暖系统供热量需满足最大建筑热负荷 35.9 kW，供热系统分为集热与供热两部分，空气源热泵热水温度 85 ℃，冷水温度 60 ℃ ; 冷水温度蓄热水箱供水温度75 ℃，回水温度50 ℃，蓄热水箱水温低于75 ℃时空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖系统向蓄热水箱输热。控制器监控空气源热泵的输入功率与蓄热水箱的得热量，计算出空气源热泵的 COP，根据 COP 的降低幅度来决定生物质锅炉是否开启。

Trnsys 是通过连接仿真系统里的各个模块，通过调用系统里各个模块并输入所需设定的相应参数，进而实现系统的动态模拟［10］。利用 Trnsys 软件对该耦合供暖系统进行仿真建模，仿真模型如图3所示。

该仿真模型主要包括以下各部件: Type941( 空气源热泵) 、Type4c ( 蓄热水 箱) 、Type114 ( 循环水泵) 、Type682( 逐时热负荷读取器) 、Type114-2 (供热水泵) 、Type2b( 空气源热泵控制器) 、Type14h( 时间控制器) 、Type15-2( 逐时气象文件) 、Type65a( 模拟结果输出器) 、Type9e ( 热负荷输入器) 、Type700 ( 生物质锅炉) 、Type5b( 换热板) 、Type1260( 分、集水阀) 。Type2b负责监控蓄热水箱温度，决定供暖系统集热部分的启闭，Type2b-2 负责监控空气源热泵 COP，决定生物质锅炉的启闭。

２ 系统可行性分析

为了探究空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖方案的可行性，本研究选取了空气源热泵单一运行和空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖两种运行策略带入图 3中的仿真模型进行 Trnsys 模拟。

第一种运行策略: 生物质锅炉全程关闭，整个采暖期空气源热泵单一运行，由空气源热泵独立承担全部建筑热负荷; 第二种运行策略: 依靠控制元件监控供暖系统，将热泵输入功率 W、蓄热水箱得热量 Q 输入控制元件，计算出供暖系统实际 COP，供暖初末期供暖系统COP ＞ 4 时，建筑热负荷由空气源热泵独立承担。当控制元件监控到 COP ＜ 4 时，控制元件向生物质锅炉输出开启信号，生物质锅炉开启，向蓄热水箱输热，此时蓄热水箱得热量 Q 增大，热泵输入功率 W 不变的情况下，空气源热泵 COP 增高。对上述两种运行策略进行仿真模拟，两种运行策略下供暖系统逐时 COP 如图 4，图 5 所示。

第一种运行策略下，供暖系统在供暖中期 COP 降低幅度达 27.1% ，此时空气源热泵能效比下降，制热效率降低，供暖不稳定，且需要消耗更多的电能才能满足热负荷。第二种运行策略下，供暖系统 COP 波动幅度极小，供暖中期降低幅度只有 13.9% ，且整个供暖期都维持在 4 以上，供热稳定，制热效率高，同时更加节能。所以第二种运行策略下的空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖系统对比单一运行的空气源热泵具有明显的优越性与可行性。

３ 系统经济性与环保性评价

3.1 经济性评价

为进一步探讨北方村镇空气源热泵——生物质锅炉耦合供暖系统的优越性与可行性，现将该耦合供暖方案与现今严寒地区村镇主流供暖方式 － 燃气蒸汽锅炉两者的经济性进行对比分析。针对系统经济性分析的方法主要包括: 费用年值法和投资偿还年限法［11］，这里采用费用年值法:

其中，A 为费用年值，万元; P 为初投资，万元; i 为年利率，取 6% ; n 为使用年限，年; A0 为每年运行费用，万元。

将哈尔滨的供暖期分为3个阶段: 一 般、寒冷、严寒，3个阶段分别按采暖期总天数的2 /5，2 /5，1 /5 来计算。

空气源热泵 － 生物质锅炉供暖系统各部件购买安装费用为初投资，所选用的某品牌空气源热泵使用年限为15 年。空气源热泵机组设备估算价格为516元/kW，需承担负荷为 35. 96 kW，初投资大约为 2 万元。空气源热泵的制热量、制热能效比与室外温度的相关性极高，因此其耗电量需按各温度段的供暖量进行计算［12］。空气源热泵耗电量计算公式为:

其中，Q 为耗电量，kW·h; P0 为建筑物单位时间热负荷，kW; T 为供暖期时间，即总天数 × 每天采暖时间，h; n0 为空气源热泵开停系数比，取值1. 15; n1 为供暖系统管道漏热系数，取值 1.2。所以式( 1) 中:

其中，S1 为单位电价，取 0.58 元/( kW·h) ; S2 为生物质燃料价格，取 1 200 元/t。经过计算得整个采暖期耦合供暖系统费用年值 A 为 33 616.35 元。燃气蒸汽锅炉的购买安装费用为初投资，某品牌燃气蒸汽锅炉初投资约为5 000 元。根据 TSG 11—2020 锅炉安全技术规范中的规定，小型天然气蒸汽锅炉使用年限为 8 年，但只要每年相关部门检验结果合格，就可以继续使用下去，所以设定设备使用年限为10 年。天然气消耗量:

其中，H 为天然气耗量，m3; Q 为制热量，kW; n 为锅炉效率，取 92% ; q 为天然气热值，取 35 590 kJ/m3; T为供 暖 期 时 间，h。经过计算得到天 然气耗量为17 051.59 m3，取天然气单价 3.08 元/m3，得到费用年值 A 为 53 033.71 元。

空气源热泵——生物质锅炉虽然初投资较高，但是设备使用年限较长，且运行费用较低。在最终的费用年值上，空气源热泵——生物质锅炉供暖比燃气蒸汽锅炉供暖低 19 417.36 元，节省了 36.6% ，具有良好的经济性，更容易被村镇居民所接受。

3.2 二氧化碳排放量分析

双碳目标下，二氧化碳排放量成为评价系统环保性的一个重要指标［13］。现对空气源热泵—— 生物质锅炉耦合供暖与燃气蒸汽锅炉的二氧化碳排放量进行对比分析。空气源热泵在供暖运行的过程中，不存在有二氧化碳的排放; 生物质能可以实现全生命周期“零碳排放”，所以耦合供暖系统的二氧化碳排放量只需要考虑系统运行时消耗的电能:

根据 2023 年生态环境部所发的通知，最新全国电网平均排放因子约为 0. 570 3 kg CO2 /( kW·h) 。上文中已求得整个采暖期系统总耗电 49 435.97 kW·h，所以计算得整个采暖期空气源热泵二氧化碳排放量为28 793.33 kg。

燃气锅炉的直接碳排放计算公式为:

其中，H 为天然气耗量，m3; q 为天然气热值，取35590 kJ/m3; UHVCC 为单位热值含碳量，取15.3 t C/TJ; COX 为碳氧化率，取 99% 。经计算得到上文中的燃气蒸汽锅炉整个供暖期二氧化碳排放量为33 704.74 kg。

根据以上的二氧化碳排放量计算，空气源热泵——生物质锅炉供暖系统运行过程中并不产生二氧化碳，只是电能消耗的过程中会排放约 28 793． 33 kg CO2，而燃气蒸汽锅炉供暖过程中会直接排放 33 704.74 kgCO2，整个供暖期耦合供暖系统 CO2 排放量减少4 911.41 kg，减碳 14.6% ，减碳效果极佳，更贴切当今的建筑主流——节能减碳。

4 结论

1) 基于 Trnsys 软件对空气源热泵单一运行与空气源热泵耦合生物质锅炉两种运行策略进行仿真模拟，得出单一运行的空气源热泵供暖系统在供暖中期 COP降低幅度达 27.1% ，供暖不稳定。空气源热泵耦合生物质锅炉的运行策略下，COP 波动幅度极小，供暖中期降低幅度只有 13.9% ，且整个供暖期都维持在 4 以上，供热稳定，对比单一运行的空气源热泵具有明显的可行性与优越性。

2) 通过数学计算分析，空气源热泵——生物质锅炉虽然初投资较高，但是设备使用年限较长，运行费用较低。在最终的费用年值上，空气 源 热 泵——生 物质锅炉供暖比燃气蒸汽锅炉供暖低 19 417.36 元，节省了 36.6% ，具有良好的经济性，更容易被村镇居民所接受。

3) 空气源热泵——生物质锅炉供暖系统运行过程中并不产生二氧化碳，只是电能消耗的过程中会排放约28 793.33 kg CO2，而燃气蒸汽锅炉供暖过程中会直接排放 33 704.74 kg CO2，整个供暖期空气源热泵——生物质锅炉供暖系统 CO2 排放量减少 4 911.41 kg，减碳14.6% ，减碳效果极佳，更切合当今的建筑主流———节能减碳。