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空气能热泵与壁挂炉在家庭采暖中的分析对比

空气能热泵与壁挂炉在家庭采暖中的分析对比

引言

近年来我国能源消耗、污染严重等问题逐渐凸出来。因此,国家高度重视环境保护、节能减排的推进。2013年9月10日,国务院印发(大气污染防治行动计划》,明确提岀:全面整治燃煤小锅炉。加快推进“集中供热”、“煤改气”、“煤改电”工程建设。煤改气、煤改电分别是壁挂炉(或燃气锅炉)空气源热泵对家庭提供采暖或热水。本文对家用(分户独立供热)供热系统中,从温度特征、热效率、热负荷、经济性等因素进行量化分析,对比了空气源热泵与壁挂炉的适应性。

1原理介绍

1.1空气源热泵运行原理

压缩机是热泵的核心,它的效率高低直接决定整机的效率。压缩机的运行基于朗肯循环,以市场常用的R22冷媒为例,压焓图见图1。

空气源热泵的原理是:冷媒通过节流减压(3→4),在蒸发器中气化,从空气中吸收热量(4→1)。通过压缩机加压(12),到冷凝器中冷凝液化,将热量释放给水(2→+3)。在家庭供热中,因为采用220V电压,受到电功率限制,压缩机只能使用单级压缩。根据压焓图,制热量为:Q=H2-H3,H为压焓图中该点焓值,kJ/kg;

制热COP为:COP=(H2-H3)/(H2-H1)热泵的测试工况:空气干球温度20℃,水温从15℃加热到55℃。因此蒸发温度取10,冷凝温度在25~65℃,取55℃。过热度和过冷度均取3℃C。查询制冷剂物性软件 REFPROP,得到各点参数,见表1。

计算得到制热量为174.34kJ/kg,制热COP为593,压缩比为3.19。即理想工况的C0P最大为593,实际上,由于电机的效率损失、压缩机的效率损失等,实际C0P不可能达到理想值。因此对于循环加热式空气源热泵,能耗等级1级COP仅为4.6。效等级4级,COP仅为3.9。

1.2壁挂炉运行原理

壁挂炉运行原理是:通过燃烧器,天然气燃烧后对主换热器中的水进行加热。水流被加热后送出壁挂炉达到供热目的。壁挂炉采暖的测试工况:在额定热输入时,80℃供水温度,60℃回水温度的状态下,水流得热量(热输出)比消耗燃气的热量即为壁挂炉的额定热效率。

2壁挂炉与热泵性能影响因素

2.1供水温度

空气源热泵的测试标准是室外干球温度20°℃时,将水温从15℃加热到55℃。在加热过程中,随着水温度升高,系统效率随之降低。由于“冷凝器入口水温平均每上升1℃,热泵系统C0P下降00441。对于三级能效的循环加热式热泵(COP为42),当水温为15℃、35℃、55℃时,C0P分别为4.98、4.203.2。若水温继续提高,COP会继续下降,见图2。壁挂炉在供暖测试中,进回水分别是60%℃/80℃,所以水温对能效没有影响。

2.2环境温度

空气源热泵是从空气中获得热量,所以受环境温度的影响比较大。从文献2中知道,当冷凝器入水温度在27.5%~425℃,热泵COP随着蒸发器送风温度平均每升高1℃而上升0.09375因此得出送风温度在-10到20℃时热泵COP变化,见图3将COP关系图对比某品牌12kW空气源热泵的能效修正图,可以很好的吻合,这是因为空气源热泵本质都是用压缩机进行能量转换,都基于朗肯循环。

3家庭釆暧的适应性分析

3.1散热器的水温适应性

散热器宜按照75/50℃做采暖设计3,而空气源热泵的国标工况供水温度在55℃,是不能满足散热器使用工况。即使按照55℃勉强供热,散热器不能达到额定负荷,热泵的效率也低于标称值,且长期运行对压缩机的寿命有很大影响。壁挂炉在测试时是按照80/60℃的供/回水温度,因此效率和负荷都可以满足。

3.2地暖的水温适应性

地板低温辐射采暖供水温度宜采用35℃~45℃。无论是壁挂炉还是空气源热泵都可以满足35℃的供水温度。

3.3室外温度对采暖的影响

根据郑州某设计院一栋建筑面积17446.52m的住宅图纸,切换不同城市(长沙、郑州、北京、哈尔滨),釆暖热负荷指标也随之变化。越往北方温度越低,热负荷越大,可此时空气源热泵供热量、COP却降低,与需求呈反比,见图4。

根据相关文献5,得到北京地区1月份特征天气的室外时时温度,通过计算得到时时热负荷。即使在一天中,空气源热泵供热量、COP也是与需求呈反比,见图5。

3.4供电与供气条件

空气源热泵以电作为能源,受到供电负荷的制约,家庭以220V/50Hz供电的最大制热量在10kW~11kW。以11k为例,COP取4.1,则消耗电功率为2.68kW,电流为12.2A需要配16A插座,25mm2的电线,已经达到家庭接线配置的最大值。壁挂炉是将天燃气作为能源,常用的G2.5燃气流量表,最大流量为4m3/h,可以供应32kM的壁挂炉,完全满足家庭采暖需求。其风机和水泵总功率也不到100M,供电不存在问题。

3.5供热负荷

120m建筑面积以下常选择18kM的供热负荷。根据分析,家用采暖热泵最大的供热负荷就在11刚w左右,只能带到70m2左右的建筑面积。因此不能满足普通住宅采暖需求。由于天然气的热值比电的热值高很多(天燃气热值8600 calm3,电热值860 kca l/kW·h),壁挂炉的热负荷可以达到很高。如果使用32kW的壁挂炉,可以采暖到300m2以内的面积。

3.6采曬加热水的供应

以4口之家为例,每人每天需要60℃生活用水80L,则每天需要320L。热泵以10.2k进行加热,需要2个小时。因为制取热水时间较长,期间不能同时供暖,会导致室内采暖温度降低。在系统配置方面,热泵需要单独配置一个水箱提前制取生活热水,否则在冬季或者2人同时使用卫浴热水,会产生水温不热的情况。而壁挂炉功率大可以时时供应热水,且不受环境温度的影响,都能保证高效率制热。

3.7安装空间

空气源热泵外形尺寸都比较大,且需要落地。以某品牌11kw的循环加热式热泵为例,体积为760×760×850mm(宽×深×高),且需要配一个300L水箱(外径560mm,高度1900mm)储诸蓄热水。共占用空间096m。壁挂炉的体积很小,可以挂墙上,不需要占用地面空间。以万和品牌24kW壁挂炉为例,体积仅为740×410×328mm(长×宽×高),仅占用0.10m3因此壁挂炉安装空间有明显的优势,另外空气源热泵管路复杂还需要外接水泵,也会占用一些空间。

3.8化霜

热泵需要从室外空气中吸收热量,所以室外机的换热器表面温度较低,空气中的水分会在表面结露,当面温度低于0C,产生结霜。结霜后,换热器表面热阻增加换热系数降低,热泵的CP降低。当换热器被霜层覆盖时,C0P降低33%-60‰,供热能力降低30%~57‰。因此结霜对系统性能有很大的影响6。当室外的相对湿度高于50%,气温在-1℃~7℃时最容易结霜。现有热泵常用逆循环除霜:通过四通阀切换将原本从室外吸收热量对室内加热的过程逆转,变为从室内热水中吸收热量,到室外换热器上释放,用释放的热量将霜层融化。除霜的过程,不仅消耗电能,还需要从室内热水中吸收热量,导致水温降低。这两个方面都是能耗的浪费。壁挂炉则是用天然气燃烧释放的热量对水加热,其运行则几乎不会受到对于室外温度和湿度的影响向

3.9寿命分析

压缩机是热泵核心部件,在热泵系统中的运行中89:1羧高的排气压力。无论冬季或夏季,出水温度较高,需要有较高的冷凝温度,即排气压力。2)较高的压缩比。冬季室外温度较低,蒸发温度低,热水需求温度不变,压缩机处于高压缩比状态运行。当压缩比过大,会影响使用寿命,使其无法正常工作,甚至烧毁。

3)较小的输气系数。蒸发温度较低时,吸气比容增大,输气系数减小,使容积效率降低,制热性能下降。以看出在室外温度较低的情况下长期运行,对压缩机的性能和寿命都有很大影响。壁挂炉的使用寿命主要受到部件质量的影响,比如水泵、风机燃烧器等。以水泵为例,在长期使用中可能出现噪音,漏水等问题。品质好的水泵则性能稳定、节能但造价相对较高。所选用高品质的部件(比如国外大品牌)会给使用寿命带来保证。热泵的本质是制冷系统循环比较复杂,而壁挂炉的燃烧系统相对简单,这也是前者维修概率比后者大的原因

3.10初投资费用

常见的11kM(3P,220V50Hz)空气源热泵约10200元,300L储热水箱约3500元,一共13700元,还需要外接水泵,电控部件等费用。18k的壁挂炉价格约7000元,不需要额外增加部件。可以看出,空气源热泵是壁挂炉价格的1.95倍。

3.11运行费用

不同室外温度、热效率、电价气价最终体现在运行费用上。为了对比不同地区能耗费用,选取长沙、郑州、北京、哈尔滨作为代表城市,以当地气象参数作为基本参数。面积为100m,耗热量指标参考节能建筑标准,统一取30Wm,室内设计温度18°普通建筑,耗热量指标要大于30Wm,费用可以在此基础上按照比例增加。燃气价格、电价参考当地公布的民用价格。空气源热泵效率,按照前文计算。壁挂炉效率取95別(壁挂炉采暖一级能效最低限值),实际上冷凝产品热效率要高于此,以万和冷凝产品为例,热效率可以达到107‰。费用对比计算结果见表2。

4结论

1.空气源热泵不适应分户家庭采暖的需求。空气源热泵存在供水温度低、供热负荷小、效率低等情况。壁挂炉在家庭采暖中有很好的适应性,还同时满足热水需求。

2.散热器采暖需要的75℃供水温度,空气源热泵的供水温度不能满足,壁挂炉则可以。

3.空气源热泵制热功率较小,无法满足普通家庭采暖热负荷需求。壁挂炉制热功率大,可以满足不同面积的采暖需求。

4.空气源热泵的初投资是壁挂炉的1.95倍,且安装空间是壁挂炉的96倍。

5.在室外温度较低的情况下,空气源热泵的效率快速下降,经济性降低。而壁挂炉的效率则不受外界环境温度的影响。在寒冷地区,空气源热泵的运行费用比壁挂炉高,越往北方,运行费用越高。