楊俊蘭，韓一飛，王林秀，張 鑫，杜雨帆

(天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

目前在我國北方農(nóng)村地區(qū)，傳統(tǒng)供暖方式正被逐步替代，加之傳統(tǒng)制冷劑的限制，以自然工質(zhì)CO2為制冷劑的跨臨界空氣源熱泵受到廣泛關(guān)注。由于空氣源熱泵在實際應(yīng)用中受環(huán)境影響較大，部分學(xué)者探究了空氣源熱泵在不同緯度城市的適應(yīng)性和可行性。李正[1]對CO2空氣源熱泵在我國北方的應(yīng)用進行了可行性研究，發(fā)現(xiàn)CO2熱泵的環(huán)境效益比電加熱和燃煤鍋爐低，但高于燃氣鍋爐。劉東岳[2]開發(fā)了一種CO2熱泵熱水系統(tǒng)，分析在不同季節(jié)下運行參數(shù)對實驗系統(tǒng)的影響。李恩騰[3]搭建了超低溫工況下CO2跨臨界熱泵試驗臺，并對系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化，分別得到了環(huán)境性、經(jīng)濟性和綜合性最好的3種優(yōu)化方案。寇宏僑[4]等設(shè)計了一種應(yīng)用于寒冷地區(qū)的大功率CO2熱泵供暖系統(tǒng)，其運行費用與電鍋爐相比可大幅度降低。Ma[5]等研究了CO2太陽能熱泵在多倫多地區(qū)的供暖性能，發(fā)現(xiàn)CO2雙級壓縮循環(huán)比R410A循環(huán)在寒冷地區(qū)更具優(yōu)勢。

目前的研究主要集中于單一指標下對不同系統(tǒng)的分析評價及其參數(shù)優(yōu)化。本文分別從能耗、經(jīng)濟和環(huán)保性，對CO2跨臨界空氣源熱泵、R410A空氣源熱泵、燃氣壁掛爐以及電加熱取暖器進行比較，探究了4種供暖裝置在嚴寒、寒冷、夏熱冬冷3個氣候分區(qū)中農(nóng)村地區(qū)的適用性，并采用層次分析法結(jié)合熵權(quán)法，構(gòu)建科學(xué)的綜合評價體系，更加全面地對4種供暖設(shè)備進行分析，為不同應(yīng)用背景下供暖裝置的選擇提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源與模型方法

1.1 選取典型城市

我國地域廣、差異大，針對不同地區(qū)的氣候差異，《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》對我國不同地域劃分為5個氣候分區(qū)[6]。對于空氣源熱泵而言，外部氣候條件是影響熱泵設(shè)備運行的重要參數(shù)，故本文選擇嚴寒地區(qū)的哈爾濱、寒冷地區(qū)的北京和西安、夏熱冬冷地區(qū)的上海和長沙作為典型城市，對4種供暖裝置進行性能評價。

目前，絕大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)尚未實現(xiàn)集中供暖?？紤]到我國農(nóng)村住宅的圍護結(jié)構(gòu)相對簡陋，結(jié)合相關(guān)規(guī)定[7-8]，本文在不同氣候分區(qū)內(nèi)統(tǒng)一選用14 ℃作為室內(nèi)計算溫度，假設(shè)農(nóng)村地區(qū)的建筑采暖熱指標為城市地區(qū)的2/3進行計算，并根據(jù)Energy Plus 9.6.0統(tǒng)計出的年平均供熱小時數(shù)，得到5座典型城市的冬季設(shè)計供暖參數(shù)見表1。

表1 5座典型城市的冬季設(shè)計供暖參數(shù)

1.2 熱負荷模型的建立與計算

住宅熱負荷在供暖季隨環(huán)境溫度的改變而變化，設(shè)定當(dāng)環(huán)境溫度低于14 ℃時，需要向農(nóng)村住宅供暖以滿足居民舒適性要求[6]。供暖裝置在其運行年限內(nèi)向農(nóng)村住宅提供的總供熱負荷詳見式(1)。

(1)

式(1)中：Ah——建筑供熱面積，m2；L——設(shè)備使用年限，空氣源熱泵一般取15 a；tbin(i)——i溫度下對應(yīng)的小時數(shù)，h；qh,bin——單位面積供熱負荷，W/m2。

根據(jù)溫度區(qū)間分布法，計算其中單位面積供熱負荷詳見式(2)[9]。

(2)

式(2)中：qh,desi——采暖熱指標，W/m2；HLET——房間零熱負荷的對應(yīng)溫度，取14 ℃；Tambi(i)——室外環(huán)境溫度，℃；Tdesi——室外設(shè)計溫度，℃。

通過計算得到5座城市的農(nóng)村地區(qū)在各溫度區(qū)間內(nèi)的總供熱負荷，如圖1所示。通過統(tǒng)計得到CO2跨臨界空氣源熱泵在5座城市的農(nóng)村地區(qū)15 a內(nèi)總供熱負荷分別為：哈爾濱174 846.59 kW、北京129 208.19 kW、西安128 624.61 kW、上海84 925.61 kW、長沙105 943.89 kW。

圖1 不同環(huán)境溫度下總熱負荷分布圖Fig.1 Distribution diagram of total heat loadat different ambient temperatures

1.3 性能評價模型的建立

1.3.1 能耗模型的建立

對于CO2跨臨界空氣源熱泵和R410A空氣源熱泵，COPh隨環(huán)境溫度的變化而變化，故引入一個評價標準來分析其在整個供暖季的性能指標。Yang[10]等分析全年性能系數(shù)(APF)和綜合部分負荷系數(shù)(IPLV)在不同熱泵產(chǎn)品上的適用情況，建議空氣-空氣熱泵和空氣-水熱泵使用全年性能系數(shù)(APF)作為評價標準。本文的CO2跨臨界空氣源熱泵和R410A空氣源熱泵只用于冬季供暖，故將全年性能系數(shù)簡化成供暖季節(jié)性能系數(shù)(SPF)，公式如式(3)。

(3)

式(3)中：HSTL——供熱季內(nèi)熱泵供熱總量，kW；HSTE——供熱季內(nèi)耗電總量，kW；a——i溫度下熱負荷占總熱負荷的比重。

為在相同的基準下對4種不同供熱裝置在使用年限內(nèi)進行能耗比較，采用一次能源消耗量(PEC)作為評價標準。

對于CO2跨臨界空氣源熱泵，其消耗的總能量一般用平均年能耗(AEC)乘以熱泵運行年限(L)，詳見式(4)。

ECO2=L·AEC

(4)

平均年能耗AEC計算公示如式(5)。

(5)

式(5)中：Wcom,bin(i)——對應(yīng)溫度下的壓縮機耗功，kW；Dfros,m——結(jié)霜-除霜平均損失系數(shù)。

因此，CO2跨臨界熱泵的一次能源消耗量PECCO2：

(6)

式(6)中：pe——電轉(zhuǎn)換成標準煤的系數(shù)，取0.4 kgce/(kW·h)[11]；ηgrid,trans——電網(wǎng)傳輸效率，取9%[12]。

用同樣方法可得到R410A空氣源熱泵的一次能源消耗量PECR410A。另外，燃氣壁掛爐(WGH)和電加熱取暖器(DEH)的一次能源消耗量分別為：

(7)

(8)

式(7)中：ηWGH——燃氣壁掛爐的熱效率，取90%；ηDEH——電加熱取暖器的熱效率，取99%[13]；pNG——燃氣轉(zhuǎn)換成標準煤的系數(shù)，取1.214 3 kgce/(kW·h)[11]。

1.3.2 經(jīng)濟性模型的建立

通過總投資成本(LCC)的比較，可直觀的分析不同供熱設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟性。裝置運行年限內(nèi)的LCC一般包括初投資(ICC)、運行年限內(nèi)消耗燃料成本(PV)和設(shè)備運行維護成本(OMC)，其中運行維護費用取初投資的1%[12]。

總投資成本的計算公式如式(9)[14]。

(9)

供暖裝置初投資包含設(shè)備主要部件的投資(Ci)和附加設(shè)備的投資(CAdd)。公式詳見式(10)。

(10)

CO2跨臨界空氣源熱泵各部件投資成本的計算公式見表2。

表2 CO2跨臨界空氣源熱泵各部件投資成本[12,15]

CO2跨臨界空氣源熱泵設(shè)備中的其他部件按照初投資的15%計算[16]。由于不同城市的農(nóng)村地區(qū)氣候條件不同，CO2跨臨界空氣源熱泵的初投資也有所不同，本文以北京地區(qū)的CO2跨臨界空氣源熱泵初投資費用為基礎(chǔ)，根據(jù)參考文獻[9]中的比例計算出其他4座城市的農(nóng)村地區(qū)CO2跨臨界空氣源熱泵初投資，具體如下：哈爾濱48 147.06元、北京43 770.06元、西安43 332.36元、上海43 332.36、長沙52 086.37元。

對于其他3種供暖裝置，考慮到市場上已有成熟的裝置，故參考市場價格，滿足150 m2農(nóng)村用戶取暖需求，選定裝置的初投資。選定R410A空氣源熱泵初投資為22 500元、燃氣壁掛爐初投資為12 000元、電加熱取暖器9 000元。

年平均燃料費用(FCannual)一般用燃料的單價乘以年平均消耗量計算，其中CO2跨臨界空氣源熱泵、R410A空氣源熱泵和電加熱取暖器消耗的能源是電能，燃氣壁掛爐消耗的燃料是天然氣。

對于3種耗電裝置：

(12)

對于燃氣壁掛爐：

(13)

式中：c——燃料的單價，其中單位電價和單位體積天然氣價格均來自中國建筑能效年度報告[13]，詳見表3。對于4種供暖裝置的燃料而言，每年的價格和用量都不一樣，一般是逐年小幅度遞增，故對于第i年的燃料費用(PVFC)，一般用系數(shù)進行修正，公式如下[14]：

(14)

式(14)中：ESC——燃料價格的增長率，取0.8%；DISC——燃料用量的增長率，取4%[14]。

1.3.3 環(huán)保性模型的建立

CO2跨臨界空氣源熱泵、R410A空氣源熱泵、電加熱取暖器和燃氣壁掛爐在運行過程中對環(huán)境影響主要是由于氮化物和硫化物等污染物的排放。雖然PM2.5在空氣中的含量很少，但卻是影響環(huán)境質(zhì)量的重要指標，故在4種供暖裝置的污染物評價中，采用SO2、NOx和PM2.53種污染物的排放量作為指標，分析其對環(huán)境的影響。

對于燃氣壁掛爐需要計算出運行過程中消耗的燃氣量：

(15)

式(15)中：LHV——燃氣的低熱值,kJ·m-3。

對于另外3種耗電裝置需要計算出其運行過程中的耗電量：

(16)

CO2跨臨界空氣源熱泵、R410A空氣源熱泵和電加熱取暖器的污染物排放量的計算公式如式(17)。

me=μe·E

(17)

燃氣壁掛爐的污染物排放量計算公式如式(18)。

me=μe·M

(18)

式(18)中：me——某一項污染物排放量，kg；μe——某一項污染物的排放系數(shù)，見表3。

1.4 綜合評價模型的建立

本文采用層次分析法(AHP)綜合考慮能耗、經(jīng)濟以及環(huán)保3方面對系統(tǒng)性能的影響，并結(jié)合熵權(quán)法確定權(quán)重因子，在一定程度上避免AHP中人為確定指標權(quán)重的主觀性。

表3 4種供熱裝置部分評價系數(shù)[17-19]

(1)指標數(shù)據(jù)預(yù)處理

以4種設(shè)備的5個評價指標(PEC、LCC以及SO2、NOx、PM2.53種污染物的排放量)構(gòu)成矩陣X=(xij)4×5，其中xij表示第i個設(shè)備中第j項指標，5個評價指標均為負向指標，值越小越好。

(19)

由于各項指標的計量單位并不統(tǒng)一，因此要對各指標進行標準化處理，對于不同性質(zhì)的指標需采用不同算法進行處理。負向指標的標準化公式為：

(20)

(2)綜合評價指數(shù)的確定

每種供暖設(shè)備的綜合評價指數(shù)ξ由公式(21)

計算得到：

(21)

式(21)中：Pij——數(shù)據(jù)歸一化處理后的元素值；wj——第j項指標歸一化處理后的權(quán)重因子。

(22)

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，采用熵權(quán)法確定各指標權(quán)重w。

(23)

gj=1-ej

(24)

(25)

上式中：gj——第j項指標的差異性系數(shù)；ej——第j項指標的信息熵值。

按式(19)～(25)進行計算，可得到各評價指標在5座城市農(nóng)村地區(qū)的信息熵及其權(quán)重，見表4。

表4 各評價指標在5座城市農(nóng)村地區(qū)中的信息熵與權(quán)重

2 評價結(jié)果分析

2.1 能耗評價

圖2給出了CO2跨臨界空氣源熱泵和R410A空氣源熱泵在5座城市的農(nóng)村地區(qū)供暖季節(jié)性能系數(shù)變化情況。從整體上看，CO2跨臨界空氣源熱泵在供暖季的平均SPF值基本保持在2.75左右，而R410A空氣源熱泵則平均維持在2.3附近。隨著緯度的降低，兩種供暖設(shè)備的SPF值均逐漸升高，且CO2跨臨界空氣源熱泵性能提升效果明顯，最高可提升30.3%，而R410A空氣源熱泵只提升22.4%。相較于R410A空氣源熱泵，CO2跨臨界空氣源熱泵在五座城市的農(nóng)村地區(qū)SPF值提升幅度均不斷增大，其中在哈爾濱地區(qū)增幅最小，只有14.9%，而在長沙地區(qū)增幅最大，提升幅度有22.4%。

圖2 空氣源熱泵在5座城市的SPFFig.2 SPF of air source heat pump in five cities

通過一次能源消耗量將4種供暖裝置在不同城市的農(nóng)村地區(qū)供暖季能量消耗轉(zhuǎn)換成標準煤用量，其結(jié)果為圖3所示。除長沙以外，4種供暖裝置的PEC均隨著緯度的降低而降低。采用CO2跨臨界空氣源熱泵的PEC比采用電加熱取暖器降低63.7%～81.2%，比R410A空氣源熱泵低10%～16.1%，說明CO2跨臨界空氣源熱泵可節(jié)省大量的能源，其在哈爾濱比燃氣壁掛爐高23.07%，而在另外4個城市中均低于燃氣壁掛爐，原因是哈爾濱供暖季的環(huán)境溫度大多在0 ℃以下，造成CO2跨臨界空氣源熱泵效率較低。隨著緯度的降低，CO2跨臨界空氣源熱泵的優(yōu)勢得到體現(xiàn)，PEC值最低的上海地區(qū)比哈爾濱降低64%?？傮w而言，CO2跨臨界空氣源熱泵是耗能最少的供暖裝置，是一種極具潛力的清潔能源替代方案。

圖3 4種供暖裝置在5座城市的PECFig.3 PEC of four heating devices in five cities

2.2 經(jīng)濟性評價

4種供暖裝置在5座城市的農(nóng)村地區(qū)運行總成本隨運行年限的變化如圖4所示。R410A空氣源熱泵和燃氣壁掛爐的經(jīng)濟性較好，其運行總成本比電加熱器最大可分別降低60%和52.1%。CO2跨臨界空氣源熱泵的運行成本較高，但相較于電加熱取暖器，其運行成本最大可降低40%。圖中線段的斜率代表了平均年燃料費用，可以看出圖中CO2跨臨界空氣源熱泵的斜率均最小，說明其在運行過程中節(jié)能效果最佳，而電加熱取暖器的斜率最大，則反映出其能源消耗較大的特點。

圖4(a)中R410A空氣源熱泵在哈爾濱地區(qū)的運行成本比燃氣壁掛爐平均高出29.11%。但隨著緯度的降低，R410A空氣源熱泵的效率逐漸增大，運行成本逐漸降低，其在上海地區(qū)15 a內(nèi)運行總成本較哈爾濱減少41%，而燃氣壁掛爐則只減少了29.6%。R410A空氣源熱泵在北京和長沙地區(qū)運行11 a時可低于燃氣壁掛爐，而在西安和上海地區(qū)運行9 a左右時就可低于燃氣壁掛爐。在西安、北京、上海和長沙地區(qū)運行15 a時，運行總成本分別比燃氣壁掛爐低19.21%、14.79%、8.16%和4.33%。

2.3 環(huán)境性評價

圖5和圖6顯示了4種供暖裝置在5座典型城市的農(nóng)村地區(qū)運行15 a SO2和NOx的排放量?？梢钥闯霾捎秒娂訜崛∨鳟a(chǎn)生的SO2和NOx均是最高的，而采用CO2跨臨界空氣源和R410A空氣源熱泵時，污染物排放量可大幅度減少。以北京為例，CO2跨臨界空氣源和R410A空氣源熱泵SO2排放量比電加熱取暖器可降低約75%和71.32%。CO2跨臨界空氣源熱泵的SO2和NOx的排放量在哈爾濱最高，在上海最低。與哈爾濱地區(qū)相比，在上海地區(qū)的SO2和NOx排放量均可降低64%。

圖7為4種供暖裝置在5座典型城市的農(nóng)村地區(qū)PM2.5排放量。使用CO2跨臨界空氣源熱泵時，PM2.5排放量在哈爾濱最高，達到上海的2.77倍。在上海地區(qū)，CO2跨臨界空氣源熱泵的PM2.5排放量比R410A空氣源熱泵和電加熱取暖器分別降低15.6%和75.2%。燃氣壁掛爐在上海地區(qū)SO2、NOx和PM2.5排放量較北京地區(qū)分別下降17.4%、34.3%和34.3%。雖然燃氣壁掛爐所產(chǎn)生的SO2和NOx排放量極低，但我國仍存在天然氣供應(yīng)不足和使用安全等問題。

圖4 4種供暖裝置在5座城市的運行總成本Fig.4 Total operating costs of four heating devices in five cities

2.4 綜合指標評價

圖8給出了4種供暖設(shè)備的綜合評價指數(shù)ξ在不同城市農(nóng)村地區(qū)的變化情況。整體來看，在5座城市中燃氣壁掛爐的綜合性能指數(shù)均最大，其次為R410A空氣源熱泵和CO2跨臨界空氣源熱泵，而電加熱取暖器的綜合性能指數(shù)最小。

其中，燃氣壁掛爐在哈爾濱的綜合優(yōu)勢最為明顯，其綜合指數(shù)較R410A空氣源熱泵高出37%。對于哈爾濱等北方農(nóng)村地區(qū)而言，R410A空氣源熱泵和CO2跨臨界空氣源熱泵的綜合性能指數(shù)相差4%～9%，差距較小，而在上海等南方農(nóng)村地區(qū)中，R410A空氣源熱泵綜合性能更好，其比CO2跨臨界空氣源熱泵高出16%～23%。電加熱取暖器綜合性能指數(shù)僅維持在7.52～8.23范圍內(nèi)。因此，權(quán)衡多方面指標綜合評價，燃氣壁掛爐綜合性能最優(yōu)，電加熱取暖器較差，R410A空氣源熱泵整體優(yōu)于CO2跨臨界空氣源熱泵，二者的綜合性能差距隨氣候分區(qū)的選擇而不同，R410A空氣源熱泵更適用于上海等南方地區(qū)。

圖5 4種供暖裝置在5座城市中的SO2排放量Fig.5 SO2 emissions of four heating devices in five cities

圖6 4種供暖裝置在5座城市中的NOx排放量Fig.6 NOx emissions of four heating devices in five cities

圖7 4種供暖裝置在5座城市中的PM2.5排放量Fig.7 PM2.5 emissions of four heating devices in five cities

圖8 4種供暖設(shè)備在5座城市的綜合評價指數(shù)Fig.8 Comprehensive evaluation indexes offour heating devices in five cities

3 結(jié) 論

本文選取哈爾濱、北京、西安、上海和長沙5座典型城市的農(nóng)村地區(qū)，通過建立能耗、經(jīng)濟和環(huán)保3個方面的模型，對CO2跨臨界空氣源熱泵、R410A空氣源熱泵、燃氣壁掛爐和電加熱取暖器4種供暖裝置進行評價，得到如下結(jié)論：

(1)在能耗方面，CO2跨臨界空氣源熱泵的能耗最小，與R410A空氣源熱泵和電加熱取暖器相比最大可降低16.1%和81.2%。其在上海地區(qū)PEC比哈爾濱低64%，在長沙地區(qū)的SPF比R410A空氣源熱泵高出16.35%。哈爾濱地區(qū)更適合使用燃氣壁掛爐進行取暖，而其余地區(qū)則更適合使用CO2跨臨界空氣源熱泵。

(2)在經(jīng)濟方面，R410A空氣源熱泵和燃氣壁掛爐的經(jīng)濟性較好，其運行總成本比電加熱取暖器最大可分別降低60%和52.1%，而CO2跨臨界空氣源熱泵僅比電加熱取暖器有優(yōu)勢。哈爾濱地區(qū)使用燃氣壁掛爐運行成本較低，而其余地區(qū)使用R410A空氣源熱泵則更加經(jīng)濟。

(3)在環(huán)保方面，燃氣壁掛爐表現(xiàn)最好，其SO2、NOx和PM2.5排放量遠低于其他3種供暖裝置。其次是CO2跨臨界空氣源熱泵，其在北京地區(qū)的SO2排放量比電加熱取暖器低75%，上海地區(qū)的PM2.5排放量比電加熱取暖器低75.2%?？紤]到我國天然氣供應(yīng)和安全問題，建議冬季取暖選擇CO2跨臨界空氣源熱泵。

(4)采用AHP結(jié)合熵權(quán)法綜合評價表明，燃氣壁掛爐綜合性能明顯優(yōu)于其他三者。與CO2跨臨界空氣源熱泵相比，R410A空氣源熱泵綜合評價指數(shù)提高了16%～23%。綜合考慮多方面因素，哈爾濱等嚴寒地區(qū)采用燃氣壁掛爐具有優(yōu)勢，而其他地區(qū)可采用R410A空氣源熱泵，其中CO2跨臨界空氣源熱泵在西安地區(qū)綜合指數(shù)高于其他地區(qū)。