根據我國現有的能源結構和相關政策，替代燃煤的能源主要就是燃氣和電，那么空氣源熱泵采暖與燃氣采暖和電采暖相比是否更節約能源、更節約運行成本成為其是否值得推廣的一個重要因素。以下就分別從國家能源利用和運行成本2個方面進行分析。

 

從國家能源合理利用的層面看，用哪種方式采暖更節約能源是首要考慮的因素。這就要求找到一種方法評價不同能源的制熱效率，在這里引入我國中國建筑節能年度發展研究報告2011[12]中提出的一種評價思路，即通過總結現有不同能源的產熱值和產電值，將其轉化為空調領域常見的COP值進行對比。

 

舉例說明，如圖2所示，采用燃氣蒸氣聯合循環的天燃氣電廠，純發電效率可超過55%，即1 m3天燃氣可產電5.44 kW?h。而對于天燃氣熱電聯產項目，其發電效率為40%，供熱效率為42%，這時1 m3天燃氣可以同時產生3.95 kW?h電和4.15 kW?h熱，與天然氣純發電相比，減少了1.49 kW?h電，同時增加4.15 kW?h的熱，這相當于一臺效率為2.78的熱泵。筆者按此思路，計算了天燃氣熱水鍋爐的熱泵效率，如圖3所示，取天燃氣熱水鍋爐熱效率為88%[13]，則1 m3天燃氣可產熱9.5 kW?h，與天燃氣純發電相比，其熱泵效率相當于1.75。

對于低溫熱泵采暖，我國早在2010年就頒布國家標準GB/T25127.1—2010《低環境溫度空氣源熱泵(冷水)機組第1部分：工業或商業用及類似用途的熱泵(冷水)機組》[14] ，并規定其制熱綜合部分性能系數IPLV(H）不低于2.5，現有產品的最低效率限值就已經遠高于燃氣熱水鍋爐和電暖氣采暖等方式，與燃氣熱電聯產效率接近。

 

而且近幾年隨著變頻技術的快速發展，機組部分負荷下的性能得到大幅提升，這點在多聯機產品上已經得到很好的驗證，變頻技術在低溫熱泵設備上的采用勢必會大幅度提升低環境溫度空氣源熱泵制熱綜合部分性能系數，使其與燃氣熱電聯產相比擁有更明顯的性能優勢。以上幾種方式的熱泵采暖效率如表1所示。

所以，從國家能源利用層面考慮，應優先考慮燃氣熱電聯產和熱泵采暖。由于能源利用率低，應盡可能限制燃氣采暖，或者是作為后備、輔助熱源使用。而對于電暖氣、電熱膜等采暖方式，由于其能源利用率最大不會超過1，應在只有其他采暖設備無法使用時才予以考慮。 

 

從運行成本層面看，用哪種方式采暖運行費用最低是首要考慮的因素。以下以北京地區一間80 ㎡民用住宅為例，對比分析不同采暖方式的運行成本（見表2）。其中運行成本的計算過程以低環境溫度空氣源熱泵采暖使用階梯電價為例進行說明。

北京地區采暖天數為120天[15] ,采暖負荷的面積指標為45~70W/㎡[16] ，在這里取平均值后取整為60 W/㎡，每天按采暖24h計算，整個采暖季的負荷變化按北京地區的IPLV[14]系數計算，則采暖負荷（kW?h）Q=80×120×60×24×(1×8.3%+0.75×40.3%+0.5×38.6%+0.25×12.9%)=8432.64。

 

按照GB/T 25127.1—2010[14]要求的最低值取2.5計算，則整個采暖季耗電量（kW?h）W=8432.64/2.5=3 373,整個采暖季分為4個月，則平均每個月的耗電量為843 kW?h，北京現有的每月階梯電價[17]為：一檔0.488 3元/1 kW?h(1-240 kW?h)，二檔0.538 3元/1 kW?h(240-400 kW?h)，三檔0.788 3元/1 kW?h(400 kW?h以上)，則整個采暖季費用（元）M=［240×0.488 3+(400-240)×0.538 3+(843-400)×0.788 3］×4=2 210。

從表2中的費用總計可以看出，運行成本由低到高的采暖方式依次為：合表用戶采用空氣源熱泵采暖<市熱力集團中心大網<分戶燃氣鍋爐<階梯電價用戶采用空氣源熱泵采暖<區域燃氣鍋爐<電暖氣、電熱膜等采暖。只要有合適的電力價格和政策，空氣源熱泵采暖的運行費用僅有市熱力集團集中采暖費用的83%，區域燃氣鍋爐費用的67%，成本優勢非常明顯。

我國幅員遼闊，同樣在冬季不同地區室外環境溫度差別很大，而環境溫度正是制約低環境溫度空氣源熱泵機組的主要因素。

低環境溫度熱泵機組的最低可運轉環境溫度應當低于或等于所使用地區的室外極端干球溫度，即保證所使用地區出現極端溫度時機組可以正常工作，否則將會給用戶帶來無法估量的損失。而常規的空氣源熱泵機組的最低使用溫度只有-7℃[18]，主要是因為環境溫度繼續降低時，隨著系統壓比的升高，壓縮機排氣溫度快速上升，超出其使用范圍而無法運轉，這使其很難在北方采暖上應用，同時由于環境溫度的下降，導致壓縮機制冷劑循環量減少，能力衰減明顯。

鑒于以上問題，目前的主要解決方案是采用準雙級壓縮經濟器循環，即帶有中間補氣技術的壓縮機搭配經濟器循環是目前研究和應用最為廣泛的一種方式。無論是壓縮機單體研究[19-20]還是系統研究[21-22]均表明該技術可以明顯降低排氣溫度，拓展機組的低溫使用范圍，并且能夠有效提升制熱能力和COP。

目前我國國家標準GB/T 25127.1—2010[14]規定機組能夠在不低于－20℃的條件下運轉。而國內大部分有實力的廠家已將此溫度拓展到－25 ℃。按此思路，筆者總結了我國涉及集中供暖的省（直轄市）的氣象參數[23]，圖4展示了各省（直轄市）所屬各個城市的空調室外計算干球溫度和極端干球溫度平均值，可以直觀看出，從西藏到甘肅的7個省（直轄市）各城市平均極端溫度都高于－25 ℃，意味著現有的低溫熱泵產品可以在以上地區使用。

 

而寧夏、遼寧、新疆3省的各城市平均極端溫度約為－30 ℃，對于該部分地區的絕大部分城市而言，現有的低溫熱泵產品是無法滿足要求的。但從技術角度而言，通過一些技術改進，如采用雙級壓縮，更換低溫用制冷劑，甚至采用復疊循環等手段是可以開發出對應產品的。但其經濟性需要根據具體情況進行分析。

 

對于青海、吉林、內蒙古和黑龍江4省，屬于我國最寒冷的區域，依靠現有空氣源熱泵技術無法使用該設備進行采暖，即便開發出對應產品，其經濟性與其他采暖方式相比恐怕也不具有優勢。

 

從國家能源利用層面看，在大型集中供暖工程中可以采用燃氣熱電聯產技術，而在中小型區域供暖以及分戶供暖項目則應考慮低環境溫度空氣源熱泵采暖方式，應該盡可能限制采用燃氣熱水鍋爐和電暖氣、電熱膜等能源利用率較低的采暖方式。

 

從運行成本層面看，當有合適的電力價格和政策時，低環境溫度空氣源熱泵采暖方式的運行費用最低。同時，空氣源熱泵采暖僅消耗電能，運行時所產生的污染和排放較少。綜上所述，筆者認為低環境溫度空氣源熱泵采暖是替代燃煤采暖的重要考慮方案。

 

考慮到使用地區環境溫度的差異，現有的低環境溫度空氣源熱泵機組還不能適用于所有的北方采暖區域，如何拓展其運轉范圍、減少低環溫條件下能力的衰減以及進一步提高其季節能效比等是低環境溫度空氣源熱泵機組要面臨的一系列挑戰。

作者單位：松下壓縮機大連有限公司工程師、課長