北京农宅采暖能耗节能改造方案探讨

北京农宅采暖能耗节能改造方案探讨

农村地区既有农宅改造现状中国农村地区建筑面积约240亿米，每年开采和消耗约1.9亿吨煤炭（相当于1.36亿吨标准煤），呈现快速增长趋势。据预测,至2020年仅北方农宅供暖一项,至少需要3~4亿吨标准煤的商品能,同时煤在使用过程中燃烧效率低、排放出大量的PM2.5、NOx、SOx等污染物,是造成室内外空气污染甚至大范围雾霾天气的重要原因之一。北京地区新农村建设走在我国农村建设的前列,但是农村地区的采暖能耗问题依然日益突出,截至2012年,郊区县农村地区既有农宅节能改造工程累计进行既有农宅改造9万户,累计减少煤耗约22万t。低温采暖正在欧洲一些国家得到推广和应用,如欧洲标准EN442中规定标准工况为75/65℃时,热媒平均温度为50℃,而过去热媒平均温度为60℃,将来的趋势为55/45℃,热媒平均温度为30℃。空气源热泵以电能驱动,是一种高效的清洁能源,可将低品位能源转换为高品位能源,具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点。1采暖能源的消耗量据2013年清华大学和北京市可持续发展促进会的调研结果显示,北京农村地区采暖存在以下问题:1)农村采暖以煤为主,经计算可得,采暖能源中散煤的消耗量占75.5%、蜂窝煤的消耗量占4.9%,煤球的消耗量为2.3%,其余为电能和生物质能(见图1)。2)采暖设施以土暖气、火炕和煤炉为主,传统的采暖设施效率低,采暖效果差。3)建筑能耗高,采暖经济负担重,户均支出约2100元,且采暖舒适性差。2空气源热泵+蒸发器采暖技术空气源热泵+散热器采暖系统的工作过程:冬季取暖时,蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质,蒸气工质经压缩机压缩后压力和温度上升,高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时,释放出的热量传递给热泵冷凝器侧的换热介质水,冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器;冷凝器换热侧的水在水泵的作用下流入散热器内,散热器中热水的热量传入室内,维持室温的稳定。空气源热泵+散热器采暖的原理图如图2所示。目前,国内的散热器的设计参数下的热媒温度为95℃/70℃,采用间歇性运行方式,但在农村应用过程中,与“土暖气”结合供回水温度很难达到规定标准,通常以40~60℃的低温热水连续运行。空气源热泵+散热器采暖系统在农村代替燃煤锅炉能否实现的关键是散热器低温运行时散热量能满足采暖要求。哈尔滨工业大学的李庆娜通过实验验证了散热器低温运行时的性能曲线可近似看作是其高温运行时性能曲线的延长线,实验结果中只有个别数据的误差在±5%以内。根据文献绘制出低温热水运行时散热性能较好的铸铁散热器和钢制板式散热器的曲线(见图3),铸铁散热器的型号为TZ2-5-5(M132型),TZ4-6-5(四柱760型),TZ4-5-5(四柱640型)和钢制板式散热器的型号为四柱813型,从图中可以看出当热水温度为30℃时,散热器单位面积的散热量也能达到60W以上。3北京农业和家庭研究3.1空气源热泵系统文中研究的空气源热泵+散热器采暖系统主要应用于北京地区已经进行节能保温改造的农宅(外墙增加5cm的聚苯保温板)。通过对以往文献中对北京地区的农宅进行抽样调研统计结果分析建立农宅建筑模型:建筑面积设置为80m2,层高3m,南窗墙比为0.5,北窗墙比为0;外墙为37cm混凝土砖墙+50mm聚苯保温板,传热系数为0.4W/(m2·K);外门为双层塑钢门,传热系数为2.58W/(m2·K);外窗为双层塑钢窗,传热系数为2.8W/(m2·K);屋顶为水泥屋顶+100mm胶粉聚苯颗粒,传热系数为0.8W/(m2·K);冬季常压下小时换气次数约为0.5次/h;室内设计温度为14℃。2013年冬季在北京怀柔进行了空气源热泵的性能测试,试验期间平均室外温度为-3.5℃,室外最低温度为-13℃,热泵的出水温度为35.5,标准工况下空气源热泵的输入功率为1800W。北京冬季1月最冷,热泵的供水温度35.5℃时,散热器的热媒平均温度为33℃,以低温热水工况下散热性能最差的四柱640型铸铁散热器为例进行分析(见表1、表2)。该散热器热媒温度为33℃时,单位面积散热量为96.4W/m2,该散热器满足1月的采暖设计热指标56W/m2时需散热器面积为46.5m2;北京地区采用聚苯板外保温进行节能改造的农宅节能率达61%,可推算出节能改造1月份的采暖设计热指标为91.8W/m2,燃煤锅炉的散热器热媒平均温度在60℃时散热器的散热量为302W/m2,需散热器面积为24.3m2。由此可得,热源由燃煤锅炉改为空气源热泵后,为保证采暖效果,采暖末端的散热器面积至多增加50%,且散热器的面积可随热泵供水温度的增加而减小。3.2空气源热泵与散热器的加热性能空气源热泵+散热器采暖方案的年综合费用包括年运行费用和年投资费用。1农村地区累计热负荷典型农宅采暖面积80m2,保证室内温度14℃,进行节能改造后的农宅全年累计热负荷为10605.3kWh,约合3.82×104MJ。对采用不同能源供暖时的年运行费用进行计算,可得空气源热泵的年运行费用最低为22.3元/m2。2空气热泵机组的使用寿命式中:Kj—供暖设备j的初始投资额,为计算方便,空气源热泵对应的热源初投资含空气热泵机组、增加的采暖末端设施费用和人工费;i—基准折现率,i=2.096%;mj—供暖设施j的使用寿命年限,散煤、型煤采暖炉的使用寿命为10a,空气源热水热泵取15a,散热器使用寿命20a;n—供暖设施种类数。3供热成本分析综上所述,空气源热泵的年综合费用最低,典型农宅进行热源改造后,与散煤锅炉相比年节省费用2312元,5.5a可以收回成本;与型煤锅炉相比年节省费用1664元,7.5a可收回成本。3.3空气源和散煤的热耗采暖季,典型农宅采用空气源热泵为热源的耗电量为3639.9kWh,1kWh折合标准煤0.36kg,空气源热泵耗能量折合标准煤1310.4kg;散煤采暖炉消耗4152.2kg,折合标准煤3258.6kg(标准煤的热值为29.307MJ/kg);型煤采暖炉消耗5293.8kg,折合标准煤3179.1kg,空气源热泵+散热器采暖的减排情况如表6所示。4空气源热泵+采暖节能技术结合北京市农宅采暖现状,提出空气源热泵代替燃煤锅炉的采暖方式,建立典型农宅的建筑模型,从新方案的技术可行性、经济性和节能性进行分析,可得如下结论:1)空气源热泵代替燃煤锅炉的采暖方式,对于通过增加外保温进行节能改造的建筑,除热源改为空气源热泵外,通常还需要增加采暖末端的散热面积,采暖的散热面积随着供水温度升高而降低;2)空气源热泵+散热器采暖年运行费用22.3元/m2,费用年值34.1元/m2,与散煤锅炉相比年节省运行费用2312元,5.5a即可收回成本;与型煤