北京農(nóng)宅采暖能耗節(jié)能改造方案探討

北京農(nóng)宅采暖能耗節(jié)能改造方案探討

農(nóng)村地區(qū)既有農(nóng)宅改造現(xiàn)狀中國農(nóng)村地區(qū)建筑面積約240億米，每年開采和消耗約1.9億噸煤炭（相當(dāng)于1.36億噸標(biāo)準(zhǔn)煤），呈現(xiàn)快速增長趨勢。據(jù)預(yù)測,至2020年僅北方農(nóng)宅供暖一項,至少需要3~4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的商品能,同時煤在使用過程中燃燒效率低、排放出大量的PM2.5、NOx、SOx等污染物,是造成室內(nèi)外空氣污染甚至大范圍霧霾天氣的重要原因之一。北京地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)走在我國農(nóng)村建設(shè)的前列,但是農(nóng)村地區(qū)的采暖能耗問題依然日益突出,截至2012年,郊區(qū)縣農(nóng)村地區(qū)既有農(nóng)宅節(jié)能改造工程累計進行既有農(nóng)宅改造9萬戶,累計減少煤耗約22萬t。低溫采暖正在歐洲一些國家得到推廣和應(yīng)用,如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN442中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工況為75/65℃時,熱媒平均溫度為50℃,而過去熱媒平均溫度為60℃,將來的趨勢為55/45℃,熱媒平均溫度為30℃?？諝庠礋岜靡噪娔茯?qū)動,是一種高效的清潔能源,可將低品位能源轉(zhuǎn)換為高品位能源,具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點。1采暖能源的消耗量據(jù)2013年清華大學(xué)和北京市可持續(xù)發(fā)展促進會的調(diào)研結(jié)果顯示,北京農(nóng)村地區(qū)采暖存在以下問題:1)農(nóng)村采暖以煤為主,經(jīng)計算可得,采暖能源中散煤的消耗量占75.5%、蜂窩煤的消耗量占4.9%,煤球的消耗量為2.3%,其余為電能和生物質(zhì)能(見圖1)。2)采暖設(shè)施以土暖氣、火炕和煤爐為主,傳統(tǒng)的采暖設(shè)施效率低,采暖效果差。3)建筑能耗高,采暖經(jīng)濟負擔(dān)重,戶均支出約2100元,且采暖舒適性差。2空氣源熱泵+蒸發(fā)器采暖技術(shù)空氣源熱泵+散熱器采暖系統(tǒng)的工作過程:冬季取暖時,蒸發(fā)器從空氣中的環(huán)境熱能中吸取熱量以蒸發(fā)傳熱工質(zhì),蒸氣工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮后壓力和溫度上升,高溫蒸氣通過冷凝器冷凝成液體時,釋放出的熱量傳遞給熱泵冷凝器側(cè)的換熱介質(zhì)水,冷凝后的傳熱工質(zhì)通過膨脹閥返回到蒸發(fā)器;冷凝器換熱側(cè)的水在水泵的作用下流入散熱器內(nèi),散熱器中熱水的熱量傳入室內(nèi),維持室溫的穩(wěn)定?？諝庠礋岜?散熱器采暖的原理圖如圖2所示。目前,國內(nèi)的散熱器的設(shè)計參數(shù)下的熱媒溫度為95℃/70℃,采用間歇性運行方式,但在農(nóng)村應(yīng)用過程中,與“土暖氣”結(jié)合供回水溫度很難達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),通常以40~60℃的低溫?zé)崴B續(xù)運行?？諝庠礋岜?散熱器采暖系統(tǒng)在農(nóng)村代替燃煤鍋爐能否實現(xiàn)的關(guān)鍵是散熱器低溫運行時散熱量能滿足采暖要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李慶娜通過實驗驗證了散熱器低溫運行時的性能曲線可近似看作是其高溫運行時性能曲線的延長線,實驗結(jié)果中只有個別數(shù)據(jù)的誤差在±5%以內(nèi)。根據(jù)文獻繪制出低溫?zé)崴\行時散熱性能較好的鑄鐵散熱器和鋼制板式散熱器的曲線(見圖3),鑄鐵散熱器的型號為TZ2-5-5(M132型),TZ4-6-5(四柱760型),TZ4-5-5(四柱640型)和鋼制板式散熱器的型號為四柱813型,從圖中可以看出當(dāng)熱水溫度為30℃時,散熱器單位面積的散熱量也能達到60W以上。3北京農(nóng)業(yè)和家庭研究3.1空氣源熱泵系統(tǒng)文中研究的空氣源熱泵+散熱器采暖系統(tǒng)主要應(yīng)用于北京地區(qū)已經(jīng)進行節(jié)能保溫改造的農(nóng)宅(外墻增加5cm的聚苯保溫板)。通過對以往文獻中對北京地區(qū)的農(nóng)宅進行抽樣調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果分析建立農(nóng)宅建筑模型:建筑面積設(shè)置為80m2,層高3m,南窗墻比為0.5,北窗墻比為0;外墻為37cm混凝土磚墻+50mm聚苯保溫板,傳熱系數(shù)為0.4W/(m2·K);外門為雙層塑鋼門,傳熱系數(shù)為2.58W/(m2·K);外窗為雙層塑鋼窗,傳熱系數(shù)為2.8W/(m2·K);屋頂為水泥屋頂+100mm膠粉聚苯顆粒,傳熱系數(shù)為0.8W/(m2·K);冬季常壓下小時換氣次數(shù)約為0.5次/h;室內(nèi)設(shè)計溫度為14℃。2013年冬季在北京懷柔進行了空氣源熱泵的性能測試,試驗期間平均室外溫度為-3.5℃,室外最低溫度為-13℃,熱泵的出水溫度為35.5,標(biāo)準(zhǔn)工況下空氣源熱泵的輸入功率為1800W。北京冬季1月最冷,熱泵的供水溫度35.5℃時,散熱器的熱媒平均溫度為33℃,以低溫?zé)崴r下散熱性能最差的四柱640型鑄鐵散熱器為例進行分析(見表1、表2)。該散熱器熱媒溫度為33℃時,單位面積散熱量為96.4W/m2,該散熱器滿足1月的采暖設(shè)計熱指標(biāo)56W/m2時需散熱器面積為46.5m2;北京地區(qū)采用聚苯板外保溫進行節(jié)能改造的農(nóng)宅節(jié)能率達61%,可推算出節(jié)能改造1月份的采暖設(shè)計熱指標(biāo)為91.8W/m2,燃煤鍋爐的散熱器熱媒平均溫度在60℃時散熱器的散熱量為302W/m2,需散熱器面積為24.3m2。由此可得,熱源由燃煤鍋爐改為空氣源熱泵后,為保證采暖效果,采暖末端的散熱器面積至多增加50%,且散熱器的面積可隨熱泵供水溫度的增加而減小。3.2空氣源熱泵與散熱器的加熱性能空氣源熱泵+散熱器采暖方案的年綜合費用包括年運行費用和年投資費用。1農(nóng)村地區(qū)累計熱負荷典型農(nóng)宅采暖面積80m2,保證室內(nèi)溫度14℃,進行節(jié)能改造后的農(nóng)宅全年累計熱負荷為10605.3kWh,約合3.82×104MJ。對采用不同能源供暖時的年運行費用進行計算,可得空氣源熱泵的年運行費用最低為22.3元/m2。2空氣熱泵機組的使用壽命式中:Kj—供暖設(shè)備j的初始投資額,為計算方便,空氣源熱泵對應(yīng)的熱源初投資含空氣熱泵機組、增加的采暖末端設(shè)施費用和人工費;i—基準(zhǔn)折現(xiàn)率,i=2.096%;mj—供暖設(shè)施j的使用壽命年限,散煤、型煤采暖爐的使用壽命為10a,空氣源熱水熱泵取15a,散熱器使用壽命20a;n—供暖設(shè)施種類數(shù)。3供熱成本分析綜上所述,空氣源熱泵的年綜合費用最低,典型農(nóng)宅進行熱源改造后,與散煤鍋爐相比年節(jié)省費用2312元,5.5a可以收回成本;與型煤鍋爐相比年節(jié)省費用1664元,7.5a可收回成本。3.3空氣源和散煤的熱耗采暖季,典型農(nóng)宅采用空氣源熱泵為熱源的耗電量為3639.9kWh,1kWh折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.36kg,空氣源熱泵耗能量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1310.4kg;散煤采暖爐消耗4152.2kg,折合標(biāo)準(zhǔn)煤3258.6kg(標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.307MJ/kg);型煤采暖爐消耗5293.8kg,折合標(biāo)準(zhǔn)煤3179.1kg,空氣源熱泵+散熱器采暖的減排情況如表6所示。4空氣源熱泵+采暖節(jié)能技術(shù)結(jié)合北京市農(nóng)宅采暖現(xiàn)狀,提出空氣源熱泵代替燃煤鍋爐的采暖方式,建立典型農(nóng)宅的建筑模型,從新方案的技術(shù)可行性、經(jīng)濟性和節(jié)能性進行分析,可得如下結(jié)論:1)空氣源熱泵代替燃煤鍋爐的采暖方式,對于通過增加外保溫進行節(jié)能改造的建筑,除熱源改為空氣源熱泵外,通常還需要增加采暖末端的散熱面積,采暖的散熱面積隨著供水溫度升高而降低;2)空氣源熱泵+散熱器采暖年運行費用22.3元/m2,費用年值34.1元/m2,與散煤鍋爐相比年節(jié)省運行費用2312元,5.5a即可收回成本;與型煤