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空气源热泵与天然气锅炉在空气源热泵与天然气锅炉在天天津市津市居民建筑供暖的经济性分析居民建筑供暖的经济性分析指导老师：宋孟杰指导老师：宋孟杰学生：卢乐聪学生：卢乐聪2017051课题背景与意课题背景与意义义供暖方案供暖方案参数参数确定确定及设备及设备选选型型两种方案的费两种方案的费用计算用计算两种方案的综两种方案的综合比照合比照目录目录结论与展望结论与展望01020304052课题背景与意义课题背景与意义1.研究背景2.供暖设备燃气锅炉、空气源热泵节能的意义3.我国“煤改电、“煤改气政策31RESEARCHBACKGROUNDS 第一章概述我国能源结构我国供暖设备现状从2021年我国能源消费结构数据中，煤炭占63%，石油占18%，天然气占8%，水能占8%，核能占1%，可再生能源占2%，可见，煤炭占主要地位如图1.1。我国集中供热能耗平均在20至25公斤标煤/平方米，而欧洲为10至15公斤标煤/平方米，高出欧洲同纬度甚至更高纬度国家一倍。总体来说，有三种原因：我国现阶段城镇供暖产热方式主要为燃煤锅炉，而欧洲供热主要使用的燃料为天然气；供热系统的自动化水平低，也是我国集中供热能耗较高的原因；我国在基建方面，墙体比较薄、门窗也几乎没有考虑到节能因素，建筑能耗却高。63%18%8%8%1%2%煤炭石油天然气水能核能可再生能源41RESEARCHBACKGROUNDS 第一章概述煤改电煤改气“煤改电，即北方居民采暖领域，主要针对燃气热力管网覆盖范围以外，大量使用散烧煤进行采暖的城区、郊区、农村等，使用蓄热式电锅炉、蓄热式电暖器、电热膜等多种电采暖设施替代分散燃煤设施。由于天然气的能效、环保型优越于传统的煤炭，我国近年来正开展由燃煤供暖锅炉替换成为燃气供暖锅炉的改造工程，同时也对改造的单位施与相应的补贴。以湖南省长沙市为例，在2021年10月31日之前，完成燃煤锅炉改造且到达要求的单位，每蒸吨补助5万元；在2021年10月31日之前完成改造到达要求的单位，每蒸吨补助3万元。燃煤锅炉的害处燃煤锅炉的害处散烧煤是雾霾主要原因。我国华北平原那么是雾霾污染的重地，大量散烧煤、燃油消费是造成严重雾霾的主要因素之一。我国每年散烧煤消费约7-8亿吨，主要用于采暖小锅炉、工业小锅炉窑炉、农村生产生活等领域，约占煤炭消费总量20%，远高于欧盟、美国不到5%的水平。大量散烧煤未经洁净处理就直接用于燃烧，致使大量大气污染物排放。燃煤锅炉在实际使用运行中，热效率低，能源浪费大，排尘浓度大，煤的含硫量高，对大气污染严重。尤其是近年来，能源供需和环境污染的矛盾日益突出。51RESEARCHBACKGROUNDS本文研究流程6供暖方案参数确定及设供暖方案参数确定及设备选型备选型1.天津某居民建筑工程概况及设计参数2.供暖热负荷概算3.供暖系统方案及设备选型72RESEARCHPURPOES供暖方案参数确定1月月2月月3月月4月月5月月6月月7月月8月月9月月10月月11月月12月月平平 均均 气气 温温（）-30614.520.525272621.514.56-1自自来来水水温温度度（）446912161618161296日日均均最最高高气气温（温（）251120263031302620113日日均均最最低低气气温（温（）-8-519152023221791-5极极端端最最低低气气温（温（）-18.3-16-15-3.22.610.516.611.44.3-3.5-10.6-15.6平平均均降降水水总量量(mm)3572234741721454425103表表2.1 2.1 天津市观象台历史气象信息天津市观象台历史气象信息天津位于中纬度欧亚大陆东岸，天津位于华北平原东部，北依燕山，东临渤海，是海河流域许多河流入海的集合地。地处北温带半干旱半湿润季风气候区，冬季受蒙古冷高压控制，盛行西北风，天气寒冷枯燥；主要受季风环流的支配，属大陆性气候。主要气候特征是，四季清楚，春季多风，干旱少雨；夏季炎热，雨水集中；秋季气爽，冷暖适中；冬季寒冷，枯燥少雪。天津年平均气温在11.412.9，市区平均气温最高为12.9。1月最冷，平均气温在-3-5；7月最热，平均气温在2627。天津气候条件天津气候条件82RESEARCHPURPOES供暖方案参数确定选定天津市某栋居民建筑为研究对象，根据天津市城镇居民建筑调查，笔者拟下表为该建筑工程根本信息。每每层户数数4单层层高高3m楼楼层数量数量16设计供暖热设计供暖热指标指标65W/m2单户面面积125m2单层总供暖单层总供暖面积面积500m2本文建筑工程根本信息本文建筑工程根本信息92RESEARCHPURPOES 供暖热负荷11月12月1月2月3月0.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.0516.1741.9806.5709.7516.1图2.3供暖期每月供暖热负荷kW1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月010079918075727072546565838640.246.338.733.529.525.225.918.123.426.637.141.6每月日均生活热水量（L）生活热水热负荷（kW）图2.4每月平均人均生活热水量波动图102RESEARCHPURPOES 选题目标概括系统回路简图系统回路简图本系统提供了一套自给自足的能源解决方案：供暖期时，供生活热水和室内供暖用；非供暖期时，那么仅提供生活热水。确保用户全年365天过上便捷、舒适的生活。112RESEARCHPURPOES 选题目标概括室内回路系统图：室内回路系统图：首先，冷水统一经过室外热源燃气锅炉/空气源热泵加热到一定温度后，通过管道送往用户室内各处。一局部热水流向埋设于需要供暖的客厅、房间地板下的加热管-铝塑回折型复合盘管，通过热辐射，对应不同的需求，把地板加热到不同的外表温度均匀地向室内辐射热量到达采暖效果，换热后的水又回到热源中循环加热；另一局部热水直接流向洗手盆、淋雨花洒等设备生活热水使用。考虑到家具对地暖辐射的遮掩，射家具遮掩率为=20%。122RESEARCHPURPOES设备选型型号型号Q160Q200Q240Q480额定定热功率功率(kW)160200240480热效率效率95%供水能力（供水能力（L/h）34294286514310286满水重量（水重量（t）4.48(5)5.76(6.2)6.48(7.1)8(8.4)最低（高）系最低（高）系统水水压1（7.5）天然气耗量天然气耗量(m3/h)10121836CO排放排放(PPM)300NOx排放排放(m3/h)70用用电功率功率3kW购置置费用用10400198002400050000表表2.6 160-480kW2.6 160-480kW燃气模块锅炉技术参数燃气模块锅炉技术参数型号型号LSQ15RHLSQ20RHLSQ25RHLSQ50RH额定制定制热量（量（kW）375470138额 定定 输 入入 功功 率率（kW）11.318.122.846额定出水温度（定出水温度（）55555555制冷制冷剂类型型R410A热水流量（水流量（L/h）5307609601750单模模块价格（元）价格（元）15000190002200030000表表2.7 某型号空气源热泵模块参数表某型号空气源热泵模块参数表采用4台Q240燃气锅炉模块总额定热功率2404=960kW，稍大于建筑总热负荷，符合设计要求；燃气锅炉燃气锅炉拟选用13台空气源热泵模块LSQ50RH，额定输入功率46kW，额定制热量138kW，额定COP为3.0空气源热泵空气源热泵13两种方案的费用计算两种方案的费用计算1.燃气锅炉系统费用计算2.空气源热泵系统费用计算14本章根据第二章的设备选型费用和整个供暖系统的费用计算出设备初投资费用；然后根据天津当地的电价、气价计算出每年运行需要的费用；并假设出可能出现的设备维护费用；最后得出两种方案所需支出的费用。6FUTUREPROSPECT两种方案的费用计算153RESEARCHPROCESS 设备初投资项目目单价（元）价（元）数量数量总价（元）价（元）锅炉房土建炉房土建2,00050m2100,000燃气燃气锅炉模炉模块24,0006套144,000调压、控制系、控制系统40,0001套40,0003m3调压保温水箱保温水箱10,0001套10,000消防系消防系统10,0001套10,000循循环管管泵30,0001套30,000安装安装费10,0001套10,000总价价344,000表表3.1 燃气锅炉初投资费用表燃气锅炉初投资费用表项目目单价（元）价（元）数量数量总价（元）价（元）热泵模模块机机组80,00012台960,000调压、控制系、控制系统40,0001套40,0008m3保温水箱保温水箱20,0001套20,000循循环管管泵300001套30,000安装安装费100001套10,000总价价1,060,000表表3.6空气源热泵初投资费用表空气源热泵初投资费用表163RESEARCHPROCESS 运行费用1月月2月月3月月4月月5月月6月月7月月8月月9月月10月月11月月12月月总计供暖供暖热指指标（W/m2）80.671.051.6非供暖期51.674.2人均生活人均生活热水量水量（L）799180757270725465658386供暖供暖热负荷荷（kW）806.5709.7516.1非供暖期516.1741.9生活生活热水水热负荷荷（kW）40.246.338.733.529.525.225.918.123.426.637.141.6用气用气费用（元）用（元）134,274119,89487,9965,3124,6753,9944,1082,8693,7094,22087,73612,426858,3054用用电费用（元）用（元）7,1287,1287,1287,1287,1287,1287,1287,1287,1287,1287,1287,12885,536总费用（元）用（元）141,402127,02295,12412,44011,80311,12211,2369,99710,83711,34894,864131,396668,590表表3.4 燃气锅炉每月运行费用表燃气锅炉每月运行费用表173RESEARCHPROCESS 运行费用1月月2月月3月月4月月5月月6月月7月月8月月9月月10月月11月月12月月总计供暖供暖热指指标（W/m2）80.671.051.6非供暖期51.674.2人均生活人均生活热水水量（量（L）799180757270725465658386供暖供暖热负荷荷（kW）806.5709.7516.1非供暖期516.1741.9生活生活热水水热负荷（荷（kW）40.246.338.733.529.525.225.918.123.426.637.141.6用用电费用（元）用（元）113,991101,78374,7034,5103,9693,3913,4872,4353,1483,58374,482105,496494,977表表3.7空气源热泵每月运行费用表空气源热泵每月运行费用表183RESEARCHPROCESS 设备维护费用名称名称内容内容价格（元价格（元/年）年）设 备 检查普通维修故障排除1,000锅 炉炉 除除垢垢用化学法除垢，使炉内水垢溶解，然后用水冲掉。3,000烟烟 道道 清清理理对锅炉的烟气通道进行清理、除尘。2,000常常 规 保保养养对锅炉的燃烧机及电控系统进行清洁、维护、调校、上油等保养。1,000总计7,000表表3.5 3.5 燃气锅炉维护内容燃气锅炉维护内容名称名称内容内容价格（元价格（元/年）年）设备检查普通维修故障排除4,000添添 加加 制制 冷冷剂定期每年一次天添加，并检查管道是否有泄漏。6,000冷冷 凝凝 器器 保保养养清洗在冷凝器换热面上形成的水垢，改善换热效率，提升机组效率10,000蒸蒸 发 器器 保保养养对蒸发器进行清洗、保养。10,000总计30,000表表3.5 3.5 空气源热泵维护内容空气源热泵维护内容19两种方案的综合比照两种方案的综合比照1.经济性比照2.能效性比照3.环保性比照20确定对用户的的收费方式确定对用户的的收费方式根据两种方案的能源本钱决定，假设在满入住率的情况下，对本栋居民建筑64个用户单位采取以下收费方式：供暖费用：供暖期120天内0.51元/m2天生活热水费用：35元/t。根据每户建筑面积和每月人均生活用水量算出每年收取用户的费用为：719770元。计算两种方案的本钱回收期计算两种方案的本钱回收期按照以下公式计算本钱回收期。本钱回收期=设备除投资费用每年净利润算得燃气锅炉方案本钱回收期为16年，空气源热泵方案本钱回收期为6年。显然，从本钱回收角度来看，空气源热泵具有很大的优势。4RESEARCHRESULT 本钱回收期计算214RESEARCHRESULT 能源单价比照我们可以比照两种供热方式产生单位热量的价格。以产生1kWh热量为例。1m3天然气的热值等于9.89kWh8500大卡，即产生1kWh热量的费用为2.6719.89=0.27元；1kWh电能价格为0.51元，空气源热泵COP为3，那么产生1kWh热量需要的费用为0.5113=0.17元。可以看出，天然气锅炉产生单位热量的价格比空气源热泵高出59%。从其他费用来看，燃气锅炉的设备初投资和运行维护费用低。可见，能源价格是天然气锅炉最大的问题。224RESEARCHPURPOES能效性比照天然气在锅炉中燃烧放热后经过换热器把热量传递给工质水，其中会有一小局部的热量散失到环境中；热水再通过管道传输到用户终端进行使用，在管道运输中也会出现热量的损失。相对空气源热泵而言，天然气锅炉的能源转化流程更简单直接，中间的能量损失更少，但是使用天然气燃烧的高品位能源直接转化为低品位的热能，存在一定的能源品位的浪费。燃气锅炉燃气锅炉空气源热泵使用的电能是二次能源，需从发电厂发电并经过电网输送最终才能使用，其中会有各种线路、变压器损耗；好处是可以使用可再生能源风能、太阳能等所发出的电能来进行供热，可实现“零排放,。空气源热泵空气源热泵234RESEARCHRESULT 环保性比照燃气锅炉和空气源热泵都是环保、污染低的供暖设备，都是燃煤锅炉的理想替代品。我们可以从表4.1看出两者的优越之处。从污染排放上看，无论是烟尘还是SO2、CO2、NOx排放量，燃气锅炉都比燃煤锅炉低得多，原因在于天然气中杂质含量少。而空气源热泵采暖属于清洁能源，使用电能驱动供暖，所以不存在燃烧设备的排放，尤其在风电、水电、核电大力代替燃煤的今天，更加环保节能。天然气天然气锅炉炉空气源空气源热泵燃煤燃煤锅炉炉耗能耗能类型型天然气电煤热值7000kcal/kg860kcal/kWh8500kcal/m3热效率效率65%300%95%烟烟尘排放排放/g73.84-1418.25SO2排放排放/g147.67-3025.60CO2排放排放/kg231.03-495.44NOx排放排放/g590.69-1437.16注：数据为制取1000 kW 热量的排放量表表4.1 污染排放比照污染排放比照244RESEARCHRESULT 综合比照很明显可以看出，空气源热泵设备初投资费用要远高于燃气锅炉，但是运行费用比燃气锅炉低，本钱回收期也比燃气锅炉短很多。所以，如果设计妥当、用户使用率适宜，空气源热泵对于物业管理方将会是一个非常经济的供暖方案。从可靠性上来看，燃气锅炉采暖的可靠性受供气压力的影响，在燃气缺乏的地方使用受影响。而空气源热泵采暖只和供电电压有关，只要电压稳定，空气源热泵系统的稳定性和空调的稳定性一样，经受住考验。而且目前还多采用变频机，机组的可靠性和适应性更强。从能效性上看，加热相同参数的水到相同的温度，燃气锅炉速率要比空气源热泵快得多，所以在某些紧急情况下，燃气锅炉的应急能力更强；项目目燃气燃气锅炉炉空气源空气源热泵能源能源热值8500大卡/m3860大卡/kWh能能 源源 单 价价（元元/kWh）0.270.17能源效率能源效率95%300%-450%设备初投初投资费用用344,0001,060,000每年能源每年能源费用用668,590494,977每年每年员工工费用用38,40028,800每年每年设备维护费用用7,00030,000排放排放少量CO2基本零排放表表4.2两种方案比照两种方案比照25结论与展望结论与展望1.结论2.展望265ANALYSIS&DISCUSSION 结论空气源热泵机组初投资费用比燃气锅炉机组大空气源热泵的能源单价远比燃气锅炉低，因此，即使在初投资费用高的情况下，空气源热泵的本钱回收期依然比燃气锅炉短得多空气源热泵使用能源为二次能源电能，电源品种多样，更可使用太阳能、水电、风电等可再生能源进行供热，较燃气锅炉更灵活而能源费用高那么是燃气锅炉要面临的最大问题，相对于空气源热泵，燃气锅炉更加适用于郊外低密度住宅结论二空气源热泵较燃气锅炉还有运行稳定、零污染、无需机房、安装方便等优点结论四结论一结论三结论五275ANALYSIS&DISCUSSION 展望02030401缺乏之处概述缺乏之处概述由于时间和异地调研条件的限制，本文无法十分贴近实际的获取天津市的气候、建筑围护条件、供暖政策、居民用能水平等情况，因此可能导致最终费用的计算出现偏差。但是，经过本文的计算比照，空气源热泵的优越性已得到了表达。假设有时机进行更深入的研究，还可在这些方面进一步探索：1、本文的计算方法有进一步优化的空间：可使用数学模型来模拟实际运行费用的变化，从而得出更加科学的费用预测。2、可继续探讨在用户数量变化、能源单价改变时两种方案的本钱和收益的变化，从而得出更深入的结论。准备工作不充分 数据分析不细致 未能控制变量因数对政策了解缺乏28
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