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1 概述
截至2023年末，全国城市集中供热管道长度52.37×104 km，同比增长6.13%；集中供热面积115.49×108 m2，同比增长3.81%。在碳达峰、碳中和背景下，燃气锅炉耦合空气源热泵的热源在居住建筑、公共建筑供暖领域得到广泛应用。
本文结合北京地区供暖期室外温度及分时电价，制定燃气锅炉与空气源热泵耦合运行策略，以控制两种供暖设备在不同时间的启停。以严寒期典型日为例，对耦合运行与燃气锅炉单独运行的运行成本进行比较。
2 基础数据
基础数据见表1。空气源热泵供水温度为50 ℃时，不同室外温度的制热性能系数见表2。北京地区分时电价见表3。
表1 基础数据
|
供暖室外计算温度/℃ |
-7.6 |
|
供暖室内设计温度/℃ |
18.0 |
|
供暖热指标八W/m²) |
35 |
|
燃气锅炉热效率 |
0.95 |
|
天然气价格元/m³) |
2.88 |
|
天然气低热值/(kW-h/m³) |
9.883 |
表2 空气源热泵供水温度为50 ℃时不同室外温度的制热性能系数
|
室外温度/℃ |
-7.6 |
-7.0 |
-6.0 |
-5.0 |
-4.0 |
|
制热性能系数 |
2.59 |
2.63 |
2.67 |
2.71 |
2.75 |
|
室外温度/℃ |
-3.0 |
-2.0 |
-1.0 |
0.0 |
1.0 |
|
制热性能系数 |
2.79 |
2.83 |
2.87 |
2.91 |
2.96 |
|
室外温度/℃ |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
>5.0 |
|
制热性能系数 |
3.01 |
3.06 |
3.11 |
3.16 |
3.25 |
表3 北京地区分时电价
|
时段名称 |
时段 |
电价/元/(kW ·h)] |
|
峰电时段 |
10:00—15:00、18:00—21:00 |
1.145 |
|
平电时段 |
15:00—18:00、21:00—23:00、 |
0.844 |
|
谷电时段 |
23:00—7:00 |
0.578 |
3 参数计算
① 供暖负荷率
供暖负荷率β的计算式为[1]：
② 单位耗气成本
单位耗气成本（指不同室外温度的单位耗气成本）fg的计算式为：
③ 单位耗电成本
单位耗电成本（指不同室外温度的单位耗电成本）fE的计算式为：
4 耦合运行策略
在进行耦合运行策略影响因素分析时，将供暖室外计算温度（-7.6 ℃）至供暖室外临界温度（5.0 ℃）作为室外温度范围。在进行运行成本比较时，按供暖期实际室外温度对单位耗气成本、单位耗电成本进行测算。
电价分别取0.750、0.800、0.844、0.900、0.950、1.000 元/(kW·h)，在室外温度范围（-7.6~5.0 ℃）内，根据式（1）~（3）计算单位耗气成本、单位耗电成本，见图1。由图1可知，电价高于1.000 元/(kW·h)时，室外温度范围内的单位耗电成本均高于单位耗气成本，宜优先使用燃气锅炉供暖。电价为0.800~0.950 元/(kW·h)时，在某一室外温度下，单位耗电成本与单位耗气成本相同。当高于该室外温度时，单位耗电成本低于单位耗气成本，宜优先使用空气源热泵供暖。当电价降至0.750 元/(kW·h)时，室外温度范围内的单位耗电成本均低于单位耗气成本，宜优先使用空气源热泵供暖。因此，室外温度、电价对耦合运行策略均有影响。
图1 单位耗气成本、单位耗电成本随室外温度的变化
结合图1得到的结果以及北京地区分时电价可知，峰时电价时，室外温度范围内的单位耗电成本均高于单位耗气成本，因此峰电时段宜使用燃气锅炉供暖。谷时电价时，室外温度范围内的单位耗电成本均低于单位耗气成本，因此谷电时段宜使用空气源热泵供暖。
将供暖期分为3个供暖时间：11月15日—12月15日、12月16日—2月15日、2月16日—3月15日，按平电时段统计3个供暖时间的平均室外温度，见表4。根据计算结果可知，平电电价条件下，单位耗电成本与单位耗气成本相同的室外温度为-4 ℃。由表4可知，除12月16日—2月15日的7:00—10:00、21:00—23:00外，其他平电时段平均室外温度均高于-4 ℃。因此，除了这两个时段，供暖期其他平电时段均宜使用空气源热泵供暖。根据上述分析结果，可整理出供暖期耦合运行策略，见表5。
表4 平电时段3个供暖时间的平均室外温度
|
供暖时间 |
11月15日一 |
12月16日一 |
2月16日一 |
|
7:00—10:00 |
0.3 |
-5.5 |
0.6 |
|
5:00—18:00 |
7.9 |
1.1 |
9.1 |
|
21:00—23:00 |
2.4 |
-5.3 |
4.5 |
表5 供暖期耦合运行策略
|
时段 |
0:00—7:00 |
7:00—10:00 |
10:00—15:00 |
15:00—18:00 |
|
11月15日—12月15日开启的设备 |
空气源热泵 |
空气源热泵 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
|
2月16日—2月15日开启的设备 |
空气源热泵 |
燃气锅炉 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
|
2月16日—3月15日开启的设备 |
空气源热泵 |
空气源热泵 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
|
时段 |
18:00—21:00 |
21:00—23:00 |
23:00—24:00 |
一 |
|
11月15日—12月15日开启的设备 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
空气源热泵 |
一 |
|
2月16日—2月15日开启的设备 |
燃气锅炉 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
一 |
|
2月16日—3月15日开启的设备 |
燃气锅炉 |
空气源热泵 |
空气源热泵 |
一 |
5 运行成本比较
选取12月16日至2月15日的日平均室外温度最低日（1月18日）作为严寒期典型日。按表5的耦合运行策略控制燃气锅炉、空气源热泵在不同时间的启停，比较耦合运行与燃气锅炉单独运行的单位成本（单位耗电成本与单位耗气成本之和），见图2。图2中，时间编号1代表[0:00，1:00），时间编号2代表[1:00，2:00)，以此类推。由图2可知，严寒期典型日燃气锅炉单独运行的单位成本高于耦合运行。由计算结果可知，严寒期典型日耦合运行的单位成本为0.203 元/(m2·h)，燃气锅炉单独运行的单位成本为0.224 元/(m2·h)。与严寒期典型日燃气锅炉单独运行相比，耦合运行成本下降9.38%，耦合运行成本更低。
图2 严寒期典型日耦合运行、燃气锅炉单独运行的单位成本
6 结论
① 室外温度、电价对耦合运行策略均有影响。
② 以严寒期典型日为例，与燃气锅炉单独运行相比，耦合运行成本下降9.38%，耦合运行成本更低。
