第21卷第2期
2 0 2 1 年 2 月
REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING
33-37
蓄热温度对水蓄热型空气源热泵系统
供暖经济性的影响
*
*安徽省重点研究与开发计划（202004h07020028）
收稿日期：2020-12-03，修回日期：2020-12-28
作者简介：王汝金，硕士，高级工程师，主要从事制冷空调（热泵）及节能技术研究。
王汝金袁旭东0 贾甲0 蔡松素0 高峰2） 何官送2）
高东媛2）戴琳° 张伟°
1｝
（合肥通用机械研究院有限公司压缩机技术国家重点实验室）
2）
（安徽省建筑设计研究总院股份有限公司）
摘 要 以我国寒冷地区某农村住宅为应用对象，基于峰谷电价，采用费用年值法和寿命周期内投资法分
析水蓄热型空气源热泵系统在不同蓄热温度下的供暖经济性。结果表明：当蓄热温度为50 °C 时，水蓄热型 热泵系统的经济性要好于常规热泵和燃气锅炉；当蓄热温度从55 C 增加到60 C 时，由于耗电量及运行费
用的增加，水蓄热型热泵系统的经济性优势难以体现；当蓄热温度超过60 C 时，水蓄热型热泵系统的经济 性下降明显。因此，基于初投资、机组性能及经济性的综合考虑，水蓄热型热泵系统的蓄热温度不宜过高。
关键词空气源热泵；水蓄热；蓄热温度；经济性
Influence of heat storage temperature on heating economy of
air source heat pump system with water heat storage
Wang Rujin 1) Yuan Xudong 1) Jia Jia 1} Cai Songsu 1) Gao Feng 2 He Guansong 2)
Gao Dongyuan 2) Dai Lin 1〉 Zhang Wei 1)
(Hefei General Machinery Research Institute Co., Ltd. State Key Laboratory of Compressor Technology )
2) (Anhui Provincial Architectural Design and Research Institute Co., Ltd.)
ABSTRACT Taking one rural residence in cold area of China as application object , the
annual cost method and lfe cycle investment method are adopted to study the heating e conomy of air source heat pump system with water heat storage at different heat storage temperatures based on the electricity prices of peak and valley. The results show that
when the heat storage temperature reaches 50 C , the economy of the heat pump system
with water heat storage is better than those of conventional heat pump and gas boiler. When the heat storage temperature increases from 55 C to 60 C , its economic advantages
will be hard to be realized due to the increase of power consumption and operating expen ses. When the heat storage temperature exceeds 60 C , the economy decreases obviously. Therefore, based on the comprehensive consideration of initial investment , unit perform
ance and economy, the heat storage temperature of heat pump system with water heat storage should not be too high.
KEY WORDS air source heat pump ；water heat storage ;heat storage temperature;economy
我国北方地区冬季寒冷，室外环境温度低，采 用“小型燃煤炉+散热器”是较为传统的供暖方
式。这种供暖方式性能差，在使用期间会释放大
37度量的污染物，造成严重雾霾。为了治理和解决这 一重大民生问题，国家鼓励推广“煤改清洁能源” 供暖（煤改电”工程）T，以减少燃煤消耗，推动我
第21卷・34・
国环境保护与可持续发展.
空气源热泵技术通过从低位热源吸收能量转化为高位热能，获得的热能总量高于消耗的电能总量，相对于燃煤供暖和直接电加热设备，是一种节能、减排、清洁的供暖解决方案.空气源热泵已成为目前我国北方地区燃煤采暖替代方案中极具潜力的设备，并得到研究应用：5：.
随着国民经济的不断发展，用电高峰时段电力严重不足的问题越来越突出，而用电低谷又有大量电力难以有效利用而被损失掉，造成电力资源的极大浪费.因此，对于空气源热泵而言，应充分利用低谷电和蓄热手段以实现“移峰填谷”「8：，调节电网峰谷差.
水蓄热是利用水的显热贮存热量，采用水蓄热的热泵系统较常规热泵系统多了一个蓄热水箱，该系统热泵机组和常规系统热泵机组是通用的，再加上水容易获取，相应投资的增加费用相对较少，故而水蓄热型热泵系统得到了较多的关注：12：.
若系统实际运行策略不合理，将导致水蓄热型空气源热泵系统性能下降，运行费用增加，严重影响其经济性.蓄热温度是水蓄热型热泵系统经济性的重要影响因素之一，但相关研究报道很少.笔者将重点研究不同蓄热温度下水蓄热型空气源热泵系统与其他采暖系统的经济性差异，为评估其应用价值提供理论依据.
1研究对象
以我国寒冷地区代表城市北京的某农村住宅为例，其为一层平房，建筑面积142m2，包括客厅、厨房和3间卧室，层高3m，该建筑外墙为370mm 厚的砖墙，其中东、西、北向外墙做70mm厚聚苯板保温层，屋顶做120mm厚聚苯板保温层，窗户均为双玻塑钢节能窗.按文献［3：中的方法计算，采暖季的建筑平均热负荷为8.5kW.
空气源热泵系统运行费用计算模型
笔者研究的空气源热泵系统包括：定频空气源热泵+蓄热水箱系统（以下简称“水蓄热型热泵系统”、变频空气源热泵系统（以下简称“变频热泵系统”。
2・1水蓄热型热泵系统
图1所示为水蓄热型热泵系统流程，热泵机组压缩机为定频.在蓄热期间，热泵机组为水箱内的水蓄热，以提供全天所需的热量，与此同时，蓄热水箱为末端供热，蓄热时间为当天20：00至次日08：00，共12h；在非蓄热期间，热泵机组关机，住宅全天24h供暖，由蓄热水箱持续为末端供热.不同工作模式下设备开、关情况如下：
1）蓄热模式
开启热泵机组和水泵7，关闭水泵8.
2）供暖模式
开启水泵8，关闭热泵机组和水泵7.
1定频压缩机；2.气液分离器；3.四通换向阀；4.机组使用侧换热器；
5.膨胀阀；
6.翅片管式换热器；
7.机组使用侧换热器水泵；
8.供暖末端水泵；9.供暖末端；10.蓄热水箱
图1水蓄热型空气源热泵系统流程图
2.2变频热泵系统
变频热泵系统与图1类似，主要差异在于：压缩机为变频压缩机；无蓄热水箱.系统运行时热水由图1中的换热器4加热后直接供应给供暖末端，然后直接回到换热器4，以此完成水循环.
2・3水蓄热型热泵系统运行费用
2.3.1蓄热运行
1）定频热泵机组
n ha12_
E rb=S^CQ k/COP k）（1）
k二1j二1
n hat12_
C rb=S S（Q k^（j）/COP k）（2）
k二1j二1
式中:E b为供暖季定频热泵机组耗电量（kW・h）；"heat为供暖天数（天）；Q k为建筑日平均热负荷（kW）；COP k为热泵制热性能系数;C rb为供暖季定频热泵机组运行费用（元）；卩（）为分时段电价（元/千瓦时）.
2）定频热泵机组使用侧换热器水泵：14：
E rb,pump
P012Q k
1000n t f k=1s p w c w p Pt l
rb,pump
"ha12
1000^tf k=1j=1卩jj)
(3)
(4
)
第2 期王汝金等：蓄热温度对水蓄热型空气源热泵系统供暖经济性的影响-35 -
式中：E b,ump 为供暖季机组使用侧换热器水泵耗电 量（kW • h ） ； Pp 为水泵循环全压损失（Pa ）；加为
水泵全压效率；p ”为水密度，取1 000 kg/m 3 ；Cw.P
为水的定压比热容，取4.2 kj/（kg - K ）；z t 为使用
侧换热器供回水温差，取10 C ；C bp,mp 为供暖季使 用侧换热器水泵运行费用（元）
2.3.2
供暖运行
1）供热末端水泵［4］
(5 )
P P
" f — Q
k
1 000 0f k = 1 7 = i p w c w .p t s
C
= P C ind.pump
= 1 000
式中:E mdump 为供暖季供热末端水泵耗电量（kW - h ）；
t s 为供暖末端供回水温差，取5 C ； C mdpump 为供
暖季供热末端水泵运行费用（元）。
2.4变频热泵系统运行费用
1） 变频热泵机组
n 24
E b = f f （Qk/COPk}
（7）
k = 1 j = 1 \
/
n 24
C b =f f （Q 呼（）/COP k ） （8）
2） 供热末端水泵
计算方法同式（5）和式（6）。
2.5水泵全压损失［4］
1）管路沿程阻力
f = 0.316 4X R e 「025
(0)
C coal = 0 col M col （16）
式中：M ol 为供暖季燃煤锅炉消耗标准煤当量（t ）；
9 col 为煤价格（元/吨）；q col 为煤燃烧热值（MJ /1）;
n ol 为燃煤锅炉效率；c ol 为供暖季燃煤锅炉运行
费用（元）。
2）燃气锅炉
“ 86.4Q k n ha r 、V g,” =---------------------------- （17）
q gs n gs
C gs = 9 ga V g as （18）
式中:V gs 为供暖季燃气锅炉消耗天然气体积
（m 3） ；g g ”为天然气燃烧热值（MJ/m 3 ） ； 为燃气
锅炉效率；9gs 为天然气价格（元/米3 ） ; C g,”为供暖
季燃气锅炉运行费用（元）3经济性分析
以下计算基于北京市城镇居民“煤改电”居民
供暖季电价优惠政策。供暖起止时间为当年的11
月15日至次年的3月15日。根据北京市城镇居 民“煤改电”政策，对使用清洁能源的供暖系统实
施电价补贴，电价情况为：在20：00至次日08：00 享受谷电价0.2元/千瓦时，阶梯平价电为0.488 3
元/千瓦时。
水蓄热型热泵系统、变频热泵系统初投资费用 基于某品牌企业定型产品价格。对于水蓄热型热泵
用水箱容积由式（19）计算得出，水箱初投资费用基 于容积大小按市场价格确定。燃煤/燃气锅炉的初
投资费用按供暖面积市场平均价格确定。
Re = V =L f
V 0.25n D 2
(11 )(12 )
T x Q k
P ” C ”、p △ t ”*
(19)
式中：V ”为蓄热水箱所需容积（m 3）；T 为供暖时
间（s ）;t ”为水箱蓄热前后水温差（C ）。表1所
P w C w . p ls
式中:t p f 为沿程压力损失（Pa ）;f 为沿程阻力系 数V 为水流速（m/s ）；为管路长度（m ） ； D 为管
路直径（m ）;R e 为雷诺数；“”为水的运动黏度
（m 2/s ）；L f 为水流量（m 3/s ）；Q 为热负荷（kW ）；
△ t 为供回水温差，取5 C 。
2） 全压损失
△p = t p f + t p j
（14）
式中P P j 为局部压力损失（Pa ），近似取1.5t p f 2.6燃煤/燃气锅炉年运行费用［5］
1）燃煤锅炉
示为蓄热水箱的容积。
表1蓄热水箱的容积
蓄热温度/C
50
5560容积/m 36.0
4.57
3.66
3. 1经济性指标
3.1.1费用年值
费用年值法［,6］的实质就是将该项目初投资的
资金限值按照时间价值等额分摊到各使用年限 中。该方法综合考虑了初投资和运行费用2个 因素。
86.4Q k n he ”M coll 二
q coll n coll
(15 )j (.1 + i )n (1 + i )” — 1
+ C k (20)
A c = C
第21卷
-36・式中:A c 为费用年值（元）C 。
为初投资（元）；为
回收系数，取10%；〃为使用年限，热泵机组为15 年；C k 为年运行费用（元），对于水蓄热型热泵为定
频机组、使用侧和末端水泵运行费用总和，对于变
频热泵为变频机组及末端水泵运行费用总和。 3・1・2寿命周期内投资
寿命周期内投资指系统在其整个寿命周期中
的累计费用［16］，包括初投资和运行费用。
I LCC 二（1 + z\）y C o + 士 （1 + i Y -"C k + 0.005C
。
（21）
九二1
式中：lcc 为寿命周期内的投资额（元）；y 为热泵
机组的使用寿命，取20年；为热泵机组使用年 限，取15年。
3・2经济性对比3・2・1年耗电量对比
季节耗电量的确定基于建筑负荷特性及空气 源热泵机组样本参数。
热泵系统的年供暖耗电量如图2所示，随着蓄
热/供水温度升高，热泵系统的年耗电量增加。对 于水蓄热型热泵系统而言，其耗电量大于变频热
泵系统的耗电量，因此使用蓄热水箱后，热泵系统 并不节能。
(q.M
严
C H X )
、*搖巔胖
变频热泵系统供水温度/水蓄热型热泵系统蓄热温度/ °C
图2热泵系统年供暖耗电量
3..
年运行费用对比
不同供暖系统的年运行费用如图3所示。年
运行费用最大的是燃气锅炉，最小的是水蓄热型 热泵系统。对于热泵系统而言，虽然增加了蓄热
水箱会增加耗电量，但是利用低谷电价蓄热，因此
运行费用降低。
3.. 3 经济性指标对比
不同供暖系统的费用年值和寿命周期内投资
分别如图4和图5所示。可以看出，经济性从好到
差的系统依次为燃煤锅炉、水蓄热型热泵系统、变 频热泵系统和燃气锅炉。尽管燃煤锅炉的经济性
变频热泵系统供水温度/水蓄热型热泵系统蓄热温度/ °C
图3不同供暖系统的年运行费用
最好，但是燃煤锅炉会排放PM 2.5等污染物，即使 燃煤锅炉的污染物排放与散煤燃烧相比有所改
善，但还是无法从根本上解决污染问题［14］。
变频热泵系统供水温度/水蓄热型热泵系统蓄热温度/ °C
图4不同供暖系统费用年值对比
变频热泵系统供水温度/水蓄热型热泵系统蓄热温度/ °C
图5不同供暖系统寿命周期内的投资对比
对于热泵系统而言，当蓄热温度为50 C 时, 水蓄热型热泵系统的经济性要好于变频热泵系 统，且随着蓄热温度的升高，经济性差距增大。但 是蓄热温度从55 C 增加到60 C 时，水蓄热型热泵
系统的经济性指标不再改善，这是耗电量及运行
费用增加的缘故。另外，当蓄热温度超过60 C 时，当前使用R 410A 或R32的常规热泵机组已达 到运行能力输出上限，往往只能采用CO 2热泵系 统或复叠式系统才能保障高出水温度，造成初投
第2期王汝金等：蓄热温度对水蓄热型空气源热泵系统供暖经济性的影响・37・
资大幅增加，经济性下降明显.因此，对于水蓄热型热泵系统而言，基于初投资、机组性能、经济性指标等综合考虑，蓄热温度不宜过高.
4结论
1)随着蓄热温度的升高，蓄热水箱可以存储更多的热量，水箱所需容积和成本变小，相应的水蓄热型空气源热泵系统的初投资降低；采暖系统的初投资从大到小依次是：燃气锅炉、水蓄热型热泵系统、变频热泵系统、燃煤锅炉.
2)基于费用年值法和寿命周期内投资法分析，经济性从好到差的采暖系统依次是：燃煤锅炉、水蓄热型
热泵系统、变频热泵系统、燃气锅炉.由于燃煤锅炉的污染物排放量较大，不能作为替代方案；采用蓄热水箱后，空气源热泵系统的耗电量增加，但是基于峰谷电价，热泵系统的运行费用降低，具有较好的经济性，且优于变频热泵系统和燃气锅炉.
3)随着蓄热温度的提高，相对于变频热泵系统，水蓄热型空气源热泵系统的经济性越来越好，但是当蓄热温度过高时，初投资将大幅增加，且系统COP过低，导致耗电量、运行费用过高，运行经济性难以改善，因此蓄热温度不宜过高.
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