北京建筑大学  高英博  李德英

       【摘  要】通过对“煤改电”工程的背景和发展现状的总结，和对空气源热泵相对于其他供热设备的技术性经济性分析，指出了在北方“煤改电”工程中空气源热泵所具有的独特优势。同时，结合已经完成的“煤改电”工程，分析指出了在下一阶段“煤改电”工程可以应用的新技术和需要解决的问题。

       【关键词】“煤改电”工程；热泵技术；供热改造；太阳能供暖

       早至2001年，北京市政府就开始推进了居民供热“煤改清洁能源”工程，也就是习惯上所说的“煤改电”工程。^[1]“煤改电”工程之初，主要采用直热式电供热、蓄热式电供热等电热设施的直接利用阶段。经过一段时间的实际应用和理论论证后，2017年起，北京市全面禁止推广使用直热式电供热设备，限制使用蓄能式电暖器，推广使用能效比（COP值）较高的空气源热泵、地源热泵和高能效低排放的燃气供热设备。本文结合北方地区“煤改电”工程的背景及发展现状，分析论述热泵技术在“煤改电”工程中的优势，并对未来“煤改电”工程可应用的新技术做出展望。

1 “煤改电”工程的背景

       在我国北方的大片农村地区，居民冬季取暖普遍使用燃煤炉，通过直接燃烧煤炭等化石燃料，将其中的化学能转化为热能直接加热空气以实现取暖的效果。即便是在条件稍好的地区，也不过是使用小型燃煤锅炉结合暖气片或地暖等供热末端设备来进行冬季的取暖。采用这两种方式，都会给我国北方冬季带来严重的空气污染问题，燃煤取暖已经成为我国北方地区冬季大气污染的一个重要污染源。为治理大气污染，国家在2013年两会后出台了“国家大气污染防治规划”，各地区也陆续出台了大气污染防治规划^[2]。北京市于2014年3月1日出台了“大气污染防治条例”与对应的规划等一系列措施。根据北京市的大气污染防治规划，在能源结构方面北京市制定了未来到2020年能源结构调整战略，其中以“煤改电”工程最为引人注目，引发了全社会的关注。

       “煤改电”工程的实质就是放弃北方传统的使用燃煤取暖的冬季采暖方式，转而利用电设备进行冬季的供热采暖。“煤改电”工程目前经历了两个阶段，即直接利用电热设施取暖的阶段，和以利用热泵技术为代表的供热阶段。在利用电热设施直接取暖的阶段，虽然电供热也属于清洁供热，没有污染的问题。但是，电供暖的一次能源利用率低，它以消耗更多的燃煤为代价来实现清洁供暖的目的，虽然清洁但不节能。同时居民供热的用电量急剧上升，供热成本高昂，加重了居民的供暖负担。而以热泵技术为代表的第二阶段，在实现清洁供暖的同时，兼顾了节能，通过较高的供热效率，降低了居民的供暖负担。通过推动“煤改电”工程，大大缓解了北方供暖季的空气污染问题，同时也能够显著改善集中居民区的空气质量。利用热泵技术，“煤改电”工程在实现显著的节能减排效果的同时，也保证了北方居民的生活质量，因此具有广阔的发展前景。

2 “煤改电”工程的发展现状

       随着2013年“国家大气污染防治规划”的出台，各省市地区也陆续出台了大气污染防治规划，并建立了“煤改电”工程试点，从而实现利用电供暖设备逐步替代传统燃煤设备的目标。截止到2017年，我国北方冬季供热的“煤改电”工程已经得到了北京、天津、河北、河南、山东、山西等15个省份的明文支持。其中尤其是在北京地区，冬季供热“煤改电”工程已经进入了收尾期，并达到了良好的预期效果。根据中国环境保护部的数据，2017年北京市的空气质量达标天数相较2013年增加了50天^[3]，重污染天数减少了33天。整个京津冀地区的空气质量也取得了明显的改善，2017年京津冀PM2.5平均浓度为64微克每立方米，相较于2013年下降了39.6％。可以看出，利用热泵技术的“煤改电”工程较好的实现了清洁供热的政策预期，可尽快在更多的适宜地区加以推广应用。

3 热泵技术在“煤改电”工程中的优势

       3.1 热泵技术的原理

       热泵是一种能够在较低温度下利用蕴含在自然中的大量能源，并将其转化到较高温度，从而向用户提供有用热量的装置。其本质上是一种热量提升装置。热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过压缩机或发生器做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。热泵具有节能环保、可冷热联供、安装方便、运行可靠等优点，在集中供热不容易覆盖的乡镇及农村建筑中，有广泛的应用前景。

       根据冷热源的不同一般可以将热泵分为水源热泵、地源热泵和空气源热泵^[4]。水源热泵是利用水中所储藏的低品味热能，经过压缩机做工实现提取热量用于供暖的设备。然而由于北方地区水资源较为稀缺，因此水源热泵并不适合在北方“煤改电”工程中进行应用。地源热泵技术是以土地为热源对建筑物进行供热或制冷的技术，通过热泵将土地中的低品位热能提升以实现供暖或制冷的目的。由于地源热泵需要满足冬夏两季向土地取热量和排热量之间的平衡，技术要求较高，因此限制了地源热泵在“煤改电”工程中的发展。空气源热泵以空气作为低品位热源，以电能驱动压缩机做工实现提取低品位热量用于供暖的设备。相较于水源热泵和地源热泵，空气源热泵具有技术可靠、运行稳定、方便改造、投资较小等优点，因此得以在北方“煤改电”工程中得以大量应用。

       3.2 热泵技术在“煤改电”工程中的优势

       空气源热泵由于具有经济、清洁、安全、高效等一系列优点，因此相对于传统供热方式，空气源热泵是“煤改电”工程中最佳的选择之一。相对于燃煤锅炉、电热锅炉、燃气锅炉和燃油锅炉等设备，空气源热泵在热效率、供热费用、使用寿命、维护费用、环境污染和安全性等各方面，均具有十分明显的优势^[5]。

       除了技术性优势之外，空气源热泵同样具有可观的经济性优势。下面以冬季供热加热热水水温从5℃到45℃（温升40℃）为例，每吨热水所需加热量为168,000kJ（取水的比热容为4.2kJ/kg），在20℃干球温度工况下，对各种供热设备的经济性进行分析。

       燃煤锅炉热效率约为93％，标准煤热值约为293,000kJ/kg，当前煤炭价格约为700元每吨。经计算可得，使用燃煤锅炉供热，产生每吨热水的费用约为4.3元。

       电热锅炉热效率约为95％，电能的热值约为3600kJ/kWh，当前居民用电价格约为0.5元每千瓦时。经计算可得，使用电热锅炉供热，产生每吨热水的费用约为24.5元。

       燃气锅炉热效率约为90％，天然气的热值约为36,000kJ/m³，当前居民用天然气价格约为2.3元每立方米。经计算可得，使用燃气锅炉供热，产生每吨热水的费用约为11.9元。

       燃油锅炉热效率约为90％，燃油热值约为42,696kJ/L，当前燃油价格约为7元每升。经计算可得，使用燃油锅炉供热，产生每吨热水的费用约为30.6元。

       空气源热泵热效率可达420％，电能的热值约为3600kJ/kWh，当前居民用电价格约为0.5元每千瓦时。经计算可得，使用空气源热泵供热，产生每吨热水的费用约为5.6元。

       通过以上计算对比可以看出，使用空气源热泵供热具有明显的经济性优势，在保证环保的同时，可明显降低使用时的运行成本，降低居民的供热负担。

4 “煤改电”工程中的问题与展望

       空气源热泵依靠节能环保、结构简单、运行可靠、方便维护、无需机房、初期投资少，比较适合小型工程或改造工程等优点，成为了各省市地区“煤改电”工程中主要推广的技术。利用空气源热泵技术，北方“煤改电”工程不仅减少了空气污染，改善了居民的生活环境，同时也降低了居民供热负担。但是同时，以空气源热泵技术为主的“煤改电”工程仍面临一些问题以待解决，从而取得更好的效果。

       以北京为例，北京在我国属于典型的夏热冬冷地区，空气源热泵在冬季极端天气影响时，会出现节能效果不明显、加热效果不理想，运行不稳定、易出现结霜现象等问题。

       针对此问题，结合北方的气候特点，可以考虑将空气源热泵技术与太阳能系统相结合^[6]。我国北方地区冬季多为晴朗天气，具有很广阔的太阳能利用潜力。但是太阳能资源的利用面临着天气和气温等因素的制约，太阳能供热系统无法保证全天的稳定运行。将空气源热泵热水机组与太阳能热水器相结合既可以解决太阳能系统全体运行的问题，也可以提高空气源热泵的运行稳定性。同时，“煤改电”工程多在乡镇农村地区，建筑屋顶有足够的空间安装太阳能系统，也不存在破坏城市景观等问题。因此，在未来的“煤改电”工程中，因地制宜的将空气源热泵技术与太阳能系统相结合，具有可观的发展空间。

       在“煤改电”工程进行中，普遍存在供热末端仍为铸铁暖气片的现象^[7]，老化严重且配比不合理，造成了整体的供热效率低供热效果差。同时，“煤改电”工程主要针对供热设备进行改造，忽视了房屋的保温性改造，大多数居民房屋墙体保温隔热性差，门窗密闭性差，使整栋房屋散热量大，最终造成了屋内供热效果不理想的结果。因此在下一阶段的“煤改电”工程中，要在对供热设备进行改造的同时，重视供热末端的改造和房屋围护结构的保温性改造，以更好的实现提高居民舒适度、降低能源消耗的目的。

5 结语

       本文通过对“煤改电”工程现状进行总结，并将空气源热泵和其他供热设备进行对比分析，指出了在北方“煤改电”工程中空气源热泵具有的明显的技术性和经济性优势，适宜在北方居民建筑“煤改电”工程中推广应用。同时，结合已经完成的“煤改电”工程，分析指出了在下一阶段“煤改电”工程可以应用的新技术。并分析得出了“煤改电”工程中存在的一些问题，如供热末端设备陈旧、房屋围护结构保温性差等，需要在下一阶段的“煤改电”工程中解决。尽管现阶段仍存在一些问题，但空气源热泵技术应用于北方“煤改电”工程已经取得了良好的成果。在未来的“煤改电”工程中，空气源热泵技术仍将作为主要技术手段，发挥不可替代的作用。

参考文献：

       [1] 李煜.“煤改电”工程的环境影响[J]. 环境与生活, 2014(6): 102-103.
       [2] 国家发展改革委,能源生产和消费革命战略（2016-2030）,发改基础〔2016〕2795号, 2016.12.29;
       [3] 邢有凯.北京市“煤改电”工程对大气污染物和温室气体的协同减排效果核算[C] 2016中国环境科学学会学术年会论文集,海口,2016,3:3186-3191.
       [4] 李素花，代宝民，马一太.空气源热泵的发展及现状分析[J].制冷技术，2014，（01）:42-48.
       [5] 王天舒.节能型太阳能空气源热泵多功能机研究［J］．价值工程，2018（7）131-133
       [6] 张帅，胡文举，李德英，等．空气源热泵—散热器供暖系统用于北京地区某农村住宅的实测分析［J］．暖通空调，2015(8):79，80-83．

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。