何怡枫
（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300074）
1 引言
我国传统的供热能源以煤炭、石油等化石燃料为主，因此，每年都需要消耗大量的煤炭和石油，并且会排放大量污染物，这是很多北方城市冬季空气质量不佳的重要原因之一。目前，随着我国环保政策推行以及能源结构的变化，供热行业开始逐步以新能源替代传统化石燃料。热泵供热方式以其节能、高效、清洁的特点被广泛应用于城市供热领域。当下使用较为广泛的热泵供热方式中，污水源热泵主要由污水处理厂提取热能；地源热泵主要以土壤作为蓄热体，将热量储存在土壤中；空气源热泵主要是提取室外空气中的热量。不同的热泵供热方式虽然都具有节能环保的特征，但在供热成本以及造价方面存在一定的差异，本文将对此进行深入研究。
2 热泵供热技术概述
热泵是一种能够从水源、土壤以及空气等介质中提取低品位热能，在电力做功条件下，将低品位热能转化为高品位热能的装置，其本质上属于一种热量提升装置[1]。热泵装置的作用在于可以从自然环境中提取热量，然后传递给供热对象，其基本运行原理和制冷机类似，都是按照逆卡诺循环运行，只是二者工作温度范围不同。热泵装置在运行时，其本身需要消耗较少的能量，以提取自然环境中的热量，然后通过传热工质循环将提取的低品位热能转化为高品位热能并加以利用，相较于热泵装置的输出功而言，其消耗功仅占一小部分，因此，采用热泵供热技术可以有效节约能源，相较于传统供热方式综合效益更高。以下介绍目前使用较为广泛的3种热泵的供热方式。
2.1 污水源热泵
污水源热泵主要是以城市产生的污水作为能量提取对象，通过热泵机组内部的物态循环变化，以消耗少量的电能为代价，实现供热或制冷效果的新型技术。污水源热泵的基本工作原理是通过热泵压缩机系统，在冬季消耗少量的电能提取污水当中的低品位热能，并利用热泵装置将其转化为高品位热能，然后为用户供热；在夏季则将室内热量提取出来，并利用热泵装置释放到污水中，以达到制冷效果。污水源热泵按照污水是否进入热泵装置中可以分为两种形式：（1）直接利用的方式，即热泵装置在提取污水中的热量后直接送达供热对象；（2）间接利用的方式，即先利用热交换器对污水进行热交换，然后由热泵装置提取热量输送至供热对象。
2.2 空气源热泵
空气源热泵主要利用空气中的热量，通过压缩机完成热量转移，装置构成相对简单，不需要专用机房以及换热系统，在实现供热目标的同时也能实现节能环保。空气源热泵由电动机驱动，基本运行原理是蒸汽压缩冷循环原理，主要从空气中换取热量，其主要设备包括电动机、压缩机以及换热设备等[2]。空气源热泵按照机组容量进行分类可以分为大型、中型以及小型机组3种类型；按照机组的组合形式进行分类可以分为模块化机组与整体机组两种。
2.3 地源热泵
地源热泵简单来说就是在地表浅层能源中加入少量高品位能源，从而使其转化为高品位热能的装置，其本质上属于热能提升装置，运行时仅需消耗少量电能，而其从环境介质当中所提取的热能至少是消耗电能的4倍以上，节能效果显著。地源热泵的主要构成包括3部分，分别是地源换热系统、热泵主机以及室内终端系统。目前，地源热泵是供热行业中应用最为广泛的热泵供热形式，其与节能空调系统的配合显著降低了建筑供热成本以及能源消耗。
3 不同热泵供热方式供热成本对比研究
目前，热泵供热技术发展衍生出多种供热方式，包括污水源热泵、空气源热泵、地源热泵等，本文以这3种热泵供热方式为研究对象，对比分析了3种热泵供热方式的供热成本。
以目前热泵技术发展应用情况来看，污水源热泵制热性能系数为3.0～4.0；空气源热泵制热性能系数为2.5～3.5，地源热泵制热性能系数为3.5～4.5，本文取三者制热性能的平均数：污水源热泵为3.5，空气源热泵为3.0，地源热泵为4.0。按照当前燃料的价格来看，天然气价格约为4.0元/m3；生物质燃料价格约为1.0元/kg；电价峰谷时期为0.69元/（kW·h），低谷时期为0.35元/（kW·h）。假设供热量在1 GJ时，参照上述数据，污水源热泵、空气源以及地源热泵供热方式的供热成本见表1。
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表1 不同热泵供热方式供热成本表
虽然不同热泵供热方式都是以消耗少量电能为代价，从环境介质中提取热量，经过热泵装置处理后为供热对象进行供热，都具备良好的节能环保性能，但是由于不同热泵的供热方式所采用的装置不同，制热性能系数存在差异，因此，在供热成本上也存在一定差异。由表1可知，在污水源热泵、空气源热泵以及地源热泵3种热泵供热方式中，以地源热泵的供热成本最低，1 GJ供热量的成本为43.65元；次之为污水源热泵，1 GJ供热量的供热成本为52.38元；空气源热泵供热成本最高，1 GJ供热量的供热成本为61.11元，三者之间差异较为明显。
空气源热泵供热成本偏高的主要原因是在气候较为寒冷的条件下，空气源热泵能效比大幅下降，这就导致当供热量需求较大时，空气源热泵制热量却不足，并且在寒冷气候条件下，空气源热泵可靠性相对较差，这在很大程度上增加了空气源热泵的供热成本。污水源热泵的供热成本高于地源热泵主要与污水利用方式有关，若污水源热泵机组采用的是直接利用的方式，则成本相对较低，但是这对于热泵系统蒸发器的性能要求较高，并且在运行过程中对机组影响较大，因此，直接利用的方式相对少见。而采用间接利用的方式，则需要先将污水经过热交换器进行热交换，然后才能完成供热，流程更为复杂，因此，必然导致供热成本增加。地源热泵供热成本较低的主要原因在于其制热性能系数较高，同时其能效比（COP值）可以达到4以上，即地源热泵机组单位耗能所能获取的能量可以达到耗能的4倍以上。相较于传统锅炉供热，地源热泵可以节省约70%的电能，相较于空气源热泵，地源热泵制热性能系数要高出40%以上。
4 不同热泵供热方式工程造价对比研究
由于不同热泵的供热方式所需设备类型以及安装施工工艺等方面存在差异，因此，其整体造价必然存在差异，为确保研究成果的可靠性与科学性，本文在某省范围内就污水源热泵、空气源热泵以及地源热泵3种供热方式分别选择2个项目，并尽可能地使其建造年份接近，以对比分析不同热泵供热方式的工程造价。表2为选取的热泵供热工程项目情况。
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表2 3种热泵供热工程项目情况表
1号项目的整体造价为95.2万元，单位供热面积造价为158.7元/m2；2号项目的整体造价为87.9万元，单位供热面积造价为175元/m2；3号项目的整体造价为125.9万元，单位供热面积造价为139.6元/m2；4号项目的整体造价为80万元，单位供热面积造价为133.4元/m2；5号项目的整体造价为411万元，单位供热面积造价为411元/m2；6号项目的整体造价为328万元，单位供热面积造价为401元/m2。
污水源热泵的工程造价主要包括3个方面：（1）设备费用。污水源热泵系统包括污水循环系统、中介循环系统以及末端循环系统3部分，主要设备有污水泵、中介泵、污水换热器、蒸发器、热泵机组以及末端泵等。（2）安装施工费用。包括人工费用、耗材以及工具器械购买或租赁费用。（3）系统维护成本。由于污水及地表水的水质条件较差，利用过程中又是开式循环，悬浮物和杂质迅速累积，因此，提取热量时需解决防堵、防垢及低能耗运行等一系列问题[3]。地源热泵的工程造价主要包括两方面费用：（1）是设备费用，包括室外地源换热系统装置、热泵主机以及室内终端系统装置；（2）安装施工费用，包括人工费用、耗材以及工具器械购买或租赁费用。空气源热泵的工程造价主要包括两方面：其一是设备费用，主要包括蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀以及热泵主机；其二是安装施工费用，包括人工费用、耗材以及工具器械购买或者租赁费用等。
从上述数据来看，同类型热泵供热方式单位供热面积造价成本比较接近，没有较为明显的差异，其中，以空气源热泵的工程造价最低，其单位供热面积造价最高为139.6元/m2，以污水源热泵的工程造价最高，其单位供热面积的工程造价最高为411元，这主要是由于污水源热泵需要增加防堵漏、防垢处理，并且后续运行维护费用较高；地源热泵的工程造价居中，其单位供热面积造价最高为175元。
5 结语
综上所述，不同热泵供热方式在供热成本以及工程造价方面存在显著差异，以当下技术条件来看，供热成本最低的是地源热泵，次之为污水源热泵，空气源热泵最高；工程造价最低的是空气源热泵，次之为地源热泵，最高的是污水源热泵。就综合效益而言，显然地源热泵最高，其供热成本最低，虽然工程造价并非最低，但随着使用年限增加，这一缺陷足以被弥补，这也符合当前地源热泵应用最为广泛的现状。从发展前景来看，空气源热泵前景广阔，主要是其可以从多种环境介质中提取热量，且COP值较高，节能效果显著；污水源热泵也具有一定发展前景，随着技术不断进步，其运行维护费用必然降低，因此，其综合效益必然会得到提升。
