北京豬舍空氣源熱泵供暖的可行性
王 華1,，易 路1,2,，吳中紅1，劉繼軍1,，王美芝1※
（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,，北京 100193；2. 重慶市巫山縣廟宇鎮(zhèn)人民政府,，重慶 404100）
隨著各界對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視,，豬場(chǎng)迫切需要找到低成本的節(jié)能減排供暖方式。該研究把空氣源熱泵（Air Source Heat Pump, ASHP）供暖系統(tǒng)安裝在豬舍里,，通過(guò)測(cè)量供回水溫度和能效比（Coefficient of Performance, COP）,，分別比較了ASHP供暖系統(tǒng)與直接電加熱系統(tǒng)的節(jié)能率，以及ASHP供暖系統(tǒng)與直接電加熱的電鍋爐,、管道天然氣和液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）的供暖運(yùn)行費(fèi)用,。結(jié)果表明：試驗(yàn)期間，在北京供暖期室外平均溫度為0.1 ℃時(shí),，ASHP系統(tǒng)的COP為2.86,。與直接電供暖相比，ASHP供暖系統(tǒng)節(jié)能率為66%。ASHP,、電鍋爐,、管道天然氣和LNG供暖運(yùn)行費(fèi)用單位能源價(jià)格分別為0.22、0.62,、0.34和0.37元/kW·h,。在豬舍供暖中，ASHP系統(tǒng)具有降低能耗與減少CO2排放的潛力,，是一種經(jīng)濟(jì),、清潔的可替代燃煤的供暖方式。
供暖,；COP,；豬舍；空氣源熱泵,；室內(nèi)溫度,；節(jié)能減排
0 引 言
中國(guó)政府加大了環(huán)境保護(hù)力度，制定了相關(guān)法規(guī),，例如“京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案”[1],。在中國(guó)北方地區(qū)煤炭被曾廣泛應(yīng)用于冬季采暖，但出于環(huán)?？紤],，自2017年起，中國(guó)北方地區(qū)開(kāi)展實(shí)施冬季清潔取暖重點(diǎn)工程,，全面禁止煤炭在冬季供暖中的使用,。為了降低冬季建筑物能耗指標(biāo)，減少建筑物運(yùn)行階段碳排放量,，人們不僅在工業(yè)和民用建筑領(lǐng)域,，同時(shí)還在畜舍中應(yīng)用了建筑節(jié)能措施。當(dāng)畜舍建筑保溫隔熱性能達(dá)到居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限定值后,，畜舍采用一條新的節(jié)能減排途徑就顯得尤為重要,。對(duì)于豬舍，特別是保育豬來(lái)說(shuō),，由于保育豬身體虛弱,，不能承受冷熱應(yīng)激，因此冬季豬舍仍需額外增加熱源供暖,，清潔可再生能源將是豬舍供暖的最佳選擇,。采用熱泵作為熱源系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)熱源的類(lèi)型,，熱泵系統(tǒng)可劃分為三類(lèi)：地源熱泵系統(tǒng),、空氣源熱泵系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)[2],。一些研究人員研究了地源熱泵在畜牧業(yè)中的應(yīng)用[3-4]，并觀察到一些局限性：第一點(diǎn)是地?zé)嵬顿Y費(fèi)用較高,；第二點(diǎn)是由于城市規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)等原因,，當(dāng)豬場(chǎng)搬遷時(shí)，地?zé)嵩O(shè)施難以拆除,，不適用于豬場(chǎng)應(yīng)用。同時(shí),，隨著地源熱泵的使用,，地下土壤中會(huì)出現(xiàn)冷熱堆積現(xiàn)象，從而影響地下土壤溫度場(chǎng)的熱平衡,，地下土壤溫度場(chǎng)長(zhǎng)期無(wú)法得到恢復(fù),，最終造成熱泵系統(tǒng)換熱效率大幅下降[5]。此外,，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)牡卦礋岜脮?huì)增加運(yùn)營(yíng)成本,，通常無(wú)法提供預(yù)期的減排效果[6]。水源熱泵同時(shí)被限制在北京及其周邊地區(qū)使用,。因此,，地源熱泵與水源熱泵系統(tǒng)不適用于這些地區(qū)的豬舍供暖。
空氣源熱泵是居住建筑供暖的一種選擇,，越來(lái)越多的地區(qū),，如歐盟、日本和中國(guó)將空氣源熱泵作為一種可再生能源系統(tǒng)[7],?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)提供的冷熱負(fù)荷大于其消耗的耗電量[8]，為緩解北京及周邊地區(qū)冬季燃煤排放造成的嚴(yán)重大氣污染問(wèn)題,，Le等[9]提出了一種基于空氣源熱泵的冬季空間供暖方案,。Zhang等[10]對(duì)低溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)與其它供熱方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。為提高北方農(nóng)村地區(qū)居民住宅空氣源熱泵系統(tǒng)COP,，Nie等[11]研究了空氣源熱泵的不同氫氟碳制冷劑,。在溫暖地區(qū)，由于采暖效果好,，冬季室外氣溫較高,，熱負(fù)荷較低，空氣源熱泵運(yùn)行平穩(wěn)高效[6,12],。當(dāng)室外空氣溫度持續(xù)幾個(gè)月遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)時(shí),，將顯著降低空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱能力[12]。然而,，其他研究表明低溫空氣源熱泵供熱系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的方式[10,13],?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)中末端系統(tǒng)形式多為風(fēng)機(jī)盤(pán)管或者地板輻射供暖[14]。輻射供暖系統(tǒng)因其節(jié)能潛力和較高的熱舒適性而在建筑中得到廣泛應(yīng)用[15],?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)末端采用地板輻射供暖的房間熱舒適性最好[16]。地板采暖是一種節(jié)能的顯熱采暖系統(tǒng),，適用于低能耗建筑,。為了節(jié)約能源，建筑保溫與利用可再生能源一起成為一種主導(dǎo)策略[17],。到目前為止,，還沒(méi)有關(guān)于空氣源熱泵在畜牧業(yè)中應(yīng)用的研究。一些地面供暖試驗(yàn)只關(guān)注仔豬的福利[18],。且室內(nèi)溫度一般取地面以上1.5 m處的溫度,，不是生豬生活區(qū)的實(shí)際溫度。
為了解空氣源熱泵在北京某豬舍的供暖效果及可行性,，本文對(duì)空氣源熱泵在豬舍地板輻射供暖中的應(yīng)用效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究,。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)房舍的基本情況
空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）供暖系統(tǒng)于2016年11月5日至14日建成,，并在2016年11月15日至2017年4月16日期間對(duì)其性能進(jìn)行了監(jiān)測(cè),。
在北京市順義區(qū)某保溫豬舍進(jìn)行了空氣源熱泵應(yīng)用效果試驗(yàn)。試驗(yàn)豬舍呈南北走向,，外圍尺寸長(zhǎng)42 m,，寬9.3 m。南墻,、北墻和東墻墻體厚度為0.37 m,，西墻墻體厚度為0.24 m，墻體外側(cè)均做90 mm擠塑聚苯板（B1級(jí)）作為外保溫,，檐口高度2.9 m,，雙坡屋頂材料為100 mm彩鋼夾芯板。豬舍有2個(gè)相通單元,，1個(gè)單元有7個(gè)豬欄（每個(gè)豬欄寬3 m,、長(zhǎng)7.5 m），且每個(gè)豬欄安裝長(zhǎng)2 m,、寬3 m的漏縫地板（條寬80 mm,、縫寬20 mm）。南北各有14個(gè)單層金屬框外窗（南13個(gè)2.00 m× 1.45 m,、1個(gè)1.15 m × 1.15 m,；北14個(gè)1.00 m × 0.80 m）；東有1個(gè)單層金屬框外窗（1.18 m×1.07 m）,；西有1個(gè)單層金屬框外窗（0.74 m×1.17 m）,。一個(gè)雙層金屬框西門(mén)（0.90 m× 1.77 m）,。豬舍通風(fēng)方式為自然通風(fēng)，改造前豬舍的供暖能源為煤,。為了評(píng)估空氣源熱泵系統(tǒng)在制熱量,、節(jié)能減排方面的可行性，分別將兩臺(tái)空氣源熱泵命名為ASHP1和ASHP2,，對(duì)試驗(yàn)豬舍進(jìn)行供暖,。供暖系統(tǒng)末端形式為地板輻射，飼養(yǎng)方式為地面（半漏縫地板）養(yǎng)殖,，空氣源熱泵-地板輻射供暖系統(tǒng)適用于水泥地面豬舍,，不適用于全漏縫地板豬舍。地暖管直徑為20 mm的PE-RT管,，在豬舍內(nèi)的布置為6進(jìn)6回,。
豬舍的兩個(gè)單元共有442頭仔豬,，仔豬的日齡為61 d,。2017年1月3日至2017年1月20日對(duì)豬舍環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，豬舍內(nèi)部環(huán)境測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1,、圖2,。溫濕度自動(dòng)記錄儀器型號(hào)為Apresys 179A-TH（測(cè)量范圍：0～100%和?40～100 ℃，測(cè)量誤差：精度±2%和±0.2 ℃,，分辨率0.01%RH,、0.01 ℃，艾普瑞（上海）精密光電有限公司）,，二氧化碳自記儀型號(hào)為EZY-1S（測(cè)量范圍：0～9 800 mg/m3,，測(cè)量誤差：精度±150 mg/m3，北京天建華儀科技發(fā)展有限公司）,。
2017年1月8日,，2單元的豬被運(yùn)出，1單元只飼養(yǎng)了194頭豬,。
1.2 空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)置
根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]（GB50736-2012）北京地區(qū)冬季采暖室外計(jì)算溫度為?7.6 ℃,，在此溫度下，豬舍供暖熱負(fù)荷為12.0 kW,，舍內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20 ℃,，考慮管網(wǎng)輸送效率，取安全系數(shù)為1.3,，則熱負(fù)荷需要配置15.6 kW,。采用低溫空氣源熱泵（WBC-19.5H-A-S（BC-L1））作為豬舍的試驗(yàn)加熱設(shè)備。
北京室外極端最低氣溫可達(dá)?15 ℃以下,，兩臺(tái)空氣源熱泵在干球溫度為?7 ℃時(shí)的制熱量為22.4 kW,，在干球溫度為?15 ℃時(shí)的制熱量為20.2 kW（設(shè)備廠參數(shù)）,。兩臺(tái)空氣源熱泵理論上滿足供熱負(fù)荷要求。兩臺(tái)空氣源熱泵對(duì)蓄熱容量約1 000 L的水箱中的水進(jìn)行加熱,，水箱中的熱水被水泵送至豬舍加熱,。當(dāng)水箱中的水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，空氣源熱泵（一個(gè)或兩個(gè)）通過(guò)ASHP1（空氣源熱泵ASHP1的水泵叫K1）或/和ASHP2（空氣源熱泵ASHP2的水泵叫K2）工作加熱循環(huán)系統(tǒng)中的水,，為水箱提供熱水,。當(dāng)水箱中的水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，空氣源熱泵將停止工作,，而水箱中的水仍將被水泵（系統(tǒng)泵,，K3）送以加熱豬舍?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)見(jiàn)圖3,。
1.3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)及試驗(yàn)器材
1.3.1 ASHP1、ASHP2和空氣源熱泵總供暖系統(tǒng)
為評(píng)價(jià)單臺(tái)空氣源熱泵和空氣源熱泵總系統(tǒng)（Gross System,，GS）的性能,，在空氣源熱泵總系統(tǒng)中的供回水管中設(shè)置6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)（T1～T6），以測(cè)量供回水溫度,。水溫由Pt100溫度傳感器（KZW/P-231,，測(cè)量范圍0～60 ℃，精度0.15 ℃,，允差值±1.5 ℃,，北京昆侖中大傳感器技術(shù)有限公司）監(jiān)測(cè)。設(shè)置三個(gè)循環(huán)水流量測(cè)點(diǎn),，分別用三個(gè)流量計(jì)L1,、L2及L3測(cè)量ASHP1、ASHP2和GS的水流量,。L1,、L2流量計(jì)型號(hào)為DMF-1-5-A科氏力質(zhì)量流量計(jì)(測(cè)量范圍：0～100 L/min，北京首科實(shí)華自動(dòng)化設(shè)備有限公司),，L3流量計(jì)型號(hào)為DMF-1-5-B科氏力質(zhì)量流量計(jì)(測(cè)量范圍：0～150 L/min,，北京首科實(shí)華自動(dòng)化設(shè)備有限公司)。所有水溫和水流量數(shù)據(jù)均由PLC系統(tǒng)顯示和記錄,。三臺(tái)電能記錄儀（RN1-DN,，精度電流0.5級(jí)，測(cè)量范圍AC220 V,、AC380 V,，分辨率0.01 kW·h，工作溫濕度?10～50 ℃,、≤93%RH,，上海瑞昕科技有限公司）分別監(jiān)測(cè)ASHP1,、ASHP2和GS的用電量，其儀器為電流表1（Ammeter1）,、電流表2（Ammeter2）,、總電流表（General ammeter）。試驗(yàn)系統(tǒng)圖與應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖4,。
1.3.2 空氣源熱泵同性能指標(biāo)
每隔1 min記錄ASHP1,、ASHP2和GS的性能指標(biāo)，包括耗電量,、回水流量,、供水和回水溫度。每隔5 min記錄一次室外溫度和相對(duì)濕度,。從數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)中記錄了三臺(tái)不同水泵的供水和回水溫度,、三臺(tái)不同水泵的水流量、單個(gè)空氣源熱泵和GS的用電量,。
1.4 空氣源熱泵COP計(jì)算方法
采用能效比（Coefficient of Performance, COP）對(duì)ASHP和GS的性能進(jìn)行了測(cè)試：
式中是單位時(shí)間內(nèi)的名義制熱量,，kW，表示單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)器所消耗的功率,，kW,。
1.5 空氣源熱泵與電鍋爐供暖的節(jié)能減排比較
直接電鍋爐供熱是替代燃煤供暖的另一種供熱方式,。直接電鍋爐的效率通常大于95%[20],。假設(shè)豬舍采用直接電鍋爐加熱，常規(guī)電鍋爐的熱效率為100%,，直接電鍋爐供暖的電能消耗將等于不計(jì)量系統(tǒng)水泵(K3)的GS供熱量,。可測(cè)量ASHP供暖系統(tǒng)的實(shí)際電能消耗,。針對(duì)各種熱水系統(tǒng)需要系統(tǒng)循環(huán)水的特點(diǎn),，可以比較了無(wú)系統(tǒng)水泵時(shí)，GS與直接電鍋爐的電能消耗,。因此,，與直接電鍋爐相比，ASHP的節(jié)能率可由式（2）計(jì)算得出,。
節(jié)能率=(EB?GS)/EB（2）
式中EB為直接電鍋爐加熱的用電量,，kW·h；GS為無(wú)系統(tǒng)泵GS的用電量,，kW·h,。
華北地區(qū)電網(wǎng)二氧化碳排放因子，每1 kW·h單位用電量產(chǎn)生0.547 kg二氧化碳排放量[21],。
與直接電鍋爐相比,，不帶系統(tǒng)水泵的GS的CO2減排量（kg）可用公式（3）計(jì)算,。
減排量=(EB?GS)×0.547 （3）
式中EB和GS的含義與式（2）相同，減排率與節(jié)能率相同,。
1.6 不同能源供暖運(yùn)行費(fèi)用分析
北京地區(qū)新建養(yǎng)豬場(chǎng)和既有養(yǎng)豬場(chǎng)冬季供暖主要采用電,、液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）或管道天然氣作為能源供應(yīng)主體。其中供熱系統(tǒng)形式分別為空氣源熱泵系統(tǒng),，電鍋爐系統(tǒng),，液化天然氣LNG和管道天然氣系統(tǒng)。供暖能源的選擇應(yīng)根據(jù)豬場(chǎng)所在區(qū)域的政策,、可利用能源種類(lèi),、能源價(jià)格、末端供暖方式等經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定,。因設(shè)備初期投資不方便估算,，本文不進(jìn)行設(shè)備固定資產(chǎn)投資的比較。本文主要分析采用不同供熱系統(tǒng)形式冬季供暖時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用,，為方便比較,，將采用電鍋爐、液化天然氣LNG和管道天然氣按照使用的能源價(jià)格折算為同一能源的單位價(jià)格,，即折算為“元/kW·h”,。液化天然氣LNG[22]和管道天然氣[23]使用的能源熱值分別按照31.4和39.6 MJ/kg（6個(gè)LNG實(shí)例實(shí)測(cè)值的平均）。北京地區(qū)豬場(chǎng)峰谷電價(jià)日平均值為0.62元/kW·h[24],。北京地區(qū)液化天然氣LNG和管道天然氣價(jià)格分別按照4.1元/kg（估計(jì)值,，隨市場(chǎng)起伏不定）和3.0元/m3（供暖天然氣價(jià)格2.54 元/m3，配氣價(jià)格0.46元/m3）[25],?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)耗電量根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。豬舍末端供暖方式不同,，供暖系統(tǒng)的熱效率也不同,，本文不討論豬舍末端供暖方式，統(tǒng)一假定電鍋爐供暖系統(tǒng),、管道天然氣和液化天然氣LNG供暖的熱效率均為100%,。
1.7 不確定性分析
試驗(yàn)不確定度分析是評(píng)價(jià)試驗(yàn)測(cè)量和結(jié)果的關(guān)鍵[26]?；诙鄠€(gè)自變量計(jì)算結(jié)果時(shí)產(chǎn)生的試驗(yàn)不確定性(W)：
式中結(jié)果是自變量1,，2，..,，x的給定函數(shù),，1，2，….,，W是自變量中的不確定性,。
1.8 統(tǒng)計(jì)分析
數(shù)據(jù)采用ANOVA統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的線性回歸分析(SPSS 21, Excel 2010)。結(jié)果以平均值±均值標(biāo)準(zhǔn)差表示,，<0.05 為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn),。
2 結(jié)果和分析
2.1 室內(nèi)外溫度、相對(duì)濕度和二氧化碳濃度
文獻(xiàn)[27]分析了2017年1月3日至2017年1月20日空氣源熱泵系統(tǒng)供暖期間室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)和空氣源熱泵地面供暖時(shí)豬舍內(nèi)不同高度的溫度分布規(guī)律,。未對(duì)舍內(nèi)二氧化碳濃度進(jìn)行詳細(xì)分析,。
圖5可以看出，2017年1月3日至2017年1月20日期間,，室外,、單元一和單元二CO2平均濃度分別為(785±253)、(4 239±2591)和(6 503±991)mg/m3,。豬舍內(nèi)部CO2濃度最高值出現(xiàn)于2017年1月7日數(shù)值為13 075 mg/m3,，1月7日受到暴雪影響舍內(nèi)氣窗關(guān)閉。供暖系統(tǒng)形式主要影響舍內(nèi)垂直方向溫度分布,，合理的末端系統(tǒng)形式有利于緩解舍內(nèi)垂直方向溫度分層現(xiàn)象,。精準(zhǔn)調(diào)控動(dòng)物活動(dòng)區(qū)微環(huán)境，弱化舍內(nèi)背景空間負(fù)荷的供暖系統(tǒng)形式,，有利于畜舍節(jié)能減排,。
通過(guò)對(duì)豬舍內(nèi)外環(huán)境指標(biāo)分析表明，該供暖方式基本能夠滿足仔豬對(duì)溫度,、空氣質(zhì)量的要求,。北京市采用空氣源熱泵地面地板輻射系統(tǒng)供暖基本可行,。
2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)供回水溫度
2016年12月20日至2017年4月16日（每10 min一次數(shù)據(jù)）,，供熱系統(tǒng)設(shè)定溫度被設(shè)定和更改14次，溫度設(shè)定從最低33 ℃到最高45 ℃。不同空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的供回水溫度如圖6所示,。
圖6結(jié)果表明，試驗(yàn)期間GS的平均供水溫度為(37.6±2.4) ℃,，平均回水溫度為(34.9±2.2) ℃,。ASHP2的平均供水溫度為(38.3±7.1) ℃，平均回水溫度為(31.0±9.0) ℃,。
2.3 空氣源熱泵供暖系統(tǒng)性能指標(biāo)
2.3.1 空氣源熱泵的運(yùn)行
2016年12月19日至2017年3月30日,，單個(gè)空氣源熱泵平均每天在各個(gè)時(shí)段1 h內(nèi)的平均運(yùn)行時(shí)間（102 d中每分鐘的數(shù)據(jù)），以及每天ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間之和如圖7所示,。
由圖7可以看出,，在24 h循環(huán)中，有16 h的ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)運(yùn)行時(shí)間總和超過(guò)60 min（61.1～66.7 min）。ASHP1和ASHP2在1 h內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間之和在每日基礎(chǔ)上少于60 min（46.7～58.7 min）的只有8 h,。因此,，每天約8 h只需一臺(tái)空氣源熱泵就可為豬舍供暖，一天約16 h需兩臺(tái)空氣源熱泵,。在整個(gè)供暖期間,，供暖系統(tǒng)主要由ASHP1工作。
2.3.2 不確定性分析
試驗(yàn)得到供水溫度,、回水溫度,、室內(nèi)溫度、室外溫度,、用電量,、水流量和COP的不確定度為0.10%～2.41%。與其他試驗(yàn)結(jié)果比較,，不確定度范圍為0.5%～12.2%,，均在可接受范圍內(nèi)[28]。
2.3.3 空氣源熱泵系統(tǒng)的COP分析
2016年12月19日至2017年4月3日,，記錄ASHP1,、ASHP2和GS每分鐘的用電量、供水溫度,、回水溫度和流量,。ASHP1、ASHP2,、GS原始數(shù)據(jù)量與有效數(shù)據(jù)量水溫度,、流量和室外溫度組成。如表1所示,。
表1 用于分析的數(shù)據(jù)量
將表1中按每1或5 min計(jì)算的有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為按每小時(shí)計(jì)算的數(shù)據(jù),。由于每種水暖系統(tǒng)都會(huì)有一臺(tái)供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵（系統(tǒng)泵），因此在計(jì)算無(wú)系統(tǒng)水泵的GS的COP時(shí),，從整個(gè)供暖系統(tǒng)的耗電量中減去供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電量（圖4中的K3）,。由于ASHP1溫度測(cè)量系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，本文沒(méi)有給出ASHP1的COP,。無(wú)系統(tǒng)水泵GS的COP與室外溫度的關(guān)系（每小時(shí)數(shù)據(jù)）和ASHP2的COP與室外溫度的關(guān)系（每小時(shí)數(shù)據(jù)）如圖8所示,。
圖8顯示，無(wú)水泵GS的COP和ASHP2的COP均隨室外溫度升高而增加,。在試驗(yàn)期間,，室外最低溫度為?14.5 ℃，此時(shí)無(wú)水泵GS和ASHP2的COP分別為（3.04±1.05）和（3.40±0.91）,。根據(jù)圖8中的回歸公式,，可以計(jì)算出無(wú)泵GS的COP和不同室外溫度下ASHP2的COP。北京地區(qū)冬季采暖期室外平均溫度為0.1 ℃，無(wú)水泵GS的COP為2.86,，ASHP2的COP為3.21,。
室外冷空氣在空氣源熱泵蒸發(fā)器翅片表面結(jié)霜將影響空氣源熱泵系統(tǒng)的換熱效率。當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度為27%～37%時(shí)[13],，蒸發(fā)器表面冷空氣露點(diǎn)溫度較低,，不宜結(jié)霜，同時(shí)伴隨著空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,，蒸發(fā)器表面除霜的相關(guān)設(shè)備得到相應(yīng)研發(fā),，為蒸發(fā)器表面結(jié)霜問(wèn)題提供了技術(shù)支撐。研究表明,，當(dāng)室外空氣溫度從?4.0 ℃上升到10.0 ℃時(shí),，采用新型輻射對(duì)流供暖終端并與ASHP系統(tǒng)耦合時(shí)，ASHP的COP呈線性上升,，上升率為0.04%[29],。根據(jù)文獻(xiàn)[30]表明，當(dāng)室外溫度為0 ℃時(shí),，空氣源熱泵的COP約為2.4,；當(dāng)室外溫度為?10 ℃，供水溫度為45 ℃時(shí),，空氣源熱泵的COP約為1.92,。北京地區(qū)空氣源熱泵系統(tǒng)為豬舍供暖具有可行性。
2.4 空氣源熱泵的節(jié)能減排量
根據(jù)無(wú)水泵GS的耗電量,、直接電鍋爐的耗電量計(jì)算系統(tǒng)節(jié)能率,。無(wú)水泵GS的平均耗電量為（4.35±2.02）kW·h（實(shí)測(cè)），無(wú)水泵GS的平均供熱量為（11.79±3.33）kW（實(shí)測(cè)）,，直接電鍋爐的耗電量為（11.79±3.33）kW·h（理論計(jì)算）,。與直接電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，GS無(wú)水泵供熱系統(tǒng)平均每小時(shí)節(jié)能64%±10%,。
2016年12月20日至2017年4月3日,，根據(jù)無(wú)水泵GS的有效用電量數(shù)據(jù)和有效供熱量數(shù)據(jù)，無(wú)水泵GS的總用電量為7 997.7 kW·h,，電鍋爐供熱系統(tǒng)理論計(jì)算總耗電量為23 785.1 kW·h,。與直接電鍋爐供熱系統(tǒng)相比，空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能率約為66%,。根據(jù)有效數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期內(nèi)CO2減排量為8 636 kg,。
2.5 不同能源運(yùn)行費(fèi)用分析
在禁止燃煤供暖形勢(shì)下,，北京地區(qū)豬場(chǎng)采用空氣源熱泵、電鍋爐、管道天然氣和液化天然氣LNG供暖的運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表2,。
表2 北京地區(qū)豬場(chǎng)不同能源供暖時(shí)的單位能源價(jià)格
注：空氣源熱泵北京地區(qū)供暖期平均COP=2.86,。
Note: The average COP of air source heat pump during heating period in Beijing area is 2.86.
由表2可知，在北京地區(qū)及現(xiàn)有能源價(jià)格體系情況下,，空氣源熱泵系統(tǒng)的供暖運(yùn)行費(fèi)用最低（0.22元/kW·h）,，電鍋爐的供暖費(fèi)用最高（0.62元/kW·h），液化天然氣LNG與管道天然氣供暖的運(yùn)行費(fèi)用分別為0.37和0.34元/kW·h）,，但從運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性比較,，空氣源熱泵供暖為首選供暖方式。但是,，空氣源熱泵供暖時(shí),，豬舍末端系統(tǒng)形式一般匹配地板輻射供暖，而該種豬舍末端供暖方式和地面養(yǎng)豬相對(duì)應(yīng),，即豬舍內(nèi)采用部分漏縫地板部分水泥實(shí)體地面養(yǎng)殖時(shí),，供暖系統(tǒng)末端系統(tǒng)形式可以配置地板輻射供暖，熱源選擇空氣源熱泵,。對(duì)于采用全漏縫地板的豬舍,，一般豬舍末端供暖方式采用熱風(fēng)供暖，熱風(fēng)供暖一般不適宜采用空氣源熱泵熱水地面供暖,，豬舍內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖時(shí),，也可以選擇空氣源熱泵供暖。電鍋爐,、管道天然氣和液化天然氣LNG都可以用于全漏縫地板豬舍熱風(fēng)或熱水供暖,。
3 結(jié) 論
1）北京地區(qū)供暖期室外平均溫度為0.1 ℃時(shí)，空氣源熱泵系統(tǒng)能效比為2.86,。
2）空氣源熱泵系統(tǒng)與電鍋爐供暖系統(tǒng)相比,，空氣源熱泵的節(jié)能率約為66%，試驗(yàn)豬舍試驗(yàn)期間CO2減排量為8 636 kg,。
3）在北京地區(qū)及現(xiàn)有能源價(jià)格體系情況下,，空氣源熱泵系統(tǒng)的供暖運(yùn)行費(fèi)用最低（0.22 元/kW·h），電鍋爐的供暖費(fèi)用最高（0.62 元/kW·h）,，液化天然氣與管道天然氣供暖的運(yùn)行費(fèi)用分別為0.37和0.34元/kW·h,。
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Feasibility of the air source heat pump system for heating swine houses in Beijing
Wang Hua1, Yi Lu1,2, Wu Zhonghong1, Liu Jijun1, Wang Meizhi1※
(1,,100193,; 2,,404100,)
Coal has been widely used in many aspects in northern China. Nevertheless, urgent environmental protection has been required to prohibit the coal combustion for the heating source in winter since 2017. The application of clean energy has been the key issue need to be solved in recent years, particularly on the energy consumption of buildings. Air source heat pump (ASHP) as a piece of clean energy equipment has widely been used in civil and industrial buildings. But there is no application of ASHP in swine houses. It is an urgent need to conserve energy and reduce pollution emissions. In this study, an investigation of ASHP was carried out in the swine houses of Shunyi District, Beijing. The experimental size of the swine houses was 42 m long and 9.3 m wide. The ASHP heating system was installed in a swine barn. There were 6 pipes to supply water, and other 6 pipes to return water for the heating floor. The monitoring period was selected for the equipment performance: November 20th, 2016-April 16th, 2017. The first stage (January 3rd, 2017-January 8th, 2017): swine houses with pig test (two units). The second stage (January 9th, 2017-January 20th, 2017): swine houses with no pig test. The energy-saving rate of ASHP and direct electric heating systems were compared to measure the Coefficient of Performance (COP). ASHP, direct electric heating, Liquefied Natural Gas (LNG), and natural gas heating were compared by the unit energy operating price. The average supply water and return water temperature of ASHP was also measured. The results showed that the COP of the ASHP system was 2.86 when the average outdoor temperature was 0.1 ℃ during the heating period. The energy-saving rate of ASHP was 66%, compared with direct electric heating. The unit energy operating prices of ASHP, LNG, Natural Gas, direct electric, and ASHP were 0.62, 0.34, 0.37, and 0.64 yuan/ kW·h, respectively. The CO2emission was reduced by 8 636 kg during the experiment. The average supply water temperature and return water temperature of ASHP were (37.6±2.4) and (34.9±2.2) ℃, respectively. ASHP heating system presented the potential to reduce energy consumption and CO2emission, serving as an economical and clean alternative energy source for pig barns heating. Consequently, the air source heat pump system is suitable for swine houses with solid floors, but not with fully slatted floors.
heating; coefficient of performance; pig house; air source heat pump; indoor temperature; energy saving and emission reduction
王華，易路,，吳中紅,，等. 北京豬舍空氣源熱泵供暖的可行性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021,，37(19)：236-242.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027 http://www.tcsae.org
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2021-06-09
2021-09-15
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目-特色地方豬高效安全養(yǎng)殖技術(shù)應(yīng)用與示范（2018YFD0501200）,；生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（BAIC02-2021）
王華，博士生,，研究方向?yàn)樾竽凉こ膛c畜牧環(huán)境,。Email：[email protected]
王美芝，副教授,，博士生導(dǎo)師,，研究方向?yàn)樾竽凉こ膛c畜牧環(huán)境。Email：[email protected]
10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027
S817.3
A
1002-6819(2021)-19-0236-07
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