北京猪舍空气源热泵供暖的可行性

王 华1，易 路1,2，吴中红1，刘继军1，王美芝1※

（1. 中国农业大学动物科技学院，北京 100193；2. 重庆市巫山县庙宇镇人民政府，重庆 404100）

随着各界对环境保护的重视，猪场迫切需要找到低成本的节能减排供暖方式。该研究把空气源热泵（Air Source Heat Pump, ASHP）供暖系统安装在猪舍里，通过测量供回水温度和能效比（Coefficient of Performance, COP），分别比较了ASHP供暖系统与直接电加热系统的节能率，以及ASHP供暖系统与直接电加热的电锅炉、管道天然气和液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）的供暖运行费用。结果表明：试验期间，在北京供暖期室外平均温度为0.1 ℃时，ASHP系统的COP为2.86。与直接电供暖相比，ASHP供暖系统节能率为66%。ASHP、电锅炉、管道天然气和LNG供暖运行费用单位能源价格分别为0.22、0.62、0.34和0.37元/kW·h。在猪舍供暖中，ASHP系统具有降低能耗与减少CO2排放的潜力，是一种经济、清洁的可替代燃煤的供暖方式。

供暖；COP；猪舍；空气源热泵；室内温度；节能减排

0 引 言

中国政府加大了环境保护力度，制定了相关法规，例如“京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案”[1]。在中国北方地区煤炭被曾广泛应用于冬季采暖，但出于环保考虑，自2017年起，中国北方地区开展实施冬季清洁取暖重点工程，全面禁止煤炭在冬季供暖中的使用。为了降低冬季建筑物能耗指标，减少建筑物运行阶段碳排放量，人们不仅在工业和民用建筑领域，同时还在畜舍中应用了建筑节能措施。当畜舍建筑保温隔热性能达到居住建筑节能设计标准限定值后，畜舍采用一条新的节能减排途径就显得尤为重要。对于猪舍，特别是保育猪来说，由于保育猪身体虚弱，不能承受冷热应激，因此冬季猪舍仍需额外增加热源供暖，清洁可再生能源将是猪舍供暖的最佳选择。采用热泵作为热源系统时，根据热源的类型，热泵系统可划分为三类：地源热泵系统、空气源热泵系统和水源热泵系统[2]。一些研究人员研究了地源热泵在畜牧业中的应用[3-4]，并观察到一些局限性：第一点是地热投资费用较高；第二点是由于城市规划和环境保护等原因，当猪场搬迁时，地热设施难以拆除，不适用于猪场应用。同时，随着地源热泵的使用，地下土壤中会出现冷热堆积现象，从而影响地下土壤温度场的热平衡，地下土壤温度场长期无法得到恢复，最终造成热泵系统换热效率大幅下降[5]。此外，设计不当的地源热泵会增加运营成本，通常无法提供预期的减排效果[6]。水源热泵同时被限制在北京及其周边地区使用。因此，地源热泵与水源热泵系统不适用于这些地区的猪舍供暖。

空气源热泵是居住建筑供暖的一种选择，越来越多的地区，如欧盟、日本和中国将空气源热泵作为一种可再生能源系统[7]。空气源热泵系统提供的冷热负荷大于其消耗的耗电量[8]，为缓解北京及周边地区冬季燃煤排放造成的严重大气污染问题，Le等[9]提出了一种基于空气源热泵的冬季空间供暖方案。Zhang等[10]对低温空气源热泵供热系统与其它供热方式进行了技术经济比较。为提高北方农村地区居民住宅空气源热泵系统COP，Nie等[11]研究了空气源热泵的不同氢氟碳制冷剂。在温暖地区，由于采暖效果好，冬季室外气温较高，热负荷较低，空气源热泵运行平稳高效[6,12]。当室外空气温度持续几个月远低于冰点时，将显著降低空气源热泵系统的制热能力[12]。然而，其他研究表明低温空气源热泵供热系统是最经济的方式[10,13]。空气源热泵系统中末端系统形式多为风机盘管或者地板辐射供暖[14]。辐射供暖系统因其节能潜力和较高的热舒适性而在建筑中得到广泛应用[15]。空气源热泵系统末端采用地板辐射供暖的房间热舒适性最好[16]。地板采暖是一种节能的显热采暖系统，适用于低能耗建筑。为了节约能源，建筑保温与利用可再生能源一起成为一种主导策略[17]。到目前为止，还没有关于空气源热泵在畜牧业中应用的研究。一些地面供暖试验只关注仔猪的福利[18]。且室内温度一般取地面以上1.5 m处的温度，不是生猪生活区的实际温度。

为了解空气源热泵在北京某猪舍的供暖效果及可行性，本文对空气源热泵在猪舍地板辐射供暖中的应用效果进行了试验研究。

1 材料与方法

1.1 试验房舍的基本情况

空气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）供暖系统于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日期间对其性能进行了监测。

在北京市顺义区某保温猪舍进行了空气源热泵应用效果试验。试验猪舍呈南北走向，外围尺寸长42 m，宽9.3 m。南墙、北墙和东墙墙体厚度为0.37 m，西墙墙体厚度为0.24 m，墙体外侧均做90 mm挤塑聚苯板（B1级）作为外保温，檐口高度2.9 m，双坡屋顶材料为100 mm彩钢夹芯板。猪舍有2个相通单元，1个单元有7个猪栏（每个猪栏宽3 m、长7.5 m），且每个猪栏安装长2 m、宽3 m的漏缝地板（条宽80 mm、缝宽20 mm）。南北各有14个单层金属框外窗（南13个2.00 m× 1.45 m、1个1.15 m × 1.15 m；北14个1.00 m × 0.80 m）；东有1个单层金属框外窗（1.18 m×1.07 m）；西有1个单层金属框外窗（0.74 m×1.17 m）。一个双层金属框西门（0.90 m× 1.77 m）。猪舍通风方式为自然通风，改造前猪舍的供暖能源为煤。为了评估空气源热泵系统在制热量、节能减排方面的可行性，分别将两台空气源热泵命名为ASHP1和ASHP2，对试验猪舍进行供暖。供暖系统末端形式为地板辐射，饲养方式为地面（半漏缝地板）养殖，空气源热泵-地板辐射供暖系统适用于水泥地面猪舍，不适用于全漏缝地板猪舍。地暖管直径为20 mm的PE-RT管，在猪舍内的布置为6进6回。

猪舍的两个单元共有442头仔猪，仔猪的日龄为61 d。2017年1月3日至2017年1月20日对猪舍环境指标进行监测，猪舍内部环境测点见图1、图2。温湿度自动记录仪器型号为Apresys 179A-TH（测量范围：0～100%和−40～100 ℃，测量误差：精度±2%和±0.2 ℃，分辨率0.01%RH、0.01 ℃，艾普瑞（上海）精密光电有限公司），二氧化碳自记仪型号为EZY-1S（测量范围：0～9 800 mg/m³，测量误差：精度±150 mg/m³，北京天建华仪科技发展有限公司）。

2017年1月8日，2单元的猪被运出，1单元只饲养了194头猪。

1.2 空气源热泵系统设置

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[19]（GB50736-2012）北京地区冬季采暖室外计算温度为−7.6 ℃，在此温度下，猪舍供暖热负荷为12.0 kW，舍内设计温度20 ℃，考虑管网输送效率，取安全系数为1.3，则热负荷需要配置15.6 kW。采用低温空气源热泵（WBC-19.5H-A-S（BC-L1））作为猪舍的试验加热设备。

北京室外极端最低气温可达−15 ℃以下，两台空气源热泵在干球温度为−7 ℃时的制热量为22.4 kW，在干球温度为−15 ℃时的制热量为20.2 kW（设备厂参数）。两台空气源热泵理论上满足供热负荷要求。两台空气源热泵对蓄热容量约1 000 L的水箱中的水进行加热，水箱中的热水被水泵送至猪舍加热。当水箱中的水温低于设定温度时，空气源热泵（一个或两个）通过ASHP1（空气源热泵ASHP1的水泵叫K1）或/和ASHP2（空气源热泵ASHP2的水泵叫K2）工作加热循环系统中的水，为水箱提供热水。当水箱中的水温高于设定温度时，空气源热泵将停止工作，而水箱中的水仍将被水泵（系统泵，K3）送以加热猪舍。空气源热泵系统见图3。

1.3 空气源热泵供暖系统测点及试验器材

1.3.1 ASHP1、ASHP2和空气源热泵总供暖系统

为评价单台空气源热泵和空气源热泵总系统（Gross System，GS）的性能，在空气源热泵总系统中的供回水管中设置6个温度测点（T1～T6），以测量供回水温度。水温由Pt100温度传感器（KZW/P-231，测量范围0～60 ℃，精度0.15 ℃，允差值±1.5 ℃，北京昆仑中大传感器技术有限公司）监测。设置三个循环水流量测点，分别用三个流量计L1、L2及L3测量ASHP1、ASHP2和GS的水流量。L1、L2流量计型号为DMF-1-5-A科氏力质量流量计(测量范围：0～100 L/min，北京首科实华自动化设备有限公司)，L3流量计型号为DMF-1-5-B科氏力质量流量计(测量范围：0～150 L/min，北京首科实华自动化设备有限公司)。所有水温和水流量数据均由PLC系统显示和记录。三台电能记录仪（RN1-DN，精度电流0.5级，测量范围AC220 V、AC380 V，分辨率0.01 kW·h，工作温湿度−10～50 ℃、≤93%RH，上海瑞昕科技有限公司）分别监测ASHP1、ASHP2和GS的用电量，其仪器为电流表1（Ammeter1）、电流表2（Ammeter2）、总电流表（General ammeter）。试验系统图与应测点位置见图4。

1.3.2 空气源热泵同性能指标

每隔1 min记录ASHP1、ASHP2和GS的性能指标，包括耗电量、回水流量、供水和回水温度。每隔5 min记录一次室外温度和相对湿度。从数据记录器系统中记录了三台不同水泵的供水和回水温度、三台不同水泵的水流量、单个空气源热泵和GS的用电量。

1.4 空气源热泵COP计算方法

采用能效比（Coefficient of Performance, COP）对ASHP和GS的性能进行了测试：

式中是单位时间内的名义制热量，kW，表示单位时间内空调器所消耗的功率，kW。

1.5 空气源热泵与电锅炉供暖的节能减排比较

直接电锅炉供热是替代燃煤供暖的另一种供热方式。直接电锅炉的效率通常大于95%[20]。假设猪舍采用直接电锅炉加热，常规电锅炉的热效率为100%，直接电锅炉供暖的电能消耗将等于不计量系统水泵(K3)的GS供热量。可测量ASHP供暖系统的实际电能消耗。针对各种热水系统需要系统循环水的特点，可以比较了无系统水泵时，GS与直接电锅炉的电能消耗。因此，与直接电锅炉相比，ASHP的节能率可由式（2）计算得出。

节能率=(EB−GS)/EB（2）

式中EB为直接电锅炉加热的用电量，kW·h；GS为无系统泵GS的用电量，kW·h。

华北地区电网二氧化碳排放因子，每1 kW·h单位用电量产生0.547 kg二氧化碳排放量[21]。

与直接电锅炉相比，不带系统水泵的GS的CO2减排量（kg）可用公式（3）计算。

减排量=(EB−GS)×0.547 （3）

式中EB和GS的含义与式（2）相同，减排率与节能率相同。

1.6 不同能源供暖运行费用分析

北京地区新建养猪场和既有养猪场冬季供暖主要采用电、液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）或管道天然气作为能源供应主体。其中供热系统形式分别为空气源热泵系统，电锅炉系统，液化天然气LNG和管道天然气系统。供暖能源的选择应根据猪场所在区域的政策、可利用能源种类、能源价格、末端供暖方式等经过经济技术比较确定。因设备初期投资不方便估算，本文不进行设备固定资产投资的比较。本文主要分析采用不同供热系统形式冬季供暖时的运行费用，为方便比较，将采用电锅炉、液化天然气LNG和管道天然气按照使用的能源价格折算为同一能源的单位价格，即折算为“元/kW·h”。液化天然气LNG[22]和管道天然气[23]使用的能源热值分别按照31.4和39.6 MJ/kg（6个LNG实例实测值的平均）。北京地区猪场峰谷电价日平均值为0.62元/kW·h[24]。北京地区液化天然气LNG和管道天然气价格分别按照4.1元/kg（估计值，随市场起伏不定）和3.0元/m³（供暖天然气价格2.54 元/m3，配气价格0.46元/m3）[25]。空气源热泵系统耗电量根据公式（1）进行计算。猪舍末端供暖方式不同，供暖系统的热效率也不同，本文不讨论猪舍末端供暖方式，统一假定电锅炉供暖系统、管道天然气和液化天然气LNG供暖的热效率均为100%。

1.7 不确定性分析

试验不确定度分析是评价试验测量和结果的关键[26]。基于多个自变量计算结果时产生的试验不确定性(W)：

式中结果是自变量1，2，..，x的给定函数，1，2，….，W是自变量中的不确定性。

1.8 统计分析

数据采用ANOVA统计分析系统的线性回归分析(SPSS 21, Excel 2010)。结果以平均值±均值标准差表示，<0.05 为差异显著性判断标准。

2 结果和分析

2.1 室内外温度、相对湿度和二氧化碳浓度

文献[27]分析了2017年1月3日至2017年1月20日空气源热泵系统供暖期间室内环境指标和空气源热泵地面供暖时猪舍内不同高度的温度分布规律。未对舍内二氧化碳浓度进行详细分析。

图5可以看出，2017年1月3日至2017年1月20日期间，室外、单元一和单元二CO2平均浓度分别为(785±253)、(4 239±2591)和(6 503±991)mg/m3。猪舍内部CO2浓度最高值出现于2017年1月7日数值为13 075 mg/m3，1月7日受到暴雪影响舍内气窗关闭。供暖系统形式主要影响舍内垂直方向温度分布，合理的末端系统形式有利于缓解舍内垂直方向温度分层现象。精准调控动物活动区微环境，弱化舍内背景空间负荷的供暖系统形式，有利于畜舍节能减排。

通过对猪舍内外环境指标分析表明，该供暖方式基本能够满足仔猪对温度、空气质量的要求。北京市采用空气源热泵地面地板辐射系统供暖基本可行。

2.2 空气源热泵系统供回水温度

2016年12月20日至2017年4月16日（每10 min一次数据），供热系统设定温度被设定和更改14次，温度设定从最低33 ℃到最高45 ℃。不同空气源热泵供暖系统的供回水温度如图6所示。

图6结果表明，试验期间GS的平均供水温度为(37.6±2.4) ℃，平均回水温度为(34.9±2.2) ℃。ASHP2的平均供水温度为(38.3±7.1) ℃，平均回水温度为(31.0±9.0) ℃。

2.3 空气源热泵供暖系统性能指标

2.3.1 空气源热泵的运行

2016年12月19日至2017年3月30日，单个空气源热泵平均每天在各个时段1 h内的平均运行时间（102 d中每分钟的数据），以及每天ASHP1和ASHP2在1 h内的运行时间之和如图7所示。

由图7可以看出，在24 h循环中，有16 h的ASHP1和ASHP2在1 h内运行时间总和超过60 min（61.1～66.7 min）。ASHP1和ASHP2在1 h内的运行时间之和在每日基础上少于60 min（46.7～58.7 min）的只有8 h。因此，每天约8 h只需一台空气源热泵就可为猪舍供暖，一天约16 h需两台空气源热泵。在整个供暖期间，供暖系统主要由ASHP1工作。

2.3.2 不确定性分析

试验得到供水温度、回水温度、室内温度、室外温度、用电量、水流量和COP的不确定度为0.10%～2.41%。与其他试验结果比较，不确定度范围为0.5%～12.2%，均在可接受范围内[28]。

2.3.3 空气源热泵系统的COP分析

2016年12月19日至2017年4月3日，记录ASHP1、ASHP2和GS每分钟的用电量、供水温度、回水温度和流量。ASHP1、ASHP2、GS原始数据量与有效数据量水温度、流量和室外温度组成。如表1所示。

表1 用于分析的数据量

将表1中按每1或5 min计算的有效数据转换为按每小时计算的数据。由于每种水暖系统都会有一台供暖系统循环水泵（系统泵），因此在计算无系统水泵的GS的COP时，从整个供暖系统的耗电量中减去供暖系统循环水泵的耗电量（图4中的K3）。由于ASHP1温度测量系统存在一些问题，本文没有给出ASHP1的COP。无系统水泵GS的COP与室外温度的关系（每小时数据）和ASHP2的COP与室外温度的关系（每小时数据）如图8所示。

图8显示，无水泵GS的COP和ASHP2的COP均随室外温度升高而增加。在试验期间，室外最低温度为−14.5 ℃，此时无水泵GS和ASHP2的COP分别为（3.04±1.05）和（3.40±0.91）。根据图8中的回归公式，可以计算出无泵GS的COP和不同室外温度下ASHP2的COP。北京地区冬季采暖期室外平均温度为0.1 ℃，无水泵GS的COP为2.86，ASHP2的COP为3.21。

室外冷空气在空气源热泵蒸发器翅片表面结霜将影响空气源热泵系统的换热效率。当室外空气相对湿度为27%～37%时[13]，蒸发器表面冷空气露点温度较低，不宜结霜，同时伴随着空气源热泵系统应用技术的发展，蒸发器表面除霜的相关设备得到相应研发，为蒸发器表面结霜问题提供了技术支撑。研究表明，当室外空气温度从−4.0 ℃上升到10.0 ℃时，采用新型辐射对流供暖终端并与ASHP系统耦合时，ASHP的COP呈线性上升，上升率为0.04%[29]。根据文献[30]表明，当室外温度为0 ℃时，空气源热泵的COP约为2.4；当室外温度为−10 ℃，供水温度为45 ℃时，空气源热泵的COP约为1.92。北京地区空气源热泵系统为猪舍供暖具有可行性。

2.4 空气源热泵的节能减排量

根据无水泵GS的耗电量、直接电锅炉的耗电量计算系统节能率。无水泵GS的平均耗电量为（4.35±2.02）kW·h（实测），无水泵GS的平均供热量为（11.79±3.33）kW（实测），直接电锅炉的耗电量为（11.79±3.33）kW·h（理论计算）。与直接电锅炉供热系统相比，GS无水泵供热系统平均每小时节能64%±10%。

2016年12月20日至2017年4月3日，根据无水泵GS的有效用电量数据和有效供热量数据，无水泵GS的总用电量为7 997.7 kW·h，电锅炉供热系统理论计算总耗电量为23 785.1 kW·h。与直接电锅炉供热系统相比，空气源热泵系统节能率约为66%。根据有效数据，试验期内CO2减排量为8 636 kg。

2.5 不同能源运行费用分析

在禁止燃煤供暖形势下，北京地区猪场采用空气源热泵、电锅炉、管道天然气和液化天然气LNG供暖的运行费用见表2。

表2 北京地区猪场不同能源供暖时的单位能源价格

注：空气源热泵北京地区供暖期平均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，在北京地区及现有能源价格体系情况下，空气源热泵系统的供暖运行费用最低（0.22元/kW·h），电锅炉的供暖费用最高（0.62元/kW·h），液化天然气LNG与管道天然气供暖的运行费用分别为0.37和0.34元/kW·h），但从运行费用经济性比较，空气源热泵供暖为首选供暖方式。但是，空气源热泵供暖时，猪舍末端系统形式一般匹配地板辐射供暖，而该种猪舍末端供暖方式和地面养猪相对应，即猪舍内采用部分漏缝地板部分水泥实体地面养殖时，供暖系统末端系统形式可以配置地板辐射供暖，热源选择空气源热泵。对于采用全漏缝地板的猪舍，一般猪舍末端供暖方式采用热风供暖，热风供暖一般不适宜采用空气源热泵热水地面供暖，猪舍内采用风机盘管供暖时，也可以选择空气源热泵供暖。电锅炉、管道天然气和液化天然气LNG都可以用于全漏缝地板猪舍热风或热水供暖。

3 结 论

1）北京地区供暖期室外平均温度为0.1 ℃时，空气源热泵系统能效比为2.86。

2）空气源热泵系统与电锅炉供暖系统相比，空气源热泵的节能率约为66%，试验猪舍试验期间CO2减排量为8 636 kg。

3）在北京地区及现有能源价格体系情况下，空气源热泵系统的供暖运行费用最低（0.22 元/kW·h），电锅炉的供暖费用最高（0.62 元/kW·h），液化天然气与管道天然气供暖的运行费用分别为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

王华，易路，吴中红，等. 北京猪舍空气源热泵供暖的可行性[J]. 农业工程学报，2021，37(19)：236-242.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027 http://www.tcsae.org

Wang Hua, Yi Lu, Wu Zhonghong, et al. Feasibility of the air source heat pump system for heating swine houses in Beijing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 236-242. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027 http://www.tcsae.org

2021-06-09

2021-09-15

国家重点研发项目-特色地方猪高效安全养殖技术应用与示范（2018YFD0501200）；生猪产业技术体系北京市创新团队项目（BAIC02-2021）

王华，博士生，研究方向为畜牧工程与畜牧环境。Email：wanghuatzlm@163.com

王美芝，副教授，博士生导师，研究方向为畜牧工程与畜牧环境。Email：meizhiwang@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.19.027

S817.3

A

1002-6819(2021)-19-0236-07