地域與建筑類型對低環(huán)溫空氣源熱泵減碳量定量評估的影響分析

郭 揚，劉駿亞，包繼虎，牛曉文，陸 磊，周 坤

（合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年來，低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組逐漸成為寒冷地區(qū)重要的空調(diào)冷熱源設(shè)備，當前迫切需要相應(yīng)的標準規(guī)范來衡量低溫空氣源熱泵的碳排放水平。國內(nèi)針對低溫空氣源熱泵定量評估減碳量這一思路暫無相應(yīng)方法學指導(dǎo)。有學者指出，定量評估減碳量需要在兼顧氣候區(qū)域、建筑類型及建造年代等差異性的前提下，加強標準規(guī)范的體系性建設(shè)［1］。關(guān)于氣候區(qū)域、建筑類型2 個因素，歐洲、美國、日本對空調(diào)器進行能效評價的標準體系均將全國劃分為不同的區(qū)域來設(shè)計［2-4］，國內(nèi)的一些學者也認為采用單一的氣象及運行時間對空調(diào)進行能效評價的方式是值得商榷的［5-8］。上述兩個因素對低溫空氣源熱泵減碳量評估的影響暫無研究。本文選取北京、西安、哈爾濱、呼和浩特為代表城市，針對低溫空氣源熱泵減碳量定量評估方法學的關(guān)鍵問題，對氣候區(qū)域、建筑類型對減碳量評估的影響進行分析。

1 低溫空氣源熱泵制熱季節(jié)減碳量的評估方法學

1.1 基本假設(shè)

依據(jù)T/CECA-G 0164—2022《高效節(jié)能產(chǎn)品減碳量評估技術(shù)通則》對低溫空氣源熱泵減碳量評估作如下假設(shè)：（1）針對單臺低溫空氣源熱泵單年的使用階段；（2）以擬評估產(chǎn)品提供相同的年服務(wù)量為前提；（3）在標準化使用條件下進行；（4）僅涉及電的能源相關(guān)排放。

1.2 低溫空氣源熱泵減碳量的評估流程

1.2.1 擬評估產(chǎn)品年能耗

擬評估產(chǎn)品的年能耗按下式計算：

式中，Et為擬評估產(chǎn)品年能耗，W·h；HSTE為制熱季節(jié)耗電量，W·h。

制熱季節(jié)耗電量HSTE按下式計算：

式中，Lh（tj）為溫度tj時的房間熱負荷；COPbin（tj）為各工作溫度下的制熱性能系數(shù)，通過對規(guī)定工況測試的COP插值計算得出，W/W；PRH（tj）為機組在溫度tj時，所投入輔助電加熱的消耗功率，W；nj為制熱季節(jié)中機組的各溫度下工作時間，h。

1.2.2 基準產(chǎn)品年能耗

基準產(chǎn)品的年能耗按下式計算：

式中，Eb為基準產(chǎn)品年能耗，W·h；Efft為擬評估產(chǎn)品的季節(jié)能效指標；Effb為基準產(chǎn)品的季節(jié)能效指標。

制熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF按下式計算：

制熱季節(jié)總負荷HSTL按下式計算：

式中，Lh（tj）為溫度tj時的房間熱負荷，W·h。

1.2.3 擬評估產(chǎn)品的年節(jié)能量及減碳量

擬評估產(chǎn)品的年節(jié)能量按下式計算：

式中，Es為目標產(chǎn)品年節(jié)能量，W·h。

擬評估產(chǎn)品的年減碳量按下式計算：

式中，ER為擬評估產(chǎn)品的年減碳量，g；EF為電網(wǎng)排放因子，g/（W·h），取EF=0.581 g/（W·h）。

1.2.4 試驗方法

通過試驗方法確定擬評估產(chǎn)品的年能耗和季節(jié)能效指標，試驗方法依據(jù)GB/T 25127.1—2020標準附錄B。

1.3 減碳量評估方法的關(guān)鍵問題

1.3.1 標準化年使用條件

基于數(shù)據(jù)調(diào)研，獲得社會共識的、能反應(yīng)用戶普遍行為模式的用能產(chǎn)品年使用條件，包含使用次數(shù)、使用時長等要素。

1.3.2 基準產(chǎn)品的選擇

基準產(chǎn)品優(yōu)選國家規(guī)定的能效限值，也可以根據(jù)實際使用情況，提供自定義的限定值。

2 基于DeST 的標準化年使用條件的確定

2.1 制熱季節(jié)的起止時間

當自然室溫滿足室內(nèi)空氣計算參數(shù)時，認為不需要供暖［9］，因此可將連續(xù)3 天低于此自然室溫對應(yīng)的時刻作為制熱季節(jié)的起始時間。

建筑模型參數(shù)如下：（1）長度24 m，寬度12 m，高度18 m，層高3 m，共6 層，形體系數(shù)為0.3 m-1；窗墻比：東、西向0.2，南向0.3，北向0.2，朝向為正南；（2）維護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)按照城市取值，室外表面換熱系數(shù)α=20 W/（m2·K），外表面太陽輻射吸收率e=0.5；外窗導(dǎo)熱系數(shù)K＝3.0 W/（m2·K），平均太陽得熱系數(shù)SHGC=0.4。

對模擬計算得出的逐時外溫與逐時建筑物自然室溫進行線性擬合，得出二者的線性關(guān)系式，以哈爾濱為例，進行線性擬合，如圖1 所示，依據(jù)關(guān)系式可得出自然室溫為18 ℃時對應(yīng)的室外溫度，采用該方法確定的不同城市制熱季節(jié)的起止時間見表1。

表1 不同城市制熱季節(jié)起止時間Tab.1 Starting and ending time of heating season

圖1 自然室溫與逐時外溫的線性擬合Fig.1 Linear fitting of natural room temperature and hourly external temperature

2.2 低溫空氣源熱泵在不同建筑類型內(nèi)的運行時間

GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》對建筑類型、空調(diào)的運行時間做出了規(guī)定，見表2。

表2 GB 55015—2021 規(guī)定的建筑類型與運行時間Tab.2 Building types and operating times in GB 55015—2021

2.3 低溫空氣源熱泵在不同建筑類型、不同城市條件下的溫度-小時數(shù)分布

依據(jù)表2，3 對北京、西安、哈爾濱、呼和浩特不同建筑類型對應(yīng)的運行時間進行統(tǒng)計，建筑類型劃分為類型1（辦公建筑）、類型2（旅館建筑、居住建筑、工業(yè)建筑）、類型3（商業(yè)建筑、醫(yī)療建筑-門診）、類型4（學校建筑）共4 類。其中學校建筑除表2 規(guī)定的作息外，對寒假時間進行了特殊賦值。北京、西安、呼和浩特、哈爾濱的4 種建筑類型的溫度-小時數(shù)分布如圖2 所示，即為標準化年使用條件。

3 基準產(chǎn)品的選擇

低溫空氣源熱泵產(chǎn)品能效標準采用綜合部分負荷性能系數(shù)（IPLV）為評價指標，GB/T 25127.1—2020 以年度性能系數(shù)（APF）為評價體系［10］，二者計算理論依據(jù)與邊界條件并不統(tǒng)一［11］。本文將基準產(chǎn)品的季節(jié)能效指標選取為GB/T 25127.1—2020 的制熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）限定值，見表3。在進行使用場景為北京、西安2 個城市的減碳量評估時，采用GB/T 25127.1—2020的限定值是可行的，但以哈爾濱、呼和浩特為使用場景的減碳量評估時，反而會出現(xiàn)擬評估產(chǎn)品的能耗比基準產(chǎn)品能耗還要多的情況，下文以GB/T 25127.1—2020 的適用性來說明。

表3 GB/T 25127.1—2020 的限定值Tab.3 Limit values of GB/T 25127.1—2020

名義工況代表制熱不保證時間為3%所對應(yīng)的干球溫度［12］。對北京、濟南、西安、長春、天津、哈爾濱、呼和浩特的制熱時間進行分析，見圖3。當名義工況設(shè)置為GB/T 25127.1—2020 規(guī)定的-12 ℃時，北京、濟南、西安、天津能滿足3%的不保證率，此時哈爾濱、長春、呼和浩特的制熱時間不保證率大于10%。而表3 中規(guī)定的限定值是以-12 ℃為名義工況為前提，因此在進行以哈爾濱、呼和浩特為基準的減碳量評估時，采用GB/T 25127.1—2020 的限定值并不合理。

圖3 不同城市的供熱時間不保證率Fig.3 Non-guarantee rate of heating time in different cities

4 試驗裝置

試驗在國家壓縮機制冷設(shè)備質(zhì)量檢驗檢測中心的低溫實驗室進行。實驗室空氣側(cè)及水側(cè)處理流程如圖4 所示，試驗裝置由制冷系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)處理柜、電氣控制系統(tǒng)和加熱、加濕系統(tǒng)構(gòu)成。該實驗室重復(fù)性小于2%，測量用儀器儀表準確度均滿足GB/T 25127.1—2020 標準的規(guī)定并校驗合格，且在有效期內(nèi)，確保了測試結(jié)果的準確性。

圖4 實驗室原理Fig.4 Laboratory principle

5 試驗結(jié)果分析與減碳量的計算

5.1 試驗結(jié)果

選取2 臺樣機進行測試，樣機信息見表4。以北京學校建筑為例，標準化年使用條件見表5，依據(jù) GB/T 25127.1—2020 中B4.3.2 的規(guī)定，計算溫度區(qū)間1～32，對應(yīng)溫度范圍為-19～12 ℃，對每一溫度區(qū)間輸入功率與發(fā)生小時數(shù)進行乘積并求和，該計算值即為機組使用地域為北京，使用場景為學校建筑的HSTE。

表4 樣機基本信息Tab.4 Basic information of prototype

依據(jù)上述方法，針對不同地域、不同建筑類型的計算，依據(jù)第2 節(jié)確定的標準化年使用條件，采用Excel 編程并借助VB6.0 編制計算軟件，軟件界面如圖5 所示。

圖5 碳排放當量計算軟件Fig.5 Carbon emission equivalent calculation software

編號A，B，C，D 依次代表北京、西安、哈爾濱、呼和浩特，編號1，2，3，4 依次代表類型1、類型2、類型3、類型4，從圖6，7 可以看出，建筑類型、地域表現(xiàn)出明顯不同。

圖6 各類型建筑溫度-小時數(shù)分布Fig.6 Distribution of temperature-hours of various types of buildings

圖6 樣機1 不同城市不同建筑類型試驗結(jié)果Fig.6 Prototype 1 Measured values of different building types in different cities

圖7 樣機2 不同城市不同建筑類型試驗結(jié)果Fig.7 Prototype 2 Measured values of different building types in different cities

5.2 實測氣象參數(shù)的驗證

DeST 采用的數(shù)據(jù)庫為中國標準年CSWD，由中國國家氣象中心氣象資料室收集的全國270個地面氣象臺站1971—2003 年的實測氣象數(shù)據(jù)經(jīng)清華大學建筑技術(shù)科學系經(jīng)一定的方法統(tǒng)計得出［15］。

為驗證采用DeST 氣象模型計算的準確性，以哈爾濱某熱力公司的2021—2022 年供熱季實測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計，實測逐時氣溫與DeST 模型逐時氣溫對比見圖8，二者的變化趨勢是一致的。依據(jù)實測值統(tǒng)計得到不同建筑類型的標準化年使用條件見圖9。隨機選取國家壓縮機制冷設(shè)備質(zhì)量檢驗檢測中心5 臺低溫空氣源熱泵的測試結(jié)果進行對比，結(jié)果見圖10。樣機編號為樣機a～e，橫坐標為類型編號，A 代表采用DeST氣象參數(shù)，B 代表采用實測氣象參數(shù)，1～4 代表不同建筑類型，HSTE計算值平均偏差為14%。

圖8 哈爾濱實測逐時氣溫與DeST 模型逐時氣溫對比Fig.8 Comparison between the measured hourly temperature in Harbin and DeST model hourly temperature

圖9 依據(jù)實測值統(tǒng)計的標準化使用條件Fig.9 Standardized conditions of use for statistics based on measured values

圖10 不同氣象參數(shù)HSTE 的對比Fig.10 Verification of HSTE in heating season

5.3 減碳量評估結(jié)果

基于標準水平，使用場景為北京、西安的2 臺樣機，節(jié)能量及減碳量計算結(jié)果見表6、表7。同一地區(qū)不同建筑類型下,2 臺樣機的減碳量差距最大值在74%左右，最大值均為建筑類型2，即旅館建筑，對應(yīng)的運行時間為全年24 h 運行；最小值為建筑類型4，即學校建筑。同一建筑類型下，處于不同地區(qū)的減碳量也有差距，樣機1 的差距在9%～28%之間，樣機2的差距在2%～8%之間。特殊的，對比辦公建筑與學校建筑的運行時間表得知，除去針對學校建筑設(shè)置的寒假時間，低溫空氣源熱泵在辦公建筑與學校建筑的運行時間是一致的，因此表6 與表7 中的辦公建筑與學校建筑減碳量的不同正是由于這一因素的影響，差距最大為24%。

表6 樣機1 節(jié)能量及減碳量計算結(jié)果Tab.6 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 1

表7 樣機2 節(jié)能量及減碳量計算結(jié)果Tab.7 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 2

計算結(jié)果表明，減碳量的大小與城市及建筑類型密切相關(guān)，對學校建筑做單獨分類是有必要的。在條件允許的情況下，使用不同地區(qū)、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準，是相對合理的設(shè)置，為避免混淆，在低溫空氣源熱泵的制熱季節(jié)減碳量評估時，建議將評估結(jié)果明示為基于某一城市和某一建筑類型的減碳量。

6 結(jié)論

（1）基于DeST 氣象參數(shù)模型，依據(jù)GB 55015—2021 相關(guān)規(guī)定，確定了低溫空氣源熱泵在不同地區(qū)不同建筑類型的溫度-小時數(shù)分布，與哈爾濱實測氣象參數(shù)進行了驗證，HSTE計算值平均偏差為14%。

（2）提出了低溫空氣源熱泵不同城市、不同建筑類型的減碳量計算方法，可用于衡量選型產(chǎn)品是否達到政府、甲方等規(guī)定的減碳目標及應(yīng)用場景。評估結(jié)果表明，學校建筑（類型4）的減碳量大小與寒假設(shè)置相關(guān)，是否設(shè)置寒假的影響最大為24%。相關(guān)標準制定時，建議考慮按照類型1（辦公建筑）、類型2（旅館建筑、居住建筑、工業(yè)建筑）、類型3（商業(yè)建筑、醫(yī)療建筑-門診）、類型4（學校建筑）劃分建筑類型。

（3）建議使用不同地區(qū)、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準產(chǎn)品，現(xiàn)行能效標準GB 37480—2019 不能滿足評估要求；進行基于哈爾濱、呼和浩特的減碳量評估時，以GB/T 25127.1—2020 的限定值作為基準產(chǎn)品的能效水平有待商榷，現(xiàn)亟需對適用于該類地區(qū)的低溫空氣源熱泵標準進行制訂。