地域與建筑類型對低環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，低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組逐漸成為寒冷地區重要的空調冷熱源設備，當前迫切需要相應的標準規范來衡量低溫空氣源熱泵的碳排放水平。國內針對低溫空氣源熱泵定量評估減碳量這一思路暫無相應方法學指導。有學者指出，定量評估減碳量需要在兼顧氣候區域、建筑類型及建造年代等差異性的前提下，加強標準規范的體系性建設［1］。關于氣候區域、建筑類型2 個因素，歐洲、美國、日本對空調器進行能效評價的標準體系均將全國劃分為不同的區域來設計［2-4］，國內的一些學者也認為采用單一的氣象及運行時間對空調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鍵問題，對氣候區域、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減碳量的評估方法學

1.1 基本假設

依據T/CECA-G 0164—2022《高效節能產品減碳量評估技術通則》對低溫空氣源熱泵減碳量評估作如下假設：（1）針對單臺低溫空氣源熱泵單年的使用階段；（2）以擬評估產品提供相同的年服務量為前提；（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 擬評估產品年能耗

擬評估產品的年能耗按下式計算：

式中，Et為擬評估產品年能耗，W·h；HSTE為制熱季節耗電量，W·h。

制熱季節耗電量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，通過對規定工況測試的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為制熱季節中機組的各溫度下工作時間，h。

1.2.2 基準產品年能耗

基準產品的年能耗按下式計算：

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

制熱季節性能系數HSPF按下式計算：

制熱季節總負荷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 擬評估產品的年節能量及減碳量

擬評估產品的年節能量按下式計算：

式中，Es為目標產品年節能量，W·h。

擬評估產品的年減碳量按下式計算：

式中，ER為擬評估產品的年減碳量，g；EF為電網排放因子，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品的年能耗和季節能效指標，試驗方法依據GB/T 25127.1—2020標準附錄B。

1.3 減碳量評估方法的關鍵問題

1.3.1 標準化年使用條件

基于數據調研，獲得社會共識的、能反應用戶普遍行為模式的用能產品年使用條件，包含使用次數、使用時長等要素。

1.3.2 基準產品的選擇

基準產品優選國家規定的能效限值，也可以根據實際使用情況，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 制熱季節的起止時間

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

建筑模型參數如下：（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）維護結構導熱系數按照城市取值，室外表面換熱系數α=20 W/（m2·K），外表面太陽輻射吸收率e=0.5；外窗導熱系數K＝3.0 W/（m2·K），平均太陽得熱系數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，得出二者的線性關系式，以哈爾濱為例，進行線性擬合，如圖1 所示，依據關系式可得出自然室溫為18 ℃時對應的室外溫度，采用該方法確定的不同城市制熱季節的起止時間見表1。

表1 不同城市制熱季節起止時間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的運行時間

GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》對建筑類型、空調的運行時間做出了規定，見表2。

表2 GB 55015—2021 規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-小時數分布

依據表2，3 對北京、西安、哈爾濱、呼和浩特不同建筑類型對應的運行時間進行統計，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、工業建筑）、類型3（商業建筑、醫療建筑-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-小時數分布如圖2 所示，即為標準化年使用條件。

3 基準產品的選擇

低溫空氣源熱泵產品能效標準采用綜合部分負荷性能系數（IPLV）為評價指標，GB/T 25127.1—2020 以年度性能系數（APF）為評價體系［10］，二者計算理論依據與邊界條件并不統一［11］。本文將基準產品的季節能效指標選取為GB/T 25127.1—2020 的制熱季節性能系數（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，反而會出現擬評估產品的能耗比基準產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。當名義工況設置為GB/T 25127.1—2020 規定的-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備質量檢驗檢測中心的低溫實驗室進行。實驗室空氣側及水側處理流程如圖4 所示，試驗裝置由制冷系統、空氣調節處理柜、電氣控制系統和加熱、加濕系統構成。該實驗室重復性小于2%，測量用儀器儀表準確度均滿足GB/T 25127.1—2020 標準的規定并校驗合格，且在有效期內，確保了測試結果的準確性。

圖4 實驗室原理Fig.4 Laboratory principle

5 試驗結果分析與減碳量的計算

5.1 試驗結果

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 GB/T 25127.1—2020 中B4.3.2 的規定，計算溫度區間1～32，對應溫度范圍為-19～12 ℃，對每一溫度區間輸入功率與發生小時數進行乘積并求和，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

依據上述方法，針對不同地域、不同建筑類型的計算，依據第2 節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、地域表現出明顯不同。

圖6 各類型建筑溫度-小時數分布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果Fig.7 Prototype 2 Measured values of different building types in different cities

5.2 實測氣象參數的驗證

DeST 采用的數據庫為中國標準年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 年的實測氣象數據經清華大學建筑技術科學系經一定的方法統計得出［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據為基礎進行統計，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。依據實測值統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備質量檢驗檢測中心5 臺低溫空氣源熱泵的測試結果進行對比，結果見圖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，B 代表采用實測氣象參數，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 依據實測值統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HSTE 的對比Fig.10 Verification of HSTE in heating season

5.3 減碳量評估結果

基于標準水平，使用場景為北京、西安的2 臺樣機，節能量及減碳量計算結果見表6、表7。同一地區不同建筑類型下,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 節能量及減碳量計算結果Tab.6 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 1

表7 樣機2 節能量及減碳量計算結果Tab.7 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 2

計算結果表明，減碳量的大小與城市及建筑類型密切相關，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、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準，是相對合理的設置，為避免混淆，在低溫空氣源熱泵的制熱季節減碳量評估時，建議將評估結果明示為基于某一城市和某一建筑類型的減碳量。

6 結論

（1）基于DeST 氣象參數模型，依據GB 55015—2021 相關規定，確定了低溫空氣源熱泵在不同地區不同建筑類型的溫度-小時數分布，與哈爾濱實測氣象參數進行了驗證，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，可用于衡量選型產品是否達到政府、甲方等規定的減碳目標及應用場景。評估結果表明，學校建筑（類型4）的減碳量大小與寒假設置相關，是否設置寒假的影響最大為24%。相關標準制定時，建議考慮按照類型1（辦公建筑）、類型2（旅館建筑、居住建筑、工業建筑）、類型3（商業建筑、醫療建筑-門診）、類型4（學校建筑）劃分建筑類型。

（3）建議使用不同地區、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準產品，現行能效標準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品的能效水平有待商榷，現亟需對適用于該類地區的低溫空氣源熱泵標準進行制訂。