基于 BIN 法的某住宅群采暖能耗及运行费用测算

丁伟翔 万燕

1 杭州科技职业技术学院城市建设学院

2 杭州师范大学沈钧儒法学院

1 项目概况

某住宅群位于山东省滨州市，总建筑面积为 80000 m2。图1 为该地区的全年室外气温变化曲线图。在寒冷的冬季，传统上是采用燃料锅炉制备热水的方式为室内供暖，该方式存在价格昂贵且环境污染等问题。低温空气源热泵机组作为一种技术先进的节能设备，即使在室外温度较低的情况下，也能够保持较高的性能系数（COP，Coefficient Of Performance）[1]。本采暖工程拟采用低温空气源热泵机组作为热源，为住宅内的居民提供适宜的室内温度。由于采暖工程中的热源是主要的耗能设备，且在整个系统中的投资占比最高，因此在方案前期的经济性测算就显得非常重要[2]。本文运用温频法，详细地计算了该地区整个采暖季采用空气源热泵机组的能耗及运行费用，为该工程的合理运行与经济性分析提供依据。

图1 山东省滨州市全年室外气温变化

2 基于温频法的测算步骤

温频法（BIN）是一种基于统计温度频数分布的负荷计算方法[3]。该方法是在度日法基础上发展起来的，根据典型气象年TMY（Typical Meteorological Year）的全年气象参数，统计出一定间隔的温度段中的温度在全年或某一期间所出现的小时数。其次，假设围护结构负荷(包括对流传热与辐射得热)可变换成室外气温的线性关系，依此线性关系计算出不同间隔段温度下的负荷，并乘以该温度段出现的小时数，便得出该温度下的冷、热耗量。温频法作为一种简化的计算模式，用作建筑暖通方案的前期分析中，可以迅速且准确获得建筑物的负荷指标，进而为后续的设备系统选型提供依据。下面从“建筑负荷—设备选型—系统能耗”的角度，描述温频法在该工程中的完整计算过程。

2.1 负荷测算

工程所在地的采暖室外设计温度为-7.6 ℃，采暖室内设计温度设定为18 ℃。采暖季历经4 个月（11 月 15 日至次年3 月15 日）。考虑到不同月份的居民作息时间，采暖期间的日均运行时间为：在第一个月与最后一个月时，每天 12:00～13:00、18:00～ 次日 7:00 开启；而在8:00～11:00、14:00～17:00 关闭。在第二个月与第三个月时，每天 12:00～14:00、17:00～ 次日 8:00 开启；而在9:00～11:00、15:00～16:00 关闭。

①以相同间隔数选取室外温度节点：{T1、T2、T3……Tn}，单位为 ℃。本测算取3 ℃为步长，因此所得温度节点依次为：{-7.6，-4.6 ℃、-1.6 ℃、1.4 ℃、4.4 ℃、7.4 ℃、10.4 ℃、13.4 ℃、16.4 ℃}。

② 通过全年气象数据集，找寻对应温度节点 ±1.5 ℃之间的频数：{n1、n2、n3… …nn}，单位为 h。并且从中扣除室内关闭采暖时间段中的小时数，温度频数分布情况的统计结果如图 2 所示，共计采暖小时数 2113 h。

图2 温度频数分布图

③依据温度节点热负荷指标计算公式[4]：HLn=3.74Tn-65.21，输出对应的温度节点热负荷指标（W/m2）、温度节点热负荷（kW）、温度节点供热量指标（kW·h/m2）、温度节点供热量（kW·h）汇总至表1。

表1 不同温度节点时的热负荷

2.2 主机设备选型

①对于任一温度节点，（HLn·S）为热泵主机在该温度节点下的供热量，依据 max(HLn·S)完成设备选型与配置（容量、台数）。经计算，该工程的最大热负荷为 7491 kW。所选用的低温空气源热泵，在该温度下的单机额定供热量为138 kW，则设计工况下的运行台数为 55 台。

②依据（HL·1S、HL·2S、HL·3S…………HL·nS）配置不同温度节点下的运行台数：{N1、N2、N3… ………Nn}={55，48，42，35，29，22，16，9，3 }，此为与负荷相匹配的减机运行策略。

2.3 系统总性能系数能耗测算

图3 空气源热泵机组COP 随环境温度的变化

②系统的总性能系数为采暖总供热量与机组总耗电量的比值：COPsys=Qw/E主机=2.71。满足国家标准规范 《GB37480-2019 低环境温度空气源热泵（冷水）机组能效限定值及能效等级标准》 中关于低温热泵机组的能效等级限定指标[5]。

3 运行费用结果分析

图4 展示了采暖季四个月的逐月建筑热负荷与机组耗电量。从中可以看出，1 月15 日至2 月15 日的建筑热负荷达到最大值 3550338.08 kW·h，机组能耗也达到最大值 1386951.76 kW·h。依据耗电量来计算采暖工程的运行费用，住宅区内存在峰谷电价：上午 8:00～下午19:00 为电价峰值0.6 元/kW·h，而谷值0.4 元/kW·h 处于下午20:00～次日7:00。图5 为采暖季逐月运行费用与机组 COP 对比，从中可以看出，在气温较高的月份（初月及末月），机组运行时的性能系数 COP 较高，使得整体的运行费用较低。而在气温最低的第三个月，由于建筑热负荷最大且机组的性能系数 COP 最低，该月的运行费用达到采暖季的最大值 64.14 万元。经统计计算，在整个采暖季，运用低温空气源热泵机组的总运行费用为183.43 万元，单位面积运行费用为22.93 元/m2。

图4 采暖季逐月建筑热负荷与机组能耗对比

图5 采暖季逐月运行费用与机组COP 对比

4 总结

本文针对位于滨州市某住宅群的采暖工程，采用温频法的方式，通过温频统计、负荷计算、设备选型等一系列步骤，详细计算了该工程采用低温空气源热泵机组作为热源时的预期采暖总能耗及运行费用。测算结果表明：运用低温空气源热泵机组的采暖季系统总性能系数为 2.71，总运行费用为 183.43 万元，单位面积运行费用为22.93 元/m2。测算结果为该项采暖工程在实际中的运行情况及经济性分析提供依据与参考。