不同气候特征下空气源热泵高效应用策略探讨*

熊帝战 杨 玲 范钟引 朱晓玥 刘希臣

(中国建筑西南设计研究院有限公司,成都)

0 引言

2020年全国建筑运行能耗为10.6亿t标准煤,产生碳排放21.6亿t二氧化碳,其中直接碳排放5.5亿t[1];排放总量大,而且仍呈增长趋势。《2030年前碳达峰行动方案》提出要加快优化建筑用能结构,积极推动严寒、寒冷地区清洁取暖,引导夏热冬冷地区科学取暖,深化可再生能源建筑应用。空气源热泵作为一种应用简便的可再生能源利用方式[2],具有热源获取便捷、运行维护方便、无直接碳排放等优势,在我国建筑中具有广泛的应用前景。

我国幅员辽阔,不同气候区的气象条件迥异,如严寒地区冬季空调室外计算干球温度基本低于-20 ℃,而夏热冬冷地区多在0 ℃左右,这使得在不同气候区建筑的冷热负荷特性差异很大。空气源热泵可冬季制热、夏季制冷,其实际制热制冷能力和能效受室外气象条件影响大,使得其在不同气候区的应用特性有较大的区别。因此探寻空气源热泵在各气候区的高效应用方式,助力建筑用能结构的优化,是非常必要、亟需的工作。

本文以各气候区的某建筑为例,根据其冷热负荷需求提出多个空气源热泵应用的冷热源系统方案,并以燃气锅炉+冷水机组方案作为基准方案,从初投资、运行能耗、运行费用、碳排放[3-4]等维度进行多方案对比分析,探讨空气源热泵在各气候区适宜的、高效的应用方式,为工程应用提供参考。

1 研究方法

1.1 研究对象基本情况

本案例选取建筑面积29 700 m2、共18层的某建筑作为研究对象,建筑几何模型如图1所示。

图1 典型建筑的几何模型

采用EnergyPlus软件对典型建筑在不同气候区的全年逐时冷热负荷需求进行计算分析,典型建筑的窗墙面积比、围护结构热工参数,以及人员密度、新风标准、照明和设备功率密度、人员逐时在室率、照明和设备逐时使用率等内扰参数,根据GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(以下简称《节能通规》)[2]的限值进行设置。

1.2 全年运行能耗计算

考虑到各冷热源方案的运行能耗差异主要体现在源侧设备,全年运行能耗计算时,仅计入与源侧设备相关的运行能耗。燃气锅炉制热能耗为燃气消耗量,空气源热泵的制热制冷能耗均包括热泵风机的能耗,冷水机组系统制冷能耗包括冷水机组、冷却水泵和冷却塔的能耗。

鉴于比较的方案中采用了不同种类的能源,为评价不同方案的总能耗,采用将燃气锅炉的燃气消耗量折合成耗电量的方式,用以对比各方案的总运行能耗。折算系数依据GB/T 34913—2017《民用建筑能耗分类及表示方法》[5],按照天然气对应的供电能耗折合成耗电量,即1 m3标准天然气折合5 kW·h电。

空气源热泵机组的制热能力和制热能效均随室外温度的降低而降低,为计算室外温度变化时热泵的制热能力和制热能效,根据调研的主流品牌机组的性能参数,分别拟合出热泵制热能力和能效与室外温度的关系曲线。空气源热泵用于供冷时,在实际工况下的制冷能效也采用相同的方法进行修正。

空气源热泵制热期间,往往室外温度低、相对湿度高,导致热泵的蒸发器表面结霜,能耗计算时应附加除霜能耗[6-8]。考虑蒸发器壁面温度不低于0 ℃时,凝结水直接排走;低于0 ℃时,认为空气中的水蒸气凝结成霜。结霜后的除霜能耗按下式计算:

(1)

式中WCS为热泵除霜能耗,kW;din、dout分别为进、出口空气含湿量,g/kg;M为通过热泵的空气质量流量,kg/s;Rice为冰的熔化热,kJ/kg;ηCS为热泵除霜工况的性能系数(COP);KT为温度修正系数。

同样根据主流品牌机组的性能参数,拟合出冷水机组制冷能效与冷却水温度的关系曲线,以计算实际工况下冷水机组的能效。

建筑的供暖供冷需求逐时变化,空气源热泵或冷水机组大部分时间都在部分负荷下运行,通过拟合主机能效与部分负荷率的关系曲线,计算主机实际运行能效。

1.3 主要计算参数设置

根据对主流品牌空气源热泵产品的性能参数调研,在《节能通规》[2]及GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》[9]的规定背景下,市面上主要销售2个产品系列(下文以Ⅰ、Ⅱ系列代指)。Ⅰ系列产品的能效高于Ⅱ系列,价格亦高于Ⅱ系列。应用分析时Ⅰ、Ⅱ系列机组名义工况制冷性能系数分别取3.5和3.2。热泵供热适合采用强制对流供暖末端,如风机盘管、强制对流低温散热器等,GB 37480—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》[10]规定,该类末端的额定出水温度为41 ℃。在此出水温度下,室外干球温度为7 ℃时,Ⅰ、Ⅱ系列机组制热性能系数分别取3.8和3.5。

结合《节能通规》[2]对冷水机组能效的规定和目前产品的水平,应用分析时冷水机组名义工况制冷性能系数取5.8,燃气锅炉热效率取92%。

根据生态环境部发布的通知,2022年全国电网平均二氧化碳排放因子取0.570 3 t/(MW·h)[11];根据GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》,天然气单位热值二氧化碳排放因子取55.54 t/TJ[12]。

各气候区选择的典型城市的电价均执行峰谷电价政策,计算中均按国家电网公布的代理购电工商用户电价表进行逐时电价的取值。

本文主要探讨空气源热泵应用的适宜性,需着重关注与燃气锅炉供热方式相比,其在折算耗电量、间接碳排放方面的优劣。根据GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》[13],气田天然气的热值为35 544 kJ/m3,与采用热效率92%的燃气锅炉相比,折算耗电量平衡时的热泵制热季节能效比为1.817。与之类似,碳排放平衡时的热泵制热季节能效比为2.624。

2 夏热冬冷地区空气源热泵应用方式分析

2.1 冷热负荷情况

夏热冬冷地区以上海为例进行空气源热泵的应用分析。建筑逐时供冷供热需求见图2,计算得到设计冷负荷为2 880 kW,设计热负荷为1 720 kW,全年累计供热量需求约537 MW·h,累计供冷量需求约2 156 MW·h。

图2 上海某建筑逐时供冷供热需求

2.2 各方案的主机配置及初投资

上海冬季空调室外计算温度为-2.2 ℃,综合各主流热泵品牌提供的数据,同时考虑融霜对制热能力的影响,此温度对应的制热量衰减系数取0.819。为负担设计热负荷,需配置标准工况制热量为2 100 kW的空气源热泵,此种配置下热泵制冷能力占设计冷负荷的73%。根据建筑的供冷供热需求,空气源热泵机组的应用可有以下4种设计方案:1) 供冷供热需求均由热泵机组负担,即根据设计冷负荷确定热泵的装机容量;2) 根据设计热负荷确定热泵装机容量,夏季不足部分配置冷水机组负担,夏季优先运行冷水机组;3) 根据设计热负荷确定热泵装机容量,同时考虑到热泵夏季制冷能效远低于冷水机组,热泵不用于供冷,按照设计冷负荷配置水冷式冷水机组;4) 考虑到部分负荷工况的时长占比大,为节约投资、构建性价比高的系统,在第三种设计方案的基础上减小水冷式冷水机组的容量,按设计冷负荷的45%配置冷水机组。

为比较热泵能效对应用的影响,以设计热负荷确定热泵容量、不足部分配置冷水机组的方案,分别就Ⅰ、Ⅱ系列热泵进行分析,其余方案仅以Ⅰ系列热泵进行分析。据此确定的各应用方式的冷热源配置方案和初投资见表1,其中初投资含冷热源设备、冷水循环泵、冷却水泵和冷却塔的投资。

表1 上海各应用方式的冷热源配置方案和初投资

由于热泵机组可以冬夏兼用,以设计热负荷确定热泵容量、不足部分配置冷水机组的方案2a、2b的初投资均有所下降;方案2a与2b的差别在于Ⅱ系列热泵机组价格低于Ⅰ系列热泵机组,因此方案2a相比基准方案的降幅更明显,达到了约14%。以设计冷负荷确定热泵容量的方案1,由于热泵的单价较高,而且部分机组在冬季闲置,初投资略有增加。方案3的冷热源设备未采用冬夏兼用,而且热泵的单价较高,初投资增加了50%以上。按设计冷负荷的45%配置冷水机组的方案4,很好地平衡了初投资和制冷平均能效,初投资增量约10%。

2.3 各方案的运行情况

各方案全年运行能耗如图3所示。

图3 上海各方案年运行能耗情况

冬季热泵运行期间,Ⅰ系列和Ⅱ系列热泵机组的制热季节能效比分别约为3.30和3.04,采用Ⅱ系列空气源热泵的方案2a比采用Ⅰ系列空气源热泵的方案,供热耗电量约高9%。基准方案采用燃气锅炉供热,耗气量按供电煤耗法折算为耗电量后,远高于空气源热泵供热的耗电量。

夏季各方案的能耗高低取决于机组的运行能效,基准方案和方案3的全部供冷量均由冷水机组承担,方案1的全部供冷量均由空气源热泵机组承担,故基准方案和方案3的供冷能耗最低,方案1的供冷能耗最高。方案2a、2b、4的供冷量由冷水机组和空气源热泵机组共同承担,区别在于方案4的冷水机组容量大于方案2a、2b,方案2a的空气源热泵机组能效低于方案2b、4,故运行优劣顺序为方案4>方案2b>方案2a。

全年来看,5种热泵方案均较基准方案节能,节能率依次为4.70%、4.75%、11.66%、18.64%和14.19%。方案2b在与基准方案的投资基本持平的情况下,实现了较好的节能率;方案4的投资较基准方案略有增加,但节能率更高;方案3的投资增幅较大,但由于部分负荷运行时段长,冷水机组容量未能“物尽其用”,节能率较方案4提升有限。可以看出,方案4具有较高的性价比。

各方案全年运行碳排放量如图4所示。空气源热泵的应用实现了建筑运行的零直接碳排放,而且供热工况的间接碳排放量也低于燃气锅炉的碳排放量。但是热泵机组的制冷能效低于冷水机组,且该地区累计供冷量远大于累计供热量,使得在目前全国电网平均碳排放因子情况下,全年总碳排放方面的表现为:制冷全采用冷水机组的方案3可降低6.72%;热泵参与制冷的方案中,仅方案4略有降低,方案1、2a、2b的碳排放量分别增加了9.26%、9.21%和1.28%。可见该地区在应用空气源热泵时,供冷工况的运行能效是影响碳排放的重要因素,在系统搭建上应充分关注,可采取应用高效的热泵机组、冷水机组容量优化配置并优先运行的措施。

上海市冬季非居民天然气价格为5.18元/m3[14],制热制冷运行期间平均电价约为0.90元/(kW·h),计算得到各方案全年运行费用,如图5所示。由于上海天然气价格较高,与基准方案相比,5种热泵方案均能较大幅度地节约运行费用,节费率分别为10.37%、10.33%、16.86%、23.35%和19.23%。经测算,当天然气价格分别为3.97、3.97、3.22、2.47和2.95元/m3时,方案1～4的运行费用与基准方案相等。据调研,我国夏热冬冷地区主要城市的非居民天然气价格区间普遍为3.50～5.00元/m3,注重供冷工况运行能效的空气源热泵应用方式在运行费用上具有明显的优势。

图5 上海各方案年运行费用情况

3 寒冷地区空气源热泵应用方式分析

3.1 冷热负荷情况

寒冷地区以天津为例进行空气源热泵的应用分析。建筑逐时供冷供热需求见图6,计算得到设计冷负荷为2 551 kW,设计热负荷为2 041 kW,全年累计供热量需求约748 MW·h,累计供冷量需求约1 780 MW·h。

图6 天津某建筑逐时供冷供热需求

3.2 各方案的主机配置及初投资

天津冬季空调室外计算温度为-9.6 ℃,综合各主流热泵品牌提供的数据,同时考虑融霜对制热能力的影响,此温度对应的制热量衰减系数取0.680,为负担设计热负荷,需配置标准工况制热量为3 000 kW的空气源热泵,此种配置下热泵制冷能力超过设计冷负荷17.7%。根据建筑的供冷供热需求,空气源热泵的应用可有以下2种设计方案:1) 供冷供热需求均由热泵机组负担,按设计热负荷确定热泵装机容量;2) 考虑到空气源热泵夏季制冷能效低于冷水机组,除配置空气源热泵用于供热外,另配置制冷量为750 kW的水冷式冷水机组,在夏季优先运行冷水机组供冷。

冷热需求均由热泵负担的应用方式,分别就Ⅰ、Ⅱ系列热泵进行分析,另配置冷水机组的方案仅对Ⅰ系列热泵进行分析。各应用方式的冷热源配置方案和初投资见表2。

表2 天津各应用方式的冷热源配置方案和初投资

3.3 各方案的运行情况

各方案全年运行能耗如图7所示。

图7 天津各方案年运行能耗情况

冬季热泵运行期间,Ⅰ系列和Ⅱ系列热泵机组的制热季节能效比分别约为3.09和2.85,热泵供热的折合能耗均远低于基准方案,而3种热泵方案的供冷能耗不同程度地高于基准方案。就折算为耗电量的全年总运行能耗而言,方案1a采用的热泵能效较低,其总能耗与基准方案基本持平,方案1b、2相比基准方案分别取得9.10%和15.88%的节能率。

各方案全年运行碳排放量如图8所示。空气源热泵供热工况的间接碳排放量仍低于燃气锅炉供热的碳排放量,但降低幅度不如夏热冬冷地区明显;供冷工况时3种热泵方案的碳排放量均高于基准方案。全年总碳排放方面,方案1a、1b分别增加了19.73%和9.81%,方案2与基准方案基本持平,但随着电力结构向清洁可再生能源转变,热泵方案的减排优势将逐步体现。该地区年供冷量也是远大于年供热量,因此在应用空气源热泵时,也需重点关注供冷工况的运行能效。

图8 天津各方案年运行碳排放情况

天津市冬季集中供热用天然气价格为3.87元/m3[15],制热制冷运行期间平均电价约为0.99元/(kW·h),计算得到各方案全年运行费用,如图9所示。目前天津市的电价较高,冷热均由热泵机组负担的方案1a、1b,与基准方案相比运行费用分别增加了12.04%、2.74%,额外配置冷水机组的方案2,运行费用较基准方案降低了4.96%。经测算,当天然气价格分别为4.89、4.16、3.55元/m3时,方案1a、1b、2的运行费用与基准方案相等。据调研,我国寒冷地区主要城市的非居民天然气价格区间普遍为3.00～4.50元/m3,注重供冷工况运行能效的空气源热泵应用方式也具有节费空间。

图9 天津各方案年运行费用情况

4 严寒地区空气源热泵应用方式分析

4.1 冷热负荷情况

严寒地区以长春为例进行空气源热泵的应用分析。建筑逐时供冷供热需求见图10,计算得到设计冷负荷为2 309 kW,设计热负荷为2 767 kW,全年累计供热量需求为1 548 MW·h,累计供冷量需求为1 124 MW·h。

图10 长春某建筑逐时供冷供热需求

4.2 各方案的主机配置及初投资

长春冬季空调室外计算温度为-24.3 ℃,综合各主流热泵品牌提供的数据,同时考虑融霜对制热能力的影响,此温度对应的制热量衰减系数取0.428。结合建筑的供冷供热需求,空气源热泵的应用有以下3种设计方案:1) 建筑供冷供热需求均由热泵机组负担,即根据设计热负荷确定热泵的装机容量;2) 根据设计冷负荷确定热泵装机容量,冬季不足部分配置燃气锅炉,冬季优先运行热泵机组;3) 考虑到热泵制冷能效低,按设计冷负荷的30%配置冷水机组,制冷不足部分配置热泵机组,冬季热泵制热不足部分配置燃气锅炉。

根据设计冷负荷确定热泵装机容量、冬季不足部分配置燃气锅炉的方案,分别选用Ⅰ、Ⅱ系列热泵进行分析,其余2种热泵方案仅就Ⅰ系列热泵进行分析。各应用方式的冷热源配置方案和初投资见表3。

表3 长春各应用方式的冷热源配置方案和初投资

由于长春的冬季空调室外计算温度很低,空气源热泵的制热能力衰减较大,而且需应用价格更高的超低温型机组,使得4种热泵方案的初投资相比基准方案均有明显的增幅,其中全部应用热泵的方案1,因热泵装机容量大,初投资约为基准方案的3倍。

4.3 各方案的运行情况

各方案全年运行能耗如图11所示。

图11 长春各方案年运行能耗情况

冬季热泵运行期间,Ⅰ系列和Ⅱ系列热泵的制热季节能效比分别约为2.65和2.44,制热能效仍高于燃气锅炉折算为耗电量的制热能效,且长春的供热需求及相应的供热能耗远大于供冷,4种热泵方案的全年能耗均低于基准方案。方案1、2b、3应用了Ⅰ系列热泵,方案3还设置了冷水机组,使得这3种方案的节能率相近,在16.50%～19.00%之间;由于方案2a采用的热泵能效较低,相比基准方案的节能率仅为10.11%。

各方案全年运行碳排放量如图12所示。与上海、天津不同,在长春的气候条件下空气源热泵的制热能效较低,采用Ⅰ系列热泵供热工况的间接碳排放量略低于燃气锅炉的碳排放量,采用Ⅱ系列热泵供热工况的间接碳排放量略高于燃气锅炉的碳排放量,而供冷工况热泵方案的碳排放量不同程度地高于基准方案,因此4种热泵方案的全年总碳排放量均高于基准方案,方案4采用了复合的冷热源方式,碳排放增量较小,仅2.56%。

图12 长春各方案年运行碳排放情况

鉴于严寒地区的供热需求是影响年碳排放量的主要作用因素,在目前电力结构及电力碳排放因子情况下,热泵宜作为复合热源中的角色之一,在供暖初、末期等室外温度条件较好时运行,以使运行能效高于临界季节能效比,获得减排效益。远期随着电力碳排放因子逐渐降低,热泵机组可相应增加服务时长,获得更多的减排量。

长春市冬季非居民天然气价格为3.99元/m3[16],制热制冷运行期间平均电价约为0.88元/(kW·h),计算得到各方案全年运行费用,如图13所示。4种热泵方案运行费用都有所降低,方案2a由于采用的热泵能效偏低,节费率仅为4.05%;其他3种热泵方案节费率均在12%左右,且分别在天然气价格为3.35、3.38、3.17元/m3时,实现与基准方案的运行费用相同。据调研,我国严寒地区主要城市的非居民天然气价格普遍在3.00～4.00 元/m3之间,在冷热源系统搭建时加入空气源热泵普遍有利于节省运行费用。

图13 长春各方案年运行费用情况

5 结论

本文针对各气候区的特点,分别梳理了几种典型的空气源热泵应用方式,并通过与燃气锅炉+冷水机组方案的对比分析,得到如下结论:

1) 空气源热泵的能效对全年运行能耗、碳排放量和运行费用的影响很大,采用高效的热泵机组可在以上方面均取得很好的回报,工程项目中应尽量采用高效型热泵机组。

2) 夏热冬冷地区空气源热泵的应用实现了零直接碳排放,且供热工况的间接碳排放量较燃气锅炉降幅明显;全年运行的总能耗低于基准方案。该地区全年供冷量远大于供热量,在系统搭建时应重点关注供冷工况的能效,设计中优化配置水冷式冷水机组的容量并优先运行,以提高平均制冷能效。热泵机组兼具供冷供热功能,使得该地区热泵应用在初投资方面具有不同层面的优势。

3) 寒冷地区空气源热泵的应用具有较好的节能性,供热工况热泵的间接碳排放量仍低于燃气锅炉的碳排放量。该地区多数城市的年供冷量大于年供热量,系统的构建和运行仍应重点关注制冷工况的能效,投资允许时建议适当配置水冷式冷水机组。该地区冬季室外温度较低,热泵制热能力衰减较多,热泵方案的系统初投资较基准方案有一定的增加。

4) 严寒地区多数城市空气源热泵供热的间接碳排放量与燃气锅炉的碳排放量接近。该地区冬季室外温度低,热泵制热能力衰减多、能效降幅大,热泵方案的系统初投资增幅较大。该地区全年供热量大于供冷量,宜采用热泵+其他供热设备的复合热源方式,在室外温度条件较好时尽量运行热泵机组以提升运行能效,也有利于控制系统初投资。冷源方面仍建议在投资允许时适当配置水冷式冷水机组。

5) 相比基准方案,热泵方案的运行费用优劣与负荷特点、系统能效有关,更取决于当地天然气价格与电力价格的相对关系。根据本文测算的案例及主要城市的能源价格,热泵方案在多数城市均可获得节费效益。

6) 温和地区空气源热泵的应用和夏热冬冷地区较为类似,可参照其进行系统搭建;夏热冬暖地区仅有供冷需求,不推荐在该气候区的大、中型项目中应用空气源热泵机组。

7) 空气源热泵的应用适宜性与全年供冷(热)量、全年负荷分布、建设地气象条件对应的热泵制热能力和能效变化、能源价格、电力结构等均密切相关,实际工程中建议采用性能化设计方法,根据项目具体情况构建优化的系统配置。