住宅空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的能效分析模型研究

姚 丹

（大金（中國）投資有限公司，上海 200000）

1 空氣源熱泵地暖系統(tǒng)在住宅采暖中的應(yīng)用

在筆者自身的工作實(shí)踐中，主導(dǎo)、參與過多項(xiàng)空氣源熱泵產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，這些項(xiàng)目既有空氣源冷熱水機(jī)組，也包括空氣源熱泵天氟地水產(chǎn)品類型。系統(tǒng)容量上，從適用于小戶型的10 kW 以下的，到應(yīng)用于別墅等大戶型的單臺40 kW 以上的機(jī)組，都有設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

在雙碳政策大背景下，住宅采暖由空氣源熱泵取代燃?xì)馐绞潜厝坏陌l(fā)展趨勢。本研究將從運(yùn)行能耗和運(yùn)行成本的角度出發(fā)，通過建立分析計(jì)算模型，比較兩種技術(shù)，研究空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的能效和經(jīng)濟(jì)性，為將來更好的商品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 空氣源熱泵地暖系統(tǒng)的構(gòu)成

空氣源熱泵地暖系統(tǒng)由提供熱源的主機(jī)和提供室內(nèi)采暖的地暖回路兩部分組成。

熱泵主機(jī)是為整個(gè)采暖系統(tǒng)提供熱力來源的部分，由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流裝置四大主要部件組成。壓縮機(jī)是提供熱力的核心部件，住宅采暖系統(tǒng)主要采用的是渦旋式壓縮機(jī)，在小容量的機(jī)組中，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)有更好的效率和效果。部分廠家會(huì)將噴氣增焓回路設(shè)計(jì)到主機(jī)系統(tǒng)中，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱效率。

冷凝器和蒸發(fā)器都屬于熱交換器。冷凝器是將熱量傳向地暖系統(tǒng)的換熱器，承擔(dān)著制冷劑和采暖工質(zhì)之間的換熱工作，因此其內(nèi)部被設(shè)計(jì)成兩種工質(zhì)交互流動(dòng)，以傳遞熱量的結(jié)構(gòu)。板片式和套管式是比較常見的類型。蒸發(fā)器是從室外獲取熱能的換熱器，空氣源熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器都是風(fēng)冷換熱器，目前最成熟的技術(shù)是翅片式盤管換熱器。

節(jié)流裝置位于兩器之間，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)制冷劑的物理狀態(tài)（溫度、壓力），穩(wěn)定循環(huán)。絕大部分的熱源主機(jī)都已采用電子膨脹閥作為節(jié)流裝置。

四大部件通過制冷劑管路連接，形成循環(huán)系統(tǒng)，提供穩(wěn)定熱源。熱泵主機(jī)系統(tǒng)回路示意見圖1。

圖1 熱泵主機(jī)系統(tǒng)回路示意圖

地暖回路是實(shí)際提供采暖效果的部分，傳熱工質(zhì)從冷凝器獲取熱量，投放至地暖盤管，實(shí)現(xiàn)采暖。實(shí)際應(yīng)用中，水是最方便最常見的采暖工質(zhì)。地暖回路中需要設(shè)置水泵以帶動(dòng)采暖水往復(fù)循環(huán)，向室內(nèi)供熱。同時(shí)，為了保證水循環(huán)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通常還會(huì)在水路上配置安全閥、穩(wěn)壓水箱、房間溫控器等設(shè)備。

南方地區(qū)的采暖，往往會(huì)有各房間獨(dú)立控制的需求，這時(shí)，可以通過配置能與分水器電磁閥開關(guān)相聯(lián)動(dòng)的房間溫控器，來實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間單獨(dú)的地暖開關(guān)和室溫控制的要求，地暖回路系統(tǒng)示意見圖2。

圖2 地暖回路系統(tǒng)示意圖

空氣源熱泵地暖系統(tǒng)看似復(fù)雜，但從舒適性、安全性、節(jié)能性等實(shí)際角度來看，其系統(tǒng)有很高的合理性。加之，近年來設(shè)計(jì)制造廠商技術(shù)水平的發(fā)展，商品的小巧化、集成化水平越發(fā)提高，極大的簡化了產(chǎn)品的安裝和使用。

3 空氣源熱泵地暖系統(tǒng)能效設(shè)計(jì)的分析模型

本研究的思路是，首先比較這兩種系統(tǒng)在相同氣候和建筑負(fù)荷條件下的實(shí)際運(yùn)行能耗，再引入城市居民能源單價(jià)和年間季節(jié)氣候變化這兩個(gè)條件，以此換算出兩種系統(tǒng)的年間采暖的運(yùn)行費(fèi)用。在進(jìn)行費(fèi)用比較的基礎(chǔ)上，反向思考空氣源熱泵設(shè)計(jì)所應(yīng)達(dá)到的能效指標(biāo)。

首先要進(jìn)行使用季節(jié)的建筑采暖負(fù)荷計(jì)算，由兩部分組成，建筑墻體的熱能耗以及設(shè)備啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行之間的能耗。前者是采暖設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對抗建筑自身的熱損失所必須保證的負(fù)荷，后者則要考慮，在實(shí)際使用中設(shè)備不是24 小時(shí)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)的，會(huì)有啟停的時(shí)間，啟動(dòng)階段的負(fù)荷也是需要計(jì)算的。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的建筑墻體熱能耗，由室內(nèi)外溫度差、產(chǎn)生熱能耗的建筑面積、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)以及運(yùn)行時(shí)間這四者決定，通過以下的公式進(jìn)行計(jì)算

式中：Q1：建筑墻體熱能耗，單位Wh；Ti：室內(nèi)溫度，單位℃；To：室外溫度，單位℃；K：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，單位W/(m2·K)；S：產(chǎn)生熱能耗的建筑面積，單位m2；t：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

啟動(dòng)階段的負(fù)荷能耗，要分兩個(gè)部分來考慮，第一部分是對房間內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱，達(dá)到目標(biāo)采暖室溫的能耗。目標(biāo)溫度和初始溫度的差值，以及需要被加熱的室內(nèi)空氣的體積，共同決定了這部分的能耗，再通過空氣密度、比熱等常數(shù)，可以進(jìn)行計(jì)算，公式如下

式中：Q2：啟動(dòng)階段空氣加熱能耗，單位Wh；Ti：室內(nèi)溫度，單位℃；To：室外溫度，單位℃；V 空：被加熱室內(nèi)空氣體積，單位m3；ρ 空：空氣密度，單位Kg/m3；C 空：空氣比熱，單位J/（Kg·K）。

另一部分是啟動(dòng)階段，對于系統(tǒng)水溫提升過程中所消耗的熱能，由目標(biāo)水溫和初始水溫的溫差，系統(tǒng)的水容積再結(jié)合水比熱常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下

式中：Q3：啟動(dòng)階段水加熱能耗，單位Wh；Tw1：采暖目標(biāo)水溫，單位℃；Tw0：初始水溫，單位℃；V 水：采暖系統(tǒng)水容積，單位m3；C 水：水比熱，單位J/（Kg·K）。

以上三部分共同構(gòu)成了使用季節(jié)的建筑采暖負(fù)荷，為了計(jì)算出這些負(fù)荷，需要進(jìn)行常數(shù)和變量的確定。

常數(shù)部分：室內(nèi)溫度，在冬季采暖時(shí)，室內(nèi)一般需要達(dá)到20℃以上，24～26℃是較為理想的范圍，本研究采用25℃作為常數(shù)計(jì)算條件。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，在我國的建筑負(fù)荷計(jì)算中，不同地區(qū)采用不同的數(shù)值，但對于同一地區(qū)為恒定的常數(shù)，本文將參考《GB 50189-2015 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的數(shù)據(jù)[1]，對于寒冷地區(qū)，采用0.6 W/(m2·K)，夏熱冬冷地區(qū)則采用1.0 W/(m2·K)?？諝獾拿芏纫驕囟群蛪毫Σ煌兴淖?，但因該類變化與能耗計(jì)算關(guān)系不大，故本研究統(tǒng)一采用0.1 Mpa，25 ℃時(shí)空氣密度1.169 1 Kg/m3作為計(jì)算常數(shù)?？諝獾谋葻嵬?，采用1 030 J/（Kg·K）進(jìn)行計(jì)算。

在水系統(tǒng)方面，采暖目標(biāo)水溫的設(shè)定是為了獲得理想的采暖效果，在本分析模型中，則用來作為啟動(dòng)階段的能耗計(jì)算條件。出于對比計(jì)算的考慮，統(tǒng)一采用45 ℃作為目標(biāo)水溫。而水比熱，則采用較為公認(rèn)的4 174 J/（Kg·K）進(jìn)行計(jì)算。

變量部分：本計(jì)算過程中，涉及的變量較多，需根據(jù)情況逐一進(jìn)行設(shè)定。

室外溫度隨地點(diǎn)和時(shí)間不同而改變，采暖負(fù)荷的計(jì)算是針對某一地區(qū)在整個(gè)采暖季節(jié)期間進(jìn)行的，因而室外溫度無法作為常數(shù)計(jì)算，需要參考?xì)v史氣象數(shù)據(jù)。本研究中，將首先采用上海地區(qū)的氣溫條件為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，再推廣到不同地區(qū)。為了便于計(jì)算，這里采用每個(gè)月的日均溫度分別計(jì)算，日均最高溫度作為白天的溫度，日均最低溫度作為夜間的溫度。將晝夜的負(fù)荷分開計(jì)算是有必要的，如上海等一些城市，電費(fèi)是采用晝夜平谷分時(shí)計(jì)費(fèi)的，分晝夜計(jì)算能更好的提升精度，反映實(shí)際情況。產(chǎn)生熱能耗的建筑面積及被加熱的室內(nèi)空氣體積，這兩者源自建筑本身的屬性，本研究對兩種采暖方式在同一建筑條件中做比較，所以，將此屬性由變量轉(zhuǎn)換為常量進(jìn)行計(jì)算。本次分析，選定一套現(xiàn)實(shí)中實(shí)際存在的住宅，戶型為3 室2廳，地暖總鋪設(shè)面積為84 m2。

采用地板輻射作為采暖末端時(shí)，地板是室內(nèi)熱源，可以認(rèn)為室內(nèi)四周的墻面是主要的熱能耗面積，這里根據(jù)一般室內(nèi)裝修經(jīng)驗(yàn)，采用地面面積的1.5 倍來計(jì)算墻體面積，即熱能耗面積在后文的計(jì)算中一律采用126 m2。

被加熱的室內(nèi)空氣體積，根據(jù)《國家住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》，選定一般住宅層高為2.8 m，則84 m2的空間內(nèi)，被加熱空氣體積為235.2 m3。

確定了地暖面積，也基本上就能夠確定地暖的系統(tǒng)水容積，對于84 m2的鋪設(shè)面積，根據(jù)一般地暖工程的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定水容積量為280 L（0.28 m3）。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間與室外溫度有關(guān)，在本研究中統(tǒng)一定義，當(dāng)環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí)，連續(xù)運(yùn)行；反之則不運(yùn)行。

初始水溫是啟動(dòng)階段能耗的計(jì)算條件，可以認(rèn)為在機(jī)組啟動(dòng)之前，由于沒有采暖，此時(shí)的水溫應(yīng)該和室外溫度是相同的，因此初始水溫采用室外溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。[2]

以上完成了所有常數(shù)和變量的定義，由此，就能夠進(jìn)行負(fù)荷能耗的計(jì)算了。

根據(jù)逐月的氣候條件，和使用時(shí)長，通過公式（1）就能計(jì)算出上海地區(qū)的逐月建筑負(fù)荷能耗，再對其分別求和可得，晝間的全年能耗為2 722 kWh，夜間全年能耗為3 145 kWh。

進(jìn)一步通過公式（2）和公式（3）能夠計(jì)算出啟動(dòng)階段的能耗，考慮一般住宅每周啟停采暖設(shè)備以此，即每月啟動(dòng)4 次，由此能夠計(jì)算出逐月的啟動(dòng)能耗，求和得到全年的啟動(dòng)能耗為323.6 kWh。

上述兩部分計(jì)算，可以得到如下的總和數(shù)據(jù)：年間晝間熱能耗2 722 kWh，年間夜間熱能耗3 468.6 kWh，年間總計(jì)熱能耗6 190.6 kWh。

將以上求得的熱負(fù)荷能耗，分別換算成燃?xì)夂蜔岜孟到y(tǒng)的能源消耗。

燃?xì)馐褂昧康挠?jì)算，需要引入新的常數(shù)——燃?xì)鉄嶂担礃?biāo)準(zhǔn)單位體積的燃?xì)馑茚尫懦龅臒崃?。我國城?zhèn)居民主要使用的管道天然氣，其單位立方米熱值一般在8 000～9 000 kcal，取中間數(shù)8 500 kcal，換算成國際單位為35.59 MJ/m3。

年間總計(jì)熱能耗6 190.6kWh，經(jīng)換算相當(dāng)于22 286.16 MJ，通過熱值，即可算出年間的天然氣消耗量約為626.2 m3。

實(shí)際使用中的燃?xì)饬窟€受到燃?xì)鉅t的熱效率值影響。根據(jù)《GB 20665-2015 家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級》中的規(guī)定[3]，將采暖爐的熱效率值分為3 個(gè)等級，限值要求分別為99%、89%、86%。以此為依據(jù)，可計(jì)算出達(dá)到3 個(gè)等級要求的燃?xì)獠膳癄t的實(shí)際年間燃?xì)馐褂昧俊?/p>

進(jìn)一步根據(jù)地區(qū)居民燃?xì)赓M(fèi)單價(jià)，最終換算出年間運(yùn)行費(fèi)用。上海地區(qū)的居民管道天然氣價(jià)格，按照年用量分三檔階梯單價(jià)：3 元/m3（0～310 m3），3.3 元/m3（310～520m3），4.2（520 m3以上）。燃?xì)庥昧亢瓦\(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果為：1 級能效使用燃?xì)饬?32.5 m3，費(fèi)用2 095.6 元；2 級703.6 m3，2 394.1 元；3 級728.1 m3，2497.1 元。

電費(fèi)單價(jià)方面，上海地區(qū)的居民用電按照年用量分三檔階梯單價(jià)，且晝夜峰谷時(shí)段分別定價(jià)，例如第一檔（0～3 120 度/戶·年）峰時(shí)段0.617 元/度、谷時(shí)段0.307 元/度，后兩檔逐漸遞增。

通過能效值和電費(fèi)單價(jià)，就能進(jìn)一步計(jì)算出系統(tǒng)全年的耗電量和總運(yùn)行電費(fèi)。結(jié)果顯示，年總耗電量為2 579.4kWh，年總運(yùn)行電費(fèi)為1 143.5 元，與3 種能效等級的燃?xì)庀到y(tǒng)相比，分別相當(dāng)于其運(yùn)行費(fèi)用的54.6%、47.8%、45.8%，節(jié)省費(fèi)用效果相當(dāng)可觀。

根據(jù)以上的分析方法，也能夠計(jì)算出全國其他城市的相應(yīng)數(shù)據(jù)，表1 是選取的部分代表城市的全年采暖能耗和運(yùn)行費(fèi)用的情況。

表1 能效等級1 級的燃?xì)獠膳到y(tǒng)作對比

可以看出，在不同的區(qū)域，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省的效果不盡相同。華東地區(qū)效果最為明顯；華北和中部地區(qū)次之，約有20%節(jié)省效果；而西南和西北地區(qū)運(yùn)行所消耗的電費(fèi)和燃?xì)赓M(fèi)用則幾乎相當(dāng)，未體現(xiàn)出熱泵運(yùn)行成本節(jié)省的優(yōu)勢。

對于不能很好體現(xiàn)熱泵經(jīng)濟(jì)性的地區(qū)，除了有氣候特征、能源單價(jià)差異等因素外，根本上還是要提高熱泵的設(shè)計(jì)能效水平。若將性能系數(shù)水平提升至3.0，則成都和西安兩地的節(jié)省效果將分別上升至22%和21%。這就需要技術(shù)人員更加合理的選型優(yōu)化，設(shè)計(jì)出符合地域需求的，更高能效的熱泵系統(tǒng)產(chǎn)品。

4 結(jié)論

綜上所述，通過合理的能效設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)性方面熱泵系統(tǒng)與燃?xì)庀啾仁悄荏w現(xiàn)出明顯優(yōu)勢的。這種運(yùn)行成本上的回報(bào)率，也可以一定程度上指導(dǎo)熱泵產(chǎn)品的能效設(shè)計(jì)目標(biāo)。

可以預(yù)見，為了早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，熱泵技術(shù)還能有更廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。希望能效的設(shè)計(jì)研究，也能為這一事業(yè)繼續(xù)發(fā)展提供一些有益的貢獻(xiàn)。