地域与建筑类型对低环温空气源热泵减碳量定量评估的影响分析

郭 扬，刘骏亚，包继虎，牛晓文，陆 磊，周 坤

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年来，低环境温度空气源热泵（冷水）机组逐渐成为寒冷地区重要的空调冷热源设备，当前迫切需要相应的标准规范来衡量低温空气源热泵的碳排放水平。国内针对低温空气源热泵定量评估减碳量这一思路暂无相应方法学指导。有学者指出，定量评估减碳量需要在兼顾气候区域、建筑类型及建造年代等差异性的前提下，加强标准规范的体系性建设［1］。关于气候区域、建筑类型2 个因素，欧洲、美国、日本对空调器进行能效评价的标准体系均将全国划分为不同的区域来设计［2-4］，国内的一些学者也认为采用单一的气象及运行时间对空调进行能效评价的方式是值得商榷的［5-8］。上述两个因素对低温空气源热泵减碳量评估的影响暂无研究。本文选取北京、西安、哈尔滨、呼和浩特为代表城市，针对低温空气源热泵减碳量定量评估方法学的关键问题，对气候区域、建筑类型对减碳量评估的影响进行分析。

1 低温空气源热泵制热季节减碳量的评估方法学

1.1 基本假设

依据T/CECA-G 0164—2022《高效节能产品减碳量评估技术通则》对低温空气源热泵减碳量评估作如下假设：（1）针对单台低温空气源热泵单年的使用阶段；（2）以拟评估产品提供相同的年服务量为前提；（3）在标准化使用条件下进行；（4）仅涉及电的能源相关排放。

1.2 低温空气源热泵减碳量的评估流程

1.2.1 拟评估产品年能耗

拟评估产品的年能耗按下式计算：

式中，Et为拟评估产品年能耗，W·h；HSTE为制热季节耗电量，W·h。

制热季节耗电量HSTE按下式计算：

式中，Lh（tj）为温度tj时的房间热负荷；COPbin（tj）为各工作温度下的制热性能系数，通过对规定工况测试的COP插值计算得出，W/W；PRH（tj）为机组在温度tj时，所投入辅助电加热的消耗功率，W；nj为制热季节中机组的各温度下工作时间，h。

1.2.2 基准产品年能耗

基准产品的年能耗按下式计算：

式中，Eb为基准产品年能耗，W·h；Efft为拟评估产品的季节能效指标；Effb为基准产品的季节能效指标。

制热季节性能系数HSPF按下式计算：

制热季节总负荷HSTL按下式计算：

式中，Lh（tj）为温度tj时的房间热负荷，W·h。

1.2.3 拟评估产品的年节能量及减碳量

拟评估产品的年节能量按下式计算：

式中，Es为目标产品年节能量，W·h。

拟评估产品的年减碳量按下式计算：

式中，ER为拟评估产品的年减碳量，g；EF为电网排放因子，g/（W·h），取EF=0.581 g/（W·h）。

1.2.4 试验方法

通过试验方法确定拟评估产品的年能耗和季节能效指标，试验方法依据GB/T 25127.1—2020标准附录B。

1.3 减碳量评估方法的关键问题

1.3.1 标准化年使用条件

基于数据调研，获得社会共识的、能反应用户普遍行为模式的用能产品年使用条件，包含使用次数、使用时长等要素。

1.3.2 基准产品的选择

基准产品优选国家规定的能效限值，也可以根据实际使用情况，提供自定义的限定值。

2 基于DeST 的标准化年使用条件的确定

2.1 制热季节的起止时间

当自然室温满足室内空气计算参数时，认为不需要供暖［9］，因此可将连续3 天低于此自然室温对应的时刻作为制热季节的起始时间。

建筑模型参数如下：（1）长度24 m，宽度12 m，高度18 m，层高3 m，共6 层，形体系数为0.3 m-1；窗墙比：东、西向0.2，南向0.3，北向0.2，朝向为正南；（2）维护结构导热系数按照城市取值，室外表面换热系数α=20 W/（m2·K），外表面太阳辐射吸收率e=0.5；外窗导热系数K＝3.0 W/（m2·K），平均太阳得热系数SHGC=0.4。

对模拟计算得出的逐时外温与逐时建筑物自然室温进行线性拟合，得出二者的线性关系式，以哈尔滨为例，进行线性拟合，如图1 所示，依据关系式可得出自然室温为18 ℃时对应的室外温度，采用该方法确定的不同城市制热季节的起止时间见表1。

表1 不同城市制热季节起止时间Tab.1 Starting and ending time of heating season

图1 自然室温与逐时外温的线性拟合Fig.1 Linear fitting of natural room temperature and hourly external temperature

2.2 低温空气源热泵在不同建筑类型内的运行时间

GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》对建筑类型、空调的运行时间做出了规定，见表2。

表2 GB 55015—2021 规定的建筑类型与运行时间Tab.2 Building types and operating times in GB 55015—2021

2.3 低温空气源热泵在不同建筑类型、不同城市条件下的温度-小时数分布

依据表2，3 对北京、西安、哈尔滨、呼和浩特不同建筑类型对应的运行时间进行统计，建筑类型划分为类型1（办公建筑）、类型2（旅馆建筑、居住建筑、工业建筑）、类型3（商业建筑、医疗建筑-门诊）、类型4（学校建筑）共4 类。其中学校建筑除表2 规定的作息外，对寒假时间进行了特殊赋值。北京、西安、呼和浩特、哈尔滨的4 种建筑类型的温度-小时数分布如图2 所示，即为标准化年使用条件。

3 基准产品的选择

低温空气源热泵产品能效标准采用综合部分负荷性能系数（IPLV）为评价指标，GB/T 25127.1—2020 以年度性能系数（APF）为评价体系［10］，二者计算理论依据与边界条件并不统一［11］。本文将基准产品的季节能效指标选取为GB/T 25127.1—2020 的制热季节性能系数（HSPF）限定值，见表3。在进行使用场景为北京、西安2 个城市的减碳量评估时，采用GB/T 25127.1—2020的限定值是可行的，但以哈尔滨、呼和浩特为使用场景的减碳量评估时，反而会出现拟评估产品的能耗比基准产品能耗还要多的情况，下文以GB/T 25127.1—2020 的适用性来说明。

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

名义工况代表制热不保证时间为3%所对应的干球温度［12］。对北京、济南、西安、长春、天津、哈尔滨、呼和浩特的制热时间进行分析，见图3。当名义工况设置为GB/T 25127.1—2020 规定的-12 ℃时，北京、济南、西安、天津能满足3%的不保证率，此时哈尔滨、长春、呼和浩特的制热时间不保证率大于10%。而表3 中规定的限定值是以-12 ℃为名义工况为前提，因此在进行以哈尔滨、呼和浩特为基准的减碳量评估时，采用GB/T 25127.1—2020 的限定值并不合理。

图3 不同城市的供热时间不保证率Fig.3 Non-guarantee rate of heating time in different cities

4 试验装置

试验在国家压缩机制冷设备质量检验检测中心的低温实验室进行。实验室空气侧及水侧处理流程如图4 所示，试验装置由制冷系统、空气调节处理柜、电气控制系统和加热、加湿系统构成。该实验室重复性小于2%，测量用仪器仪表准确度均满足GB/T 25127.1—2020 标准的规定并校验合格，且在有效期内，确保了测试结果的准确性。

图4 实验室原理Fig.4 Laboratory principle

5 试验结果分析与减碳量的计算

5.1 试验结果

选取2 台样机进行测试，样机信息见表4。以北京学校建筑为例，标准化年使用条件见表5，依据 GB/T 25127.1—2020 中B4.3.2 的规定，计算温度区间1～32，对应温度范围为-19～12 ℃，对每一温度区间输入功率与发生小时数进行乘积并求和，该计算值即为机组使用地域为北京，使用场景为学校建筑的HSTE。

表4 样机基本信息Tab.4 Basic information of prototype

依据上述方法，针对不同地域、不同建筑类型的计算，依据第2 节确定的标准化年使用条件，采用Excel 编程并借助VB6.0 编制计算软件，软件界面如图5 所示。

图5 碳排放当量计算软件Fig.5 Carbon emission equivalent calculation software

编号A，B，C，D 依次代表北京、西安、哈尔滨、呼和浩特，编号1，2，3，4 依次代表类型1、类型2、类型3、类型4，从图6，7 可以看出，建筑类型、地域表现出明显不同。

图6 各类型建筑温度-小时数分布Fig.6 Distribution of temperature-hours of various types of buildings

图6 样机1 不同城市不同建筑类型试验结果Fig.6 Prototype 1 Measured values of different building types in different cities

图7 样机2 不同城市不同建筑类型试验结果Fig.7 Prototype 2 Measured values of different building types in different cities

5.2 实测气象参数的验证

DeST 采用的数据库为中国标准年CSWD，由中国国家气象中心气象资料室收集的全国270个地面气象台站1971—2003 年的实测气象数据经清华大学建筑技术科学系经一定的方法统计得出［15］。

为验证采用DeST 气象模型计算的准确性，以哈尔滨某热力公司的2021—2022 年供热季实测气象数据为基础进行统计，实测逐时气温与DeST 模型逐时气温对比见图8，二者的变化趋势是一致的。依据实测值统计得到不同建筑类型的标准化年使用条件见图9。随机选取国家压缩机制冷设备质量检验检测中心5 台低温空气源热泵的测试结果进行对比，结果见图10。样机编号为样机a～e，横坐标为类型编号，A 代表采用DeST气象参数，B 代表采用实测气象参数，1～4 代表不同建筑类型，HSTE计算值平均偏差为14%。

图8 哈尔滨实测逐时气温与DeST 模型逐时气温对比Fig.8 Comparison between the measured hourly temperature in Harbin and DeST model hourly temperature

图9 依据实测值统计的标准化使用条件Fig.9 Standardized conditions of use for statistics based on measured values

图10 不同气象参数HSTE 的对比Fig.10 Verification of HSTE in heating season

5.3 减碳量评估结果

基于标准水平，使用场景为北京、西安的2 台样机，节能量及减碳量计算结果见表6、表7。同一地区不同建筑类型下,2 台样机的减碳量差距最大值在74%左右，最大值均为建筑类型2，即旅馆建筑，对应的运行时间为全年24 h 运行；最小值为建筑类型4，即学校建筑。同一建筑类型下，处于不同地区的减碳量也有差距，样机1 的差距在9%～28%之间，样机2的差距在2%～8%之间。特殊的，对比办公建筑与学校建筑的运行时间表得知，除去针对学校建筑设置的寒假时间，低温空气源热泵在办公建筑与学校建筑的运行时间是一致的，因此表6 与表7 中的办公建筑与学校建筑减碳量的不同正是由于这一因素的影响，差距最大为24%。

表6 样机1 节能量及减碳量计算结果Tab.6 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 1

表7 样机2 节能量及减碳量计算结果Tab.7 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 2

计算结果表明，减碳量的大小与城市及建筑类型密切相关，对学校建筑做单独分类是有必要的。在条件允许的情况下，使用不同地区、不同建筑类型的HSPF限定值作为基准，是相对合理的设置，为避免混淆，在低温空气源热泵的制热季节减碳量评估时，建议将评估结果明示为基于某一城市和某一建筑类型的减碳量。

6 结论

（1）基于DeST 气象参数模型，依据GB 55015—2021 相关规定，确定了低温空气源热泵在不同地区不同建筑类型的温度-小时数分布，与哈尔滨实测气象参数进行了验证，HSTE计算值平均偏差为14%。

（2）提出了低温空气源热泵不同城市、不同建筑类型的减碳量计算方法，可用于衡量选型产品是否达到政府、甲方等规定的减碳目标及应用场景。评估结果表明，学校建筑（类型4）的减碳量大小与寒假设置相关，是否设置寒假的影响最大为24%。相关标准制定时，建议考虑按照类型1（办公建筑）、类型2（旅馆建筑、居住建筑、工业建筑）、类型3（商业建筑、医疗建筑-门诊）、类型4（学校建筑）划分建筑类型。

（3）建议使用不同地区、不同建筑类型的HSPF限定值作为基准产品，现行能效标准GB 37480—2019 不能满足评估要求；进行基于哈尔滨、呼和浩特的减碳量评估时，以GB/T 25127.1—2020 的限定值作为基准产品的能效水平有待商榷，现亟需对适用于该类地区的低温空气源热泵标准进行制订。