丁偉翔 萬燕

1 杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院

2 杭州師范大學(xué)沈鈞儒法學(xué)院

1 項目概況

某住宅群位于山東省濱州市，總建筑面積為 80000 m2。圖1 為該地區(qū)的全年室外氣溫變化曲線圖。在寒冷的冬季，傳統(tǒng)上是采用燃料鍋爐制備熱水的方式為室內(nèi)供暖，該方式存在價格昂貴且環(huán)境污染等問題。低溫空氣源熱泵機組作為一種技術(shù)先進的節(jié)能設(shè)備，即使在室外溫度較低的情況下，也能夠保持較高的性能系數(shù)（COP，Coefficient Of Performance）[1]。本采暖工程擬采用低溫空氣源熱泵機組作為熱源，為住宅內(nèi)的居民提供適宜的室內(nèi)溫度。由于采暖工程中的熱源是主要的耗能設(shè)備，且在整個系統(tǒng)中的投資占比最高，因此在方案前期的經(jīng)濟性測算就顯得非常重要[2]。本文運用溫頻法，詳細地計算了該地區(qū)整個采暖季采用空氣源熱泵機組的能耗及運行費用，為該工程的合理運行與經(jīng)濟性分析提供依據(jù)。

圖1 山東省濱州市全年室外氣溫變化

2 基于溫頻法的測算步驟

溫頻法（BIN）是一種基于統(tǒng)計溫度頻數(shù)分布的負荷計算方法[3]。該方法是在度日法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，根據(jù)典型氣象年TMY（Typical Meteorological Year）的全年氣象參數(shù)，統(tǒng)計出一定間隔的溫度段中的溫度在全年或某一期間所出現(xiàn)的小時數(shù)。其次，假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)負荷(包括對流傳熱與輻射得熱)可變換成室外氣溫的線性關(guān)系，依此線性關(guān)系計算出不同間隔段溫度下的負荷，并乘以該溫度段出現(xiàn)的小時數(shù)，便得出該溫度下的冷、熱耗量。溫頻法作為一種簡化的計算模式，用作建筑暖通方案的前期分析中，可以迅速且準(zhǔn)確獲得建筑物的負荷指標(biāo)，進而為后續(xù)的設(shè)備系統(tǒng)選型提供依據(jù)。下面從“建筑負荷—設(shè)備選型—系統(tǒng)能耗”的角度，描述溫頻法在該工程中的完整計算過程。

2.1 負荷測算

工程所在地的采暖室外設(shè)計溫度為-7.6 ℃，采暖室內(nèi)設(shè)計溫度設(shè)定為18 ℃。采暖季歷經(jīng)4 個月（11 月 15 日至次年3 月15 日）?？紤]到不同月份的居民作息時間，采暖期間的日均運行時間為：在第一個月與最后一個月時，每天 12:00～13:00、18:00～ 次日 7:00 開啟；而在8:00～11:00、14:00～17:00 關(guān)閉。在第二個月與第三個月時，每天 12:00～14:00、17:00～ 次日 8:00 開啟；而在9:00～11:00、15:00～16:00 關(guān)閉。

①以相同間隔數(shù)選取室外溫度節(jié)點：{T1、T2、T3……Tn}，單位為 ℃。本測算取3 ℃為步長，因此所得溫度節(jié)點依次為：{-7.6，-4.6 ℃、-1.6 ℃、1.4 ℃、4.4 ℃、7.4 ℃、10.4 ℃、13.4 ℃、16.4 ℃}。

② 通過全年氣象數(shù)據(jù)集，找尋對應(yīng)溫度節(jié)點 ±1.5 ℃之間的頻數(shù)：{n1、n2、n3… …nn}，單位為 h。并且從中扣除室內(nèi)關(guān)閉采暖時間段中的小時數(shù)，溫度頻數(shù)分布情況的統(tǒng)計結(jié)果如圖 2 所示，共計采暖小時數(shù) 2113 h。

圖2 溫度頻數(shù)分布圖

③依據(jù)溫度節(jié)點熱負荷指標(biāo)計算公式[4]：HLn=3.74Tn-65.21，輸出對應(yīng)的溫度節(jié)點熱負荷指標(biāo)（W/m2）、溫度節(jié)點熱負荷（kW）、溫度節(jié)點供熱量指標(biāo)（kW·h/m2）、溫度節(jié)點供熱量（kW·h）匯總至表1。

表1 不同溫度節(jié)點時的熱負荷

2.2 主機設(shè)備選型

①對于任一溫度節(jié)點，（HLn·S）為熱泵主機在該溫度節(jié)點下的供熱量，依據(jù) max(HLn·S)完成設(shè)備選型與配置（容量、臺數(shù)）。經(jīng)計算，該工程的最大熱負荷為 7491 kW。所選用的低溫空氣源熱泵，在該溫度下的單機額定供熱量為138 kW，則設(shè)計工況下的運行臺數(shù)為 55 臺。

②依據(jù)（HL·1S、HL·2S、HL·3S…………HL·nS）配置不同溫度節(jié)點下的運行臺數(shù)：{N1、N2、N3… ………Nn}={55，48，42，35，29，22，16，9，3 }，此為與負荷相匹配的減機運行策略。

2.3 系統(tǒng)總性能系數(shù)能耗測算

圖3 空氣源熱泵機組COP 隨環(huán)境溫度的變化

②系統(tǒng)的總性能系數(shù)為采暖總供熱量與機組總耗電量的比值：COPsys=Qw/E主機=2.71。滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 《GB37480-2019 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組能效限定值及能效等級標(biāo)準(zhǔn)》 中關(guān)于低溫?zé)岜脵C組的能效等級限定指標(biāo)[5]。

3 運行費用結(jié)果分析

圖4 展示了采暖季四個月的逐月建筑熱負荷與機組耗電量。從中可以看出，1 月15 日至2 月15 日的建筑熱負荷達到最大值 3550338.08 kW·h，機組能耗也達到最大值 1386951.76 kW·h。依據(jù)耗電量來計算采暖工程的運行費用，住宅區(qū)內(nèi)存在峰谷電價：上午 8:00～下午19:00 為電價峰值0.6 元/kW·h，而谷值0.4 元/kW·h 處于下午20:00～次日7:00。圖5 為采暖季逐月運行費用與機組 COP 對比，從中可以看出，在氣溫較高的月份（初月及末月），機組運行時的性能系數(shù) COP 較高，使得整體的運行費用較低。而在氣溫最低的第三個月，由于建筑熱負荷最大且機組的性能系數(shù) COP 最低，該月的運行費用達到采暖季的最大值 64.14 萬元。經(jīng)統(tǒng)計計算，在整個采暖季，運用低溫空氣源熱泵機組的總運行費用為183.43 萬元，單位面積運行費用為22.93 元/m2。

圖4 采暖季逐月建筑熱負荷與機組能耗對比

圖5 采暖季逐月運行費用與機組COP 對比

4 總結(jié)

本文針對位于濱州市某住宅群的采暖工程，采用溫頻法的方式，通過溫頻統(tǒng)計、負荷計算、設(shè)備選型等一系列步驟，詳細計算了該工程采用低溫空氣源熱泵機組作為熱源時的預(yù)期采暖總能耗及運行費用。測算結(jié)果表明：運用低溫空氣源熱泵機組的采暖季系統(tǒng)總性能系數(shù)為 2.71，總運行費用為 183.43 萬元，單位面積運行費用為22.93 元/m2。測算結(jié)果為該項采暖工程在實際中的運行情況及經(jīng)濟性分析提供依據(jù)與參考。