丁偉翔 萬(wàn)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(xiàng)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(jià)格昂貴且環(huán)境污染等問題。低溫空氣源熱泵機(jī)組作為一種技術(shù)先進(jìn)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(jī)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(gè)系統(tǒng)中的投資占比最高，因此在方案前期的經(jīng)濟(jì)性測(cè)算就顯得非常重要[2]。本文運(yùn)用溫頻法，詳細(xì)地計(jì)算了該地區(qū)整個(gè)采暖季采用空氣源熱泵機(jī)組的能耗及運(yùn)行費(fèi)用，為該工程的合理運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)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(cè)算步驟

溫頻法（BIN）是一種基于統(tǒng)計(jì)溫度頻數(shù)分布的負(fù)荷計(jì)算方法[3]。該方法是在度日法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，根據(jù)典型氣象年TMY（Typical Meteorological Year）的全年氣象參數(shù)，統(tǒng)計(jì)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(shí)數(shù)。其次，假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷(包括對(duì)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(jì)算出不同間隔段溫度下的負(fù)荷，并乘以該溫度段出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)，便得出該溫度下的冷、熱耗量。溫頻法作為一種簡(jiǎn)化的計(jì)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(fù)荷指標(biāo)，進(jìn)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(fù)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(jì)算過(guò)程。

2.1 負(fù)荷測(cè)算

工程所在地的采暖室外設(shè)計(jì)溫度為-7.6 ℃，采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為18 ℃。采暖季歷經(jīng)4 個(gè)月（11 月 15 日至次年3 月15 日）。考慮到不同月份的居民作息時(shí)間，采暖期間的日均運(yùn)行時(shí)間為：在第一個(gè)月與最后一個(gè)月時(shí)，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(gè)月與第三個(gè)月時(shí)，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(diǎn)：{T1、T2、T3……Tn}，單位為 ℃。本測(cè)算取3 ℃為步長(zhǎng)，因此所得溫度節(jié)點(diǎn)依次為：{-7.6，-4.6 ℃、-1.6 ℃、1.4 ℃、4.4 ℃、7.4 ℃、10.4 ℃、13.4 ℃、16.4 ℃}。

② 通過(guò)全年氣象數(shù)據(jù)集，找尋對(duì)應(yīng)溫度節(jié)點(diǎn) ±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(shí)間段中的小時(shí)數(shù)，溫度頻數(shù)分布情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 2 所示，共計(jì)采暖小時(shí)數(shù) 2113 h。

圖2 溫度頻數(shù)分布圖

③依據(jù)溫度節(jié)點(diǎn)熱負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算公式[4]：HLn=3.74Tn-65.21，輸出對(duì)應(yīng)的溫度節(jié)點(diǎn)熱負(fù)荷指標(biāo)（W/m2）、溫度節(jié)點(diǎn)熱負(fù)荷（kW）、溫度節(jié)點(diǎn)供熱量指標(biāo)（kW·h/m2）、溫度節(jié)點(diǎn)供熱量（kW·h）匯總至表1。

表1 不同溫度節(jié)點(diǎn)時(shí)的熱負(fù)荷

2.2 主機(jī)設(shè)備選型

①對(duì)于任一溫度節(jié)點(diǎn)，（HLn·S）為熱泵主機(jī)在該溫度節(jié)點(diǎn)下的供熱量，依據(jù) max(HLn·S)完成設(shè)備選型與配置（容量、臺(tái)數(shù)）。經(jīng)計(jì)算，該工程的最大熱負(fù)荷為 7491 kW。所選用的低溫空氣源熱泵，在該溫度下的單機(jī)額定供熱量為138 kW，則設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行臺(tái)數(shù)為 55 臺(tái)。

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

2.3 系統(tǒng)總性能系數(shù)能耗測(cè)算

圖3 空氣源熱泵機(jī)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(jī)組總耗電量的比值：COPsys=Qw/E主機(jī)=2.71。滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 《GB37480-2019 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 中關(guān)于低溫?zé)岜脵C(jī)組的能效等級(jí)限定指標(biāo)[5]。

3 運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果分析

圖4 展示了采暖季四個(gè)月的逐月建筑熱負(fù)荷與機(jī)組耗電量。從中可以看出，1 月15 日至2 月15 日的建筑熱負(fù)荷達(dá)到最大值 3550338.08 kW·h，機(jī)組能耗也達(dá)到最大值 1386951.76 kW·h。依據(jù)耗電量來(lái)計(jì)算采暖工程的運(yùn)行費(fèi)用，住宅區(qū)內(nèi)存在峰谷電價(jià)：上午 8:00～下午19:00 為電價(jià)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(yùn)行費(fèi)用與機(jī)組 COP 對(duì)比，從中可以看出，在氣溫較高的月份（初月及末月），機(jī)組運(yùn)行時(shí)的性能系數(shù) COP 較高，使得整體的運(yùn)行費(fèi)用較低。而在氣溫最低的第三個(gè)月，由于建筑熱負(fù)荷最大且機(jī)組的性能系數(shù) COP 最低，該月的運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到采暖季的最大值 64.14 萬(wàn)元。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在整個(gè)采暖季，運(yùn)用低溫空氣源熱泵機(jī)組的總運(yùn)行費(fèi)用為183.43 萬(wàn)元，單位面積運(yùn)行費(fèi)用為22.93 元/m2。

圖4 采暖季逐月建筑熱負(fù)荷與機(jī)組能耗對(duì)比

圖5 采暖季逐月運(yùn)行費(fèi)用與機(jī)組COP 對(duì)比

4 總結(jié)

本文針對(duì)位于濱州市某住宅群的采暖工程，采用溫頻法的方式，通過(guò)溫頻統(tǒng)計(jì)、負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選型等一系列步驟，詳細(xì)計(jì)算了該工程采用低溫空氣源熱泵機(jī)組作為熱源時(shí)的預(yù)期采暖總能耗及運(yùn)行費(fèi)用。測(cè)算結(jié)果表明：運(yùn)用低溫空氣源熱泵機(jī)組的采暖季系統(tǒng)總性能系數(shù)為 2.71，總運(yùn)行費(fèi)用為 183.43 萬(wàn)元，單位面積運(yùn)行費(fèi)用為22.93 元/m2。測(cè)算結(jié)果為該項(xiàng)采暖工程在實(shí)際中的運(yùn)行情況及經(jīng)濟(jì)性分析提供依據(jù)與參考。