郭 揚(yáng)，劉駿亞，包繼虎，牛曉文，陸 磊，周 坤

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年來，低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組逐漸成為寒冷地區(qū)重要的空調(diào)冷熱源設(shè)備，當(dāng)前迫切需要相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來衡量低溫空氣源熱泵的碳排放水平。國內(nèi)針對低溫空氣源熱泵定量評估減碳量這一思路暫無相應(yīng)方法學(xué)指導(dǎo)。有學(xué)者指出，定量評估減碳量需要在兼顧氣候區(qū)域、建筑類型及建造年代等差異性的前提下，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的體系性建設(shè)［1］。關(guān)于氣候區(qū)域、建筑類型2 個(gè)因素，歐洲、美國、日本對空調(diào)器進(jìn)行能效評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)體系均將全國劃分為不同的區(qū)域來設(shè)計(jì)［2-4］，國內(nèi)的一些學(xué)者也認(rèn)為采用單一的氣象及運(yùn)行時(shí)間對空調(diào)進(jìn)行能效評價(jià)的方式是值得商榷的［5-8］。上述兩個(gè)因素對低溫空氣源熱泵減碳量評估的影響暫無研究。本文選取北京、西安、哈爾濱、呼和浩特為代表城市，針對低溫空氣源熱泵減碳量定量評估方法學(xué)的關(guān)鍵問題，對氣候區(qū)域、建筑類型對減碳量評估的影響進(jìn)行分析。

1 低溫空氣源熱泵制熱季節(jié)減碳量的評估方法學(xué)

1.1 基本假設(shè)

依據(jù)T/CECA-G 0164—2022《高效節(jié)能產(chǎn)品減碳量評估技術(shù)通則》對低溫空氣源熱泵減碳量評估作如下假設(shè)：（1）針對單臺(tái)低溫空氣源熱泵單年的使用階段；（2）以擬評估產(chǎn)品提供相同的年服務(wù)量為前提；（3）在標(biāo)準(zhǔn)化使用條件下進(jìn)行；（4）僅涉及電的能源相關(guān)排放。

1.2 低溫空氣源熱泵減碳量的評估流程

1.2.1 擬評估產(chǎn)品年能耗

擬評估產(chǎn)品的年能耗按下式計(jì)算：

式中，Et為擬評估產(chǎn)品年能耗，W·h；HSTE為制熱季節(jié)耗電量，W·h。

制熱季節(jié)耗電量HSTE按下式計(jì)算：

式中，Lh（tj）為溫度tj時(shí)的房間熱負(fù)荷；COPbin（tj）為各工作溫度下的制熱性能系數(shù)，通過對規(guī)定工況測試的COP插值計(jì)算得出，W/W；PRH（tj）為機(jī)組在溫度tj時(shí)，所投入輔助電加熱的消耗功率，W；nj為制熱季節(jié)中機(jī)組的各溫度下工作時(shí)間，h。

1.2.2 基準(zhǔn)產(chǎn)品年能耗

基準(zhǔn)產(chǎn)品的年能耗按下式計(jì)算：

式中，Eb為基準(zhǔn)產(chǎn)品年能耗，W·h；Efft為擬評估產(chǎn)品的季節(jié)能效指標(biāo)；Effb為基準(zhǔn)產(chǎn)品的季節(jié)能效指標(biāo)。

制熱季節(jié)性能系數(shù)HSPF按下式計(jì)算：

制熱季節(jié)總負(fù)荷HSTL按下式計(jì)算：

式中，Lh（tj）為溫度tj時(shí)的房間熱負(fù)荷，W·h。

1.2.3 擬評估產(chǎn)品的年節(jié)能量及減碳量

擬評估產(chǎn)品的年節(jié)能量按下式計(jì)算：

式中，Es為目標(biāo)產(chǎn)品年節(jié)能量，W·h。

擬評估產(chǎn)品的年減碳量按下式計(jì)算：

式中，ER為擬評估產(chǎn)品的年減碳量，g；EF為電網(wǎng)排放因子，g/（W·h），取EF=0.581 g/（W·h）。

1.2.4 試驗(yàn)方法

通過試驗(yàn)方法確定擬評估產(chǎn)品的年能耗和季節(jié)能效指標(biāo)，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 25127.1—2020標(biāo)準(zhǔn)附錄B。

1.3 減碳量評估方法的關(guān)鍵問題

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件

基于數(shù)據(jù)調(diào)研，獲得社會(huì)共識(shí)的、能反應(yīng)用戶普遍行為模式的用能產(chǎn)品年使用條件，包含使用次數(shù)、使用時(shí)長等要素。

1.3.2 基準(zhǔn)產(chǎn)品的選擇

基準(zhǔn)產(chǎn)品優(yōu)選國家規(guī)定的能效限值，也可以根據(jù)實(shí)際使用情況，提供自定義的限定值。

2 基于DeST 的標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件的確定

2.1 制熱季節(jié)的起止時(shí)間

當(dāng)自然室溫滿足室內(nèi)空氣計(jì)算參數(shù)時(shí)，認(rèn)為不需要供暖［9］，因此可將連續(xù)3 天低于此自然室溫對應(yīng)的時(shí)刻作為制熱季節(jié)的起始時(shí)間。

建筑模型參數(shù)如下：（1）長度24 m，寬度12 m，高度18 m，層高3 m，共6 層，形體系數(shù)為0.3 m-1；窗墻比：東、西向0.2，南向0.3，北向0.2，朝向?yàn)檎?；?）維護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)按照城市取值，室外表面換熱系數(shù)α=20 W/（m2·K），外表面太陽輻射吸收率e=0.5；外窗導(dǎo)熱系數(shù)K＝3.0 W/（m2·K），平均太陽得熱系數(shù)SHGC=0.4。

對模擬計(jì)算得出的逐時(shí)外溫與逐時(shí)建筑物自然室溫進(jìn)行線性擬合，得出二者的線性關(guān)系式，以哈爾濱為例，進(jìn)行線性擬合，如圖1 所示，依據(jù)關(guān)系式可得出自然室溫為18 ℃時(shí)對應(yīng)的室外溫度，采用該方法確定的不同城市制熱季節(jié)的起止時(shí)間見表1。

表1 不同城市制熱季節(jié)起止時(shí)間Tab.1 Starting and ending time of heating season

圖1 自然室溫與逐時(shí)外溫的線性擬合Fig.1 Linear fitting of natural room temperature and hourly external temperature

2.2 低溫空氣源熱泵在不同建筑類型內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間

GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》對建筑類型、空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間做出了規(guī)定，見表2。

表2 GB 55015—2021 規(guī)定的建筑類型與運(yùn)行時(shí)間Tab.2 Building types and operating times in GB 55015—2021

2.3 低溫空氣源熱泵在不同建筑類型、不同城市條件下的溫度-小時(shí)數(shù)分布

依據(jù)表2，3 對北京、西安、哈爾濱、呼和浩特不同建筑類型對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建筑類型劃分為類型1（辦公建筑）、類型2（旅館建筑、居住建筑、工業(yè)建筑）、類型3（商業(yè)建筑、醫(yī)療建筑-門診）、類型4（學(xué)校建筑）共4 類。其中學(xué)校建筑除表2 規(guī)定的作息外，對寒假時(shí)間進(jìn)行了特殊賦值。北京、西安、呼和浩特、哈爾濱的4 種建筑類型的溫度-小時(shí)數(shù)分布如圖2 所示，即為標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件。

3 基準(zhǔn)產(chǎn)品的選擇

低溫空氣源熱泵產(chǎn)品能效標(biāo)準(zhǔn)采用綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）為評價(jià)指標(biāo)，GB/T 25127.1—2020 以年度性能系數(shù)（APF）為評價(jià)體系［10］，二者計(jì)算理論依據(jù)與邊界條件并不統(tǒng)一［11］。本文將基準(zhǔn)產(chǎn)品的季節(jié)能效指標(biāo)選取為GB/T 25127.1—2020 的制熱季節(jié)性能系數(shù)（HSPF）限定值，見表3。在進(jìn)行使用場景為北京、西安2 個(gè)城市的減碳量評估時(shí)，采用GB/T 25127.1—2020的限定值是可行的，但以哈爾濱、呼和浩特為使用場景的減碳量評估時(shí)，反而會(huì)出現(xiàn)擬評估產(chǎn)品的能耗比基準(zhǔn)產(chǎn)品能耗還要多的情況，下文以GB/T 25127.1—2020 的適用性來說明。

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

名義工況代表制熱不保證時(shí)間為3%所對應(yīng)的干球溫度［12］。對北京、濟(jì)南、西安、長春、天津、哈爾濱、呼和浩特的制熱時(shí)間進(jìn)行分析，見圖3。當(dāng)名義工況設(shè)置為GB/T 25127.1—2020 規(guī)定的-12 ℃時(shí)，北京、濟(jì)南、西安、天津能滿足3%的不保證率，此時(shí)哈爾濱、長春、呼和浩特的制熱時(shí)間不保證率大于10%。而表3 中規(guī)定的限定值是以-12 ℃為名義工況為前提，因此在進(jìn)行以哈爾濱、呼和浩特為基準(zhǔn)的減碳量評估時(shí)，采用GB/T 25127.1—2020 的限定值并不合理。

圖3 不同城市的供熱時(shí)間不保證率Fig.3 Non-guarantee rate of heating time in different cities

4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在國家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心的低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室空氣側(cè)及水側(cè)處理流程如圖4 所示，試驗(yàn)裝置由制冷系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)處理柜、電氣控制系統(tǒng)和加熱、加濕系統(tǒng)構(gòu)成。該實(shí)驗(yàn)室重復(fù)性小于2%，測量用儀器儀表準(zhǔn)確度均滿足GB/T 25127.1—2020 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并校驗(yàn)合格，且在有效期內(nèi)，確保了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 實(shí)驗(yàn)室原理Fig.4 Laboratory principle

5 試驗(yàn)結(jié)果分析與減碳量的計(jì)算

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

選取2 臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測試，樣機(jī)信息見表4。以北京學(xué)校建筑為例，標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件見表5，依據(jù) GB/T 25127.1—2020 中B4.3.2 的規(guī)定，計(jì)算溫度區(qū)間1～32，對應(yīng)溫度范圍為-19～12 ℃，對每一溫度區(qū)間輸入功率與發(fā)生小時(shí)數(shù)進(jìn)行乘積并求和，該計(jì)算值即為機(jī)組使用地域?yàn)楸本?，使用場景為學(xué)校建筑的HSTE。

表4 樣機(jī)基本信息Tab.4 Basic information of prototype

依據(jù)上述方法，針對不同地域、不同建筑類型的計(jì)算，依據(jù)第2 節(jié)確定的標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件，采用Excel 編程并借助VB6.0 編制計(jì)算軟件，軟件界面如圖5 所示。

圖5 碳排放當(dāng)量計(jì)算軟件Fig.5 Carbon emission equivalent calculation software

編號(hào)A，B，C，D 依次代表北京、西安、哈爾濱、呼和浩特，編號(hào)1，2，3，4 依次代表類型1、類型2、類型3、類型4，從圖6，7 可以看出，建筑類型、地域表現(xiàn)出明顯不同。

圖6 各類型建筑溫度-小時(shí)數(shù)分布Fig.6 Distribution of temperature-hours of various types of buildings

圖6 樣機(jī)1 不同城市不同建筑類型試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Prototype 1 Measured values of different building types in different cities

圖7 樣機(jī)2 不同城市不同建筑類型試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Prototype 2 Measured values of different building types in different cities

5.2 實(shí)測氣象參數(shù)的驗(yàn)證

DeST 采用的數(shù)據(jù)庫為中國標(biāo)準(zhǔn)年CSWD，由中國國家氣象中心氣象資料室收集的全國270個(gè)地面氣象臺(tái)站1971—2003 年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)經(jīng)清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系經(jīng)一定的方法統(tǒng)計(jì)得出［15］。

為驗(yàn)證采用DeST 氣象模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，以哈爾濱某熱力公司的2021—2022 年供熱季實(shí)測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)測逐時(shí)氣溫與DeST 模型逐時(shí)氣溫對比見圖8，二者的變化趨勢是一致的。依據(jù)實(shí)測值統(tǒng)計(jì)得到不同建筑類型的標(biāo)準(zhǔn)化年使用條件見圖9。隨機(jī)選取國家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心5 臺(tái)低溫空氣源熱泵的測試結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖10。樣機(jī)編號(hào)為樣機(jī)a～e，橫坐標(biāo)為類型編號(hào)，A 代表采用DeST氣象參數(shù)，B 代表采用實(shí)測氣象參數(shù)，1～4 代表不同建筑類型，HSTE計(jì)算值平均偏差為14%。

圖8 哈爾濱實(shí)測逐時(shí)氣溫與DeST 模型逐時(shí)氣溫對比Fig.8 Comparison between the measured hourly temperature in Harbin and DeST model hourly temperature

圖9 依據(jù)實(shí)測值統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化使用條件Fig.9 Standardized conditions of use for statistics based on measured values

圖10 不同氣象參數(shù)HSTE 的對比Fig.10 Verification of HSTE in heating season

5.3 減碳量評估結(jié)果

基于標(biāo)準(zhǔn)水平，使用場景為北京、西安的2 臺(tái)樣機(jī)，節(jié)能量及減碳量計(jì)算結(jié)果見表6、表7。同一地區(qū)不同建筑類型下,2 臺(tái)樣機(jī)的減碳量差距最大值在74%左右，最大值均為建筑類型2，即旅館建筑，對應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間為全年24 h 運(yùn)行；最小值為建筑類型4，即學(xué)校建筑。同一建筑類型下，處于不同地區(qū)的減碳量也有差距，樣機(jī)1 的差距在9%～28%之間，樣機(jī)2的差距在2%～8%之間。特殊的，對比辦公建筑與學(xué)校建筑的運(yùn)行時(shí)間表得知，除去針對學(xué)校建筑設(shè)置的寒假時(shí)間，低溫空氣源熱泵在辦公建筑與學(xué)校建筑的運(yùn)行時(shí)間是一致的，因此表6 與表7 中的辦公建筑與學(xué)校建筑減碳量的不同正是由于這一因素的影響，差距最大為24%。

表6 樣機(jī)1 節(jié)能量及減碳量計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 1

表7 樣機(jī)2 節(jié)能量及減碳量計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of energy and carbon reduction of prototype 2

計(jì)算結(jié)果表明，減碳量的大小與城市及建筑類型密切相關(guān)，對學(xué)校建筑做單獨(dú)分類是有必要的。在條件允許的情況下，使用不同地區(qū)、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準(zhǔn)，是相對合理的設(shè)置，為避免混淆，在低溫空氣源熱泵的制熱季節(jié)減碳量評估時(shí)，建議將評估結(jié)果明示為基于某一城市和某一建筑類型的減碳量。

6 結(jié)論

（1）基于DeST 氣象參數(shù)模型，依據(jù)GB 55015—2021 相關(guān)規(guī)定，確定了低溫空氣源熱泵在不同地區(qū)不同建筑類型的溫度-小時(shí)數(shù)分布，與哈爾濱實(shí)測氣象參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，HSTE計(jì)算值平均偏差為14%。

（2）提出了低溫空氣源熱泵不同城市、不同建筑類型的減碳量計(jì)算方法，可用于衡量選型產(chǎn)品是否達(dá)到政府、甲方等規(guī)定的減碳目標(biāo)及應(yīng)用場景。評估結(jié)果表明，學(xué)校建筑（類型4）的減碳量大小與寒假設(shè)置相關(guān)，是否設(shè)置寒假的影響最大為24%。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，建議考慮按照類型1（辦公建筑）、類型2（旅館建筑、居住建筑、工業(yè)建筑）、類型3（商業(yè)建筑、醫(yī)療建筑-門診）、類型4（學(xué)校建筑）劃分建筑類型。

（3）建議使用不同地區(qū)、不同建筑類型的HSPF限定值作為基準(zhǔn)產(chǎn)品，現(xiàn)行能效標(biāo)準(zhǔn)GB 37480—2019 不能滿足評估要求；進(jìn)行基于哈爾濱、呼和浩特的減碳量評估時(shí)，以GB/T 25127.1—2020 的限定值作為基準(zhǔn)產(chǎn)品的能效水平有待商榷，現(xiàn)亟需對適用于該類地區(qū)的低溫空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制訂。