摘要

　　針對不同氣候區的氣候特點，分別提出了數種可行的空氣源熱泵應用方式，并以燃氣鍋爐+冷水機組作為基準方案，從初投資、運行能耗、運行費用和碳排放4個維度進行了對比分析。結果表明：空氣源熱泵在各氣候區應用都具備一定的節能潛力，熱泵效率越高，節能、降碳及節費的效益越好；夏熱冬冷地區和寒冷地區制冷是主要矛盾，熱泵應用時應重點關注供冷工況的能效；隨著電力結構的變革，熱泵應用的減排性能將逐步提高。

　　關鍵詞

　　空氣源熱泵；應用策略；運行能耗；碳排放；節能潛力；減排性能

　　作者

　　熊帝戰 楊玲 范鐘引 朱曉玥 劉希臣

　　（中國建筑西南設計研究院有限公司）

　　引言

　　2020年全國建筑運行能耗為10.6億t標準煤，產生碳排放21.6億t二氧化碳，其中直接碳排放5.5億t；排放總量大，而且仍呈增長趨勢。《2030年前碳達峰行動方案》提出要加快優化建筑用能結構，積極推動嚴寒、寒冷地區清潔取暖，引導夏熱冬冷地區科學取暖，深化可再生能源建筑應用。空氣源熱泵作為一種應用簡便的可再生能源利用方式，具有熱源獲取便捷、運行維護方便、無直接碳排放等優勢，在我國建筑中具有廣泛的應用前景。

　　我國幅員遼闊，不同氣候區的氣象條件迥異，如嚴寒地區冬季空調室外計算干球溫度基本低于-20 ℃，而夏熱冬冷地區多在0 ℃左右，這使得在不同氣候區建筑的冷熱負荷特性差異很大。空氣源熱泵可冬季制熱、夏季制冷，其實際制熱制冷能力和能效受室外氣象條件影響大，使得其在不同氣候區的應用特性有較大的區別。因此探尋空氣源熱泵在各氣候區的高效應用方式，助力建筑用能結構的優化，是非常必要、亟需的工作。

　　本文以各氣候區的某建筑為例，根據其冷熱負荷需求提出多個空氣源熱泵應用的冷熱源系統方案，并以燃氣鍋爐+冷水機組方案作為基準方案，從初投資、運行能耗、運行費用、碳排放等維度進行多方案對比分析，探討空氣源熱泵在各氣候區適宜的、高效的應用方式，為工程應用提供參考。

　　1、研究方法

　　1.1 研究對象基本情況

　　本案例選取建筑面積29700m²、共18層的某建筑作為研究對象，建筑幾何模型如圖1所示。

　　采用EnergyPlus軟件對典型建筑在不同氣候區的全年逐時冷熱負荷需求進行計算分析，典型建筑的窗墻面積比、圍護結構熱工參數，以及人員密度、新風標準、照明和設備功率密度、人員逐時在室率、照明和設備逐時使用率等內擾參數，根據GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（以下簡稱《節能通規》）的限值進行設置。

　　1.2 全年運行能耗計算

　　考慮到各冷熱源方案的運行能耗差異主要體現在源側設備，全年運行能耗計算時，僅計入與源側設備相關的運行能耗。燃氣鍋爐制熱能耗為燃氣消耗量，空氣源熱泵的制熱制冷能耗均包括熱泵風機的能耗，冷水機組系統制冷能耗包括冷水機組、冷卻水泵和冷卻塔的能耗。

　　鑒于比較的方案中采用了不同種類的能源，為評價不同方案的總能耗，采用將燃氣鍋爐的燃氣消耗量折合成耗電量的方式，用以對比各方案的總運行能耗。折算系數依據GB/T 34913—2017《民用建筑能耗分類及表示方法》，按照天然氣對應的供電能耗折合成耗電量，即1m3標準天然氣折合5kW·h電。

　　空氣源熱泵機組的制熱能力和制熱能效均隨室外溫度的降低而降低，為計算室外溫度變化時熱泵的制熱能力和制熱能效，根據調研的主流品牌機組的性能參數，分別擬合出熱泵制熱能力和能效與室外溫度的關系曲線。空氣源熱泵用于供冷時，在實際工況下的制冷能效也采用相同的方法進行修正。

　　空氣源熱泵制熱期間，往往室外溫度低、相對濕度高，導致熱泵的蒸發器表面結霜，能耗計算時應附加除霜能耗。考慮蒸發器壁面溫度不低于0℃時，凝結水直接排走；低于0℃時，認為空氣中的水蒸氣凝結成霜。結霜后的除霜能耗按下式計算：

　　式中 WCS為熱泵除霜能耗，kW；din、dout分別為進、出口空氣含濕量，g/kg；M為通過熱泵的空氣質量流量，kg/s；Rice為冰的熔化熱，kJ/kg；ηCS為熱泵除霜工況的性能系數（COP）；KT為溫度修正系數。

　　同樣根據主流品牌機組的性能參數，擬合出冷水機組制冷能效與冷卻水溫度的關系曲線，以計算實際工況下冷水機組的能效。

　　建筑的供暖供冷需求逐時變化，空氣源熱泵或冷水機組大部分時間都在部分負荷下運行，通過擬合主機能效與部分負荷率的關系曲線，計算主機實際運行能效。

　　1.3 主要計算參數設置

　　根據對主流品牌空氣源熱泵產品的性能參數調研，在《節能通規》及GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》的規定背景下，市面上主要銷售2個產品系列（下文以Ⅰ、Ⅱ系列代指）。Ⅰ系列產品的能效高于Ⅱ系列，價格亦高于Ⅱ系列。應用分析時Ⅰ、Ⅱ系列機組名義工況制冷性能系數分別取3.5和3.2。熱泵供熱適合采用強制對流供暖末端，如風機盤管、強制對流低溫散熱器等，GB 37480—2019《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組能效限定值及能效等級》規定，該類末端的額定出水溫度為41 ℃。在此出水溫度下，室外干球溫度為7 ℃時，Ⅰ、Ⅱ系列機組制熱性能系數分別取3.8和3.5。

　　結合《節能通規》對冷水機組能效的規定和目前產品的水平，應用分析時冷水機組名義工況制冷性能系數取5.8，燃氣鍋爐熱效率取92%。

　　根據生態環境部發布的通知，2022年全國電網平均二氧化碳排放因子取0.5703t/（MW·h）；根據GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》，天然氣單位熱值二氧化碳排放因子取55.54 t/TJ。

　　各氣候區選擇的典型城市的電價均執行峰谷電價政策，計算中均按國家電網公布的代理購電工商用戶電價表進行逐時電價的取值。

　　本文主要探討空氣源熱泵應用的適宜性，需著重關注與燃氣鍋爐供熱方式相比，其在折算耗電量、間接碳排放方面的優劣。根據GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》，氣田天然氣的熱值為35 544 kJ/m3，與采用熱效率92%的燃氣鍋爐相比，折算耗電量平衡時的熱泵制熱季節能效比為1.817。與之類似，碳排放平衡時的熱泵制熱季節能效比為2.624。

　　2、夏熱冬冷地區空氣源熱泵應用方式分析

　　2.1 冷熱負荷情況

　　夏熱冬冷地區以上海為例進行空氣源熱泵的應用分析。建筑逐時供冷供熱需求見圖2，計算得到設計冷負荷為2880kW，設計熱負荷為1720kW，全年累計供熱量需求約537MW·h，累計供冷量需求約2156MW·h。

　　2.2 各方案的主機配置及初投資

　　上海冬季空調室外計算溫度為-2.2℃，綜合各主流熱泵品牌提供的數據，同時考慮融霜對制熱能力的影響，此溫度對應的制熱量衰減系數取0.819。為負擔設計熱負荷，需配置標準工況制熱量為2100 kW的空氣源熱泵，此種配置下熱泵制冷能力占設計冷負荷的73%。根據建筑的供冷供熱需求，空氣源熱泵機組的應用可有以下4種設計方案：1）供冷供熱需求均由熱泵機組負擔，即根據設計冷負荷確定熱泵的裝機容量；2）根據設計熱負荷確定熱泵裝機容量，夏季不足部分配置冷水機組負擔，夏季優先運行冷水機組；3）根據設計熱負荷確定熱泵裝機容量，同時考慮到熱泵夏季制冷能效遠低于冷水機組，熱泵不用于供冷，按照設計冷負荷配置水冷式冷水機組；4）考慮到部分負荷工況的時長占比大，為節約投資、構建性價比高的系統，在第三種設計方案的基礎上減小水冷式冷水機組的容量，按設計冷負荷的45%配置冷水機組。

　　為比較熱泵能效對應用的影響，以設計熱負荷確定熱泵容量、不足部分配置冷水機組的方案，分別就Ⅰ、Ⅱ系列熱泵進行分析，其余方案僅以Ⅰ系列熱泵進行分析。據此確定的各應用方式的冷熱源配置方案和初投資見表1，其中初投資含冷熱源設備、冷水循環泵、冷卻水泵和冷卻塔的投資。

　　由于熱泵機組可以冬夏兼用，以設計熱負荷確定熱泵容量、不足部分配置冷水機組的方案2a、2b的初投資均有所下降；方案2a與2b的差別在于Ⅱ系列熱泵機組價格低于Ⅰ系列熱泵機組，因此方案2a相比基準方案的降幅更明顯，達到了約14%。以設計冷負荷確定熱泵容量的方案1，由于熱泵的單價較高，而且部分機組在冬季閑置，初投資略有增加。方案3的冷熱源設備未采用冬夏兼用，而且熱泵的單價較高，初投資增加了50%以上。按設計冷負荷的45%配置冷水機組的方案4，很好地平衡了初投資和制冷平均能效，初投資增量約10%。

　　2.3 各方案的運行情況

　　各方案全年運行能耗如圖3所示。

　　冬季熱泵運行期間，Ⅰ系列和Ⅱ系列熱泵機組的制熱季節能效比分別約為3.30和3.04，采用Ⅱ系列空氣源熱泵的方案2a比采用Ⅰ系列空氣源熱泵的方案，供熱耗電量約高9%。基準方案采用燃氣鍋爐供熱，耗氣量按供電煤耗法折算為耗電量后，遠高于空氣源熱泵供熱的耗電量。

　　夏季各方案的能耗高低取決于機組的運行能效，基準方案和方案3的全部供冷量均由冷水機組承擔，方案1的全部供冷量均由空氣源熱泵機組承擔，故基準方案和方案3的供冷能耗最低，方案1的供冷能耗最高。方案2a、2b、4的供冷量由冷水機組和空氣源熱泵機組共同承擔，區別在于方案4的冷水機組容量大于方案2a、2b，方案2a的空氣源熱泵機組能效低于方案2b、4，故運行優劣順序為方案4>方案2b>方案2a。

　　全年來看，5種熱泵方案均較基準方案節能，節能率依次為4.70%、4.75%、11.66%、18.64%和14.19%。方案2b在與基準方案的投資基本持平的情況下，實現了較好的節能率；方案4的投資較基準方案略有增加，但節能率更高；方案3的投資增幅較大，但由于部分負荷運行時段長，冷水機組容量未能“物盡其用”，節能率較方案4提升有限。可以看出，方案4具有較高的性價比。

　　各方案全年運行碳排放量如圖4所示。空氣源熱泵的應用實現了建筑運行的零直接碳排放，而且供熱工況的間接碳排放量也低于燃氣鍋爐的碳排放量。但是熱泵機組的制冷能效低于冷水機組，且該地區累計供冷量遠大于累計供熱量，使得在目前全國電網平均碳排放因子情況下，全年總碳排放方面的表現為：制冷全采用冷水機組的方案3可降低6.72%；熱泵參與制冷的方案中，僅方案4略有降低，方案1、2a、2b的碳排放量分別增加了9.26%、9.21%和1.28%。可見該地區在應用空氣源熱泵時，供冷工況的運行能效是影響碳排放的重要因素，在系統搭建上應充分關注，可采取應用高效的熱泵機組、冷水機組容量優化配置并優先運行的措施。

　　上海市冬季非居民天然氣價格為5.18元/m3，制熱制冷運行期間平均電價約為0.90元/（kW·h），計算得到各方案全年運行費用，如圖5所示。由于上海天然氣價格較高，與基準方案相比，5種熱泵方案均能較大幅度地節約運行費用，節費率分別為10.37%、10.33%、16.86%、23.35%和19.23%。經測算，當天然氣價格分別為3.97、3.97、3.22、2.47和2.95元/m3時，方案1~4的運行費用與基準方案相等。據調研，我國夏熱冬冷地區主要城市的非居民天然氣價格區間普遍為3.50~5.00元/m3，注重供冷工況運行能效的空氣源熱泵應用方式在運行費用上具有明顯的優勢。

　　3、寒冷地區空氣源熱泵應用方式分析

　　3.1 冷熱負荷情況

　　寒冷地區以天津為例進行空氣源熱泵的應用分析。建筑逐時供冷供熱需求見圖6，計算得到設計冷負荷為2 551kW，設計熱負荷為2041kW，全年累計供熱量需求約748MW·h，累計供冷量需求約1 780MW·h。

　　3.2 各方案的主機配置及初投資

　　天津冬季空調室外計算溫度為-9.6 ℃，綜合各主流熱泵品牌提供的數據，同時考慮融霜對制熱能力的影響，此溫度對應的制熱量衰減系數取0.680，為負擔設計熱負荷，需配置標準工況制熱量為3 000 kW的空氣源熱泵，此種配置下熱泵制冷能力超過設計冷負荷17.7%。根據建筑的供冷供熱需求，空氣源熱泵的應用可有以下2種設計方案：

　　1） 供冷供熱需求均由熱泵機組負擔，按設計熱負荷確定熱泵裝機容量；2） 考慮到空氣源熱泵夏季制冷能效低于冷水機組，除配置空氣源熱泵用于供熱外，另配置制冷量為750kW的水冷式冷水機組，在夏季優先運行冷水機組供冷。

　　冷熱需求均由熱泵負擔的應用方式，分別就Ⅰ、Ⅱ系列熱泵進行分析，另配置冷水機組的方案僅對Ⅰ系列熱泵進行分析。各應用方式的冷熱源配置方案和初投資見表2。

　　3.3 各方案的運行情況

　　各方案全年運行能耗如圖7所示。

　　冬季熱泵運行期間，Ⅰ系列和Ⅱ系列熱泵機組的制熱季節能效比分別約為3.09和2.85，熱泵供熱的折合能耗均遠低于基準方案，而3種熱泵方案的供冷能耗不同程度地高于基準方案。就折算為耗電量的全年總運行能耗而言，方案1a采用的熱泵能效較低，其總能耗與基準方案基本持平，方案1b、2相比基準方案分別取得9.10%和15.88%的節能率。

　　各方案全年運行碳排放量如圖8所示。空氣源熱泵供熱工況的間接碳排放量仍低于燃氣鍋爐供熱的碳排放量，但降低幅度不如夏熱冬冷地區明顯；供冷工況時3種熱泵方案的碳排放量均高于基準方案。全年總碳排放方面，方案1a、1b分別增加了19.73%和9.81%，方案2與基準方案基本持平，但隨著電力結構向清潔可再生能源轉變，熱泵方案的減排優勢將逐步體現。該地區年供冷量也是遠大于年供熱量，因此在應用空氣源熱泵時，也需重點關注供冷工況的運行能效。

　　天津市冬季集中供熱用天然氣價格為3.87元/m³，制熱制冷運行期間平均電價約為0.99元/（kW·h），計算得到各方案全年運行費用，如圖9所示。目前天津市的電價較高，冷熱均由熱泵機組負擔的方案1a、1b，與基準方案相比運行費用分別增加了12.04%、2.74%，額外配置冷水機組的方案2，運行費用較基準方案降低了4.96%。經測算，當天然氣價格分別為4.89、4.16、3.55元/m3時，方案1a、1b、2的運行費用與基準方案相等。據調研，我國寒冷地區主要城市的非居民天然氣價格區間普遍為3.00~4.50元/m³，注重供冷工況運行能效的空氣源熱泵應用方式也具有節費空間。

　　4、嚴寒地區空氣源熱泵應用方式分析

　　4.1 冷熱負荷情況

　　嚴寒地區以長春為例進行空氣源熱泵的應用分析。建筑逐時供冷供熱需求見圖10，計算得到設計冷負荷為2309kW，設計熱負荷為2767kW，全年累計供熱量需求為1548MW·h，累計供冷量需求為1 124MW·h。

　　4.2 各方案的主機配置及初投資

　　長春冬季空調室外計算溫度為-24.3 ℃，綜合各主流熱泵品牌提供的數據，同時考慮融霜對制熱能力的影響，此溫度對應的制熱量衰減系數取0.428。結合建筑的供冷供熱需求，空氣源熱泵的應用有以下3種設計方案：1）建筑供冷供熱需求均由熱泵機組負擔，即根據設計熱負荷確定熱泵的裝機容量；2）根據設計冷負荷確定熱泵裝機容量，冬季不足部分配置燃氣鍋爐，冬季優先運行熱泵機組；3）考慮到熱泵制冷能效低，按設計冷負荷的30%配置冷水機組，制冷不足部分配置熱泵機組，冬季熱泵制熱不足部分配置燃氣鍋爐。

　　根據設計冷負荷確定熱泵裝機容量、冬季不足部分配置燃氣鍋爐的方案，分別選用Ⅰ、Ⅱ系列熱泵進行分析，其余2種熱泵方案僅就Ⅰ系列熱泵進行分析。各應用方式的冷熱源配置方案和初投資見表3。

　　由于長春的冬季空調室外計算溫度很低，空氣源熱泵的制熱能力衰減較大，而且需應用價格更高的超低溫型機組，使得4種熱泵方案的初投資相比基準方案均有明顯的增幅，其中全部應用熱泵的方案1，因熱泵裝機容量大，初投資約為基準方案的3倍。

　　4.3 各方案的運行情況

　　各方案全年運行能耗如圖11所示。

　　冬季熱泵運行期間，Ⅰ系列和Ⅱ系列熱泵的制熱季節能效比分別約為2.65和2.44，制熱能效仍高于燃氣鍋爐折算為耗電量的制熱能效，且長春的供熱需求及相應的供熱能耗遠大于供冷，4種熱泵方案的全年能耗均低于基準方案。方案1、2b、3應用了Ⅰ系列熱泵，方案3還設置了冷水機組，使得這3種方案的節能率相近，在16.50%~19.00%之間；由于方案2a采用的熱泵能效較低，相比基準方案的節能率僅為10.11%。

　　各方案全年運行碳排放量如圖12所示。與上海、天津不同，在長春的氣候條件下空氣源熱泵的制熱能效較低，采用Ⅰ系列熱泵供熱工況的間接碳排放量略低于燃氣鍋爐的碳排放量，采用Ⅱ系列熱泵供熱工況的間接碳排放量略高于燃氣鍋爐的碳排放量，而供冷工況熱泵方案的碳排放量不同程度地高于基準方案，因此4種熱泵方案的全年總碳排放量均高于基準方案，方案4采用了復合的冷熱源方式，碳排放增量較小，僅2.56%。

　　鑒于嚴寒地區的供熱需求是影響年碳排放量的主要作用因素，在目前電力結構及電力碳排放因子情況下，熱泵宜作為復合熱源中的角色之一，在供暖初、末期等室外溫度條件較好時運行，以使運行能效高于臨界季節能效比，獲得減排效益。遠期隨著電力碳排放因子逐漸降低，熱泵機組可相應增加服務時長，獲得更多的減排量。

　　長春市冬季非居民天然氣價格為3.99元/m3，制熱制冷運行期間平均電價約為0.88元/（kW·h），計算得到各方案全年運行費用，如圖13所示。4種熱泵方案運行費用都有所降低，方案2a由于采用的熱泵能效偏低，節費率僅為4.05%；其他3種熱泵方案節費率均在12%左右，且分別在天然氣價格為3.35、3.38、3.17元/m3時，實現與基準方案的運行費用相同。據調研，我國嚴寒地區主要城市的非居民天然氣價格普遍在3.00~4.00元/m3之間，在冷熱源系統搭建時加入空氣源熱泵普遍有利于節省運行費用。

　　5、結論

　　本文針對各氣候區的特點，分別梳理了幾種典型的空氣源熱泵應用方式，并通過與燃氣鍋爐+冷水機組方案的對比分析，得到如下結論：

　　1）空氣源熱泵的能效對全年運行能耗、碳排放量和運行費用的影響很大，采用高效的熱泵機組可在以上方面均取得很好的回報，工程項目中應盡量采用高效型熱泵機組。

　　2）夏熱冬冷地區空氣源熱泵的應用實現了零直接碳排放，且供熱工況的間接碳排放量較燃氣鍋爐降幅明顯；全年運行的總能耗低于基準方案。該地區全年供冷量遠大于供熱量，在系統搭建時應重點關注供冷工況的能效，設計中優化配置水冷式冷水機組的容量并優先運行，以提高平均制冷能效。熱泵機組兼具供冷供熱功能，使得該地區熱泵應用在初投資方面具有不同層面的優勢。

　　3）寒冷地區空氣源熱泵的應用具有較好的節能性，供熱工況熱泵的間接碳排放量仍低于燃氣鍋爐的碳排放量。該地區多數城市的年供冷量大于年供熱量，系統的構建和運行仍應重點關注制冷工況的能效，投資允許時建議適當配置水冷式冷水機組。該地區冬季室外溫度較低，熱泵制熱能力衰減較多，熱泵方案的系統初投資較基準方案有一定的增加。

　　4）嚴寒地區多數城市空氣源熱泵供熱的間接碳排放量與燃氣鍋爐的碳排放量接近。該地區冬季室外溫度低，熱泵制熱能力衰減多、能效降幅大，熱泵方案的系統初投資增幅較大。該地區全年供熱量大于供冷量，宜采用熱泵+其他供熱設備的復合熱源方式，在室外溫度條件較好時盡量運行熱泵機組以提升運行能效，也有利于控制系統初投資。冷源方面仍建議在投資允許時適當配置水冷式冷水機組。

　　5）相比基準方案，熱泵方案的運行費用優劣與負荷特點、系統能效有關，更取決于當地天然氣價格與電力價格的相對關系。根據本文測算的案例及主要城市的能源價格，熱泵方案在多數城市均可獲得節費效益。

　　6）溫和地區空氣源熱泵的應用和夏熱冬冷地區較為類似，可參照其進行系統搭建；夏熱冬暖地區僅有供冷需求，不推薦在該氣候區的大、中型項目中應用空氣源熱泵機組。

　　7）空氣源熱泵的應用適宜性與全年供冷（熱）量、全年負荷分布、建設地氣象條件對應的熱泵制熱能力和能效變化、能源價格、電力結構等均密切相關，實際工程中建議采用性能化設計方法，根據項目具體情況構建優化的系統配置。