1、建筑行业节能节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 202314“双碳”背景下低温空气源热泵在建筑工程中的供热应用刘晓晶1 徐一2 郭然3（1.约克（中国）商贸有限公司，北京 100000；2.浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018；3.中国建筑设计研究院，北京 100044）摘要：根据低温空气源热泵区域供暖的特点，结合工程实例，对使用该设备的供暖系统进行分析，包括系统布置、各环境温度下的运行效率、机组特性、初投资及采暖季运行费用等方面，阐述该系统用于集中供暖项目较常规能源的优越性。低温空气源热泵系统运用灵活，开启不受市政供暖时间限制，给用户更好的舒适体验。关键词：
2、低温空气源热泵；控制方案；运行费用分析中图分类号：TU83 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）07-0014-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.004Application of low-temperature air source heat pump in heating engineering under the background of double carbonLIU Xiao-jing XU Yi GUO RanAbstract：According to the characteristics of low-tem
3、perature air source heat pump district heating,combined with engineering examples,the heating system using the equipment is analyzed,including system layout,operating efficiency at each ambient temperature,unit characteristics,initial investment and heating season operating costs,etc.,and the superi
4、ority of the system over conventional energy for central heating projects is expounded.The low-temperature air source heat pump system is flexible in operation and is not limited by the municipal heating time,giving users a better comfortable experience.Key words:low-temperature air source heat pump
5、;control schemes;operating cost analysis引言我国是能源消耗大国，能源与环境污染问题是影响我国经济和社会可持续发展的重要因素。我国积极采取各种应对措施，以解决能源消费产生的相关环境问题。建筑能耗中，暖通空调能耗占比约为总能耗的33%。传统的城市集中供热系统将燃煤燃气作为燃料，会造成环境污染；供暖系统长距离输送导致成本高；长距离管网热损失较大；小区换热站初投资高。基于传统热源的使用现状，我国一直积极推进可再生能源在暖通空调中的应用。2022 年 8 月北京市发改委发布并要求严格落实北京市新增产业的禁止和限制目录（2022年版）热力生产和供应业管理措施实施意见
6、等文件。在此背景下，低温空气源热泵作为可再生能源，末端配置形式灵活，可低温运行且备良好的供热能力。传统空气源热泵以空气为低品位热源供出高品位热水，使用方便，安装费用较低。但空气源热泵的使用受气候条件的约束。随着室外温度的降低，用户的需热量不断增加，而空气源热泵的制热量不断下降，在寒冷和严寒地区达不到供热的基本需求。针对传统空气源热泵的不足，低温空气源热泵多采用喷气增焓技术，降低了室外环境温度对机组的效率衰减影响，突破了机组的使用环境温度约束，使机组在-25 低温环境下稳定运行，适用于我国寒冷和严寒地区。结合工程实际案例，分析低温空气源热泵机组的布置方式，计算机组的初投资和运行费用，对比常规供暖
7、方案，阐述低温空气源集中控制系统的优势。1新型低温空气源热泵机组新型低温空气源热泵机组控制可与输配端、室外侧、用户侧反馈数据一并纳入BAS管理平台，实现远程闭环管理，在控制和节能运行方面具有独特的优势：第一，配合地暖、风机盘管等末端和被动式节能建筑措施，低温空气源热泵机组运行效率高，节约能源。第二，机组出水温度能够达到60，适用于既有散热器系统项目的热源改造，更加便利。作者简介：刘晓晶（1987），女，本科，工程师，研究方向为空气源热泵。收稿日期：2023-02-22引用本文：刘晓晶，徐一，郭然.“双碳”背景下低温空气源热泵在建筑工程中的供热应用 J.节能，2023，42（7）：14-16.建
8、筑行业节能15NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION第三，机组启动时间不受市政热力限制，可以根据业主需求提前和延后供暖。第四，自动化控制系统可以实现整个区域供热自控系统的远程监控管理和自动调节，从而实现节能降耗、提高效率、方便管理，能够真正达到满足供热需求并降低运行成本的目的。2低温空气源热泵系统方案2.1机组设计方案及选型概述北京某住宅采暖项目小区的采暖热源放弃了传统的市政供暖方式，选择可以在不低于-25 的环境温度下制热的低温空气源热泵1作为小区的供暖热源。为了保证舒适性和供暖效果，室内供暖末端采用地板辐射供暖。建筑功能为住宅，建筑套内总面积4.5万m2，室内设计
9、温度 20 2，室内采暖末端地暖的运行供水温度为45 3，计算总热负荷为2 025 kW，核算采暖热指标为45 W/m24。以约克低温空气源热泵YCAE160C机组为例，通过选型软件得出北京室外空调设计环境温度为-9.9 5。供水温度45 时，机组制热量为114.5 kW，由此选择18台YCAE160C机组；配置两台水泵（1用1备），单台水泵功率为45 kW。热源系统如图1所示。按照制冷需求确定机组数量时，设计冷负荷指标为120 W/m2，项目冷负荷为5 400 kW，北京设计工况制冷量为154.2 kW，确定机组数量为35台。按照制热需求确定机组数量时，设计热负荷指标为45 W/m2，项目热
10、负荷为2 025 kW，北京设计工况制热量（-9.9，环温45 出水）为114.4 kW，确定机组数量为18台。考虑空气源集中采暖系统的单位面积热指标较低，选型台数仅需18台；如果要考虑空气源集中供冷和采暖，由于单位面积冷负荷指标需求较高，系统选型台数需要35台。只考虑冬季供热时，低温空气源热泵所需台数较少，初投资低。2.2分布式集中供热系统控制方案（1）新型低温空气源热泵区域供热系统。系统包含低温空气源热泵机组、温度监测设备、热水供水水泵和Metasys自控系统等设备，还包括ITM智慧节能系统。系统能够实现集中管理、分散控制，达到节能降耗、提高效率、方便管理、降低使用成本、延长设备使用寿命等
11、目的。自控部分系统需要具备3个方面的职能：ITM智能节能系统满足供热需求变化；设备运行节能；管理智能化。改造项目中，将热源由燃气锅炉更换成低温空气源热泵机组，末端的散热片更换成新型节能散热片。在近几年的区域供热项目中，新建住宅项目供暖末端一般使用地暖或风机盘管FCU。本案例中使用地暖，进回水温度要求较低，运行结果更节能。Metasys控制系统能够提供舒适的环境，降低能量消耗，实现供热系统的自动化管理。Metasys采用最新的软、硬件设计，具有易于理解及使用的界面。Metasys采用开放式结构，完全符合工业标准。BAS对系统的多种设备的运行、安全状况、能源使用情况及节能管理实行集中监视、管理与分
12、散控制。BAS将根据调节参数的实际值与给定值的偏差，利用专用的仪表设备（由各种传感器、执行调节机构和调节器等组成的控制装置）代替人的手动操作，从而调节控制各参数的偏差值，使之维持在给定数值的允许范围内；检测各设备的状态与主要运行参数，并提供实时报警给中央监控中心；记录各设备运行参数与时间，自动均衡各互为备份设备的运行，提供各设备的维护提示等。（2）ITM节能系统。ITM节能系统是融合暖通行业宝贵经验和自控先进技术的综合应用方案。传统热泵控制方式以定水温为主。但北方地区昼夜温差大，温度变化快，多数城市白天温度基本在3 以上。室外温度较高时，热负荷需求降低，不需要维持较高的供水温度。使用地暖供热时
13、，夜间室外温度约-5，供回水温度为4537；白天室外温度约35，供回水温度可以降至4235。通过Modbus协议整合低温空气源热泵机组实时数据，监测机组运行、化霜、故障等状态，基于实时的室外环境温度、用户侧室温状态、建筑物状态、总管供回水实时温度和标准层用户、不利用户室温的评估标准，计算是否需要调节供水温度；并根据上述计算结果智能调节低温空气源热泵出水温度参数。在满足用户侧需求的前提下，提高机组能耗系数，实现节能运行。2.3低温空气源热泵系统的初投资分析基于设备选型，估算设备费用约225万元，安装费用约135万元，初投资约360万元。其中，由于控制系统比较复杂，费用计算无法估算，故初投资费用不
14、含控制系统估算。2.4低温空气源热泵系统采暖季运行费用分析由于项目需要计算建筑采暖季热负荷的变化，选用温频法估算建筑热负荷6。假设围护结构负荷（包括日射图1热源系统建筑行业节能16节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023及温差负荷）可变换成室外气温的线性关系，依此计算不同温度下的负荷并乘以该温度段出现的时长，得出该温度下的冷、热耗量。将夏季或冬季各温度下的冷、热耗量累计求和，算出全年冷、热耗量。温频法计算中，通过某一时刻室外空气的干球温度求得对应的建筑物热负荷，根据此温度在整个采暖季出现的累计时长，求得建筑物采暖季的总热负荷。设采暖季为11月15日至次年3月15日，每日
15、24 h采暖，结合北京逐时气象参数表，得到不同环境温度的气温分布采暖季累计时长分布。北京采暖温度分布时长如图2所示。结合温频法，根据项目设计热负荷2 025 kW（环境温度-9.9），参考采暖温度分布，得出项目采暖季累计负荷为3 503 007 kWh。由于机组在不同环境温度下的能耗系数(COP)不同，结合选型软件，可得到160C机组在不同环境温度下出水45 时的COP分布，如图3所示。根据不同室外温度下的建筑热负荷和对应的机组COP，得出不同累计温度下的机组耗电量，整个采暖季累计耗电为1 348 214 kWh。以2022年北京电价为例，居民电价约0.5元/kWh，工商业电价约1.0元/kW
16、h，采用50%居民电价+50%工商业电价折算综合电价为0.75元/kWh（本次估算为假设）。由累计耗电量和估算电价求出系统在整个采暖季的运行能耗7。分布式低温空气源热泵供热系统在采暖季的运行费用约101万元，折合22.5元/m2。假设传统采暖费用为30元/m2，可收取采暖费用135万元。因此，项目可节省34万元采暖费（因传统供暖系统也需供暖水泵，故水泵运行费用不计其内）。3结语低温空气源热泵机组应用于集中供热系统比传统的市政供暖系统更节能、更经济，且低温空气源热泵机组可以依据项目特点设计适宜的集中控制供热方案，检测最不利末端水温，通过良好的系统控制软件，发挥低温空气源热泵系统的最大优势。因此，低温空气源热泵机组适合集中供热场合。参考文献1 GB/T 25127.12020，低环境温度空气源热泵（冷水）第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组 S.2 中国建筑设计研究院有限公司.民用建筑通暖空调设计统一技术措施2022 M.北京：中国建筑工业出版社，2022.3 JGJ 262018，严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 S.4 CJJ 342010，城镇供热管网设计规范 S.5