基于 BIN 法的某住宅群采暖能耗及運行費用測算

丁偉翔 萬燕

1 杭州科技職業技術學院城市建設學院

2 杭州師范大學沈鈞儒法學院

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 為該地區的全年室外氣溫變化曲線圖。在寒冷的冬季，傳統上是采用燃料鍋爐制備熱水的方式為室內供暖，該方式存在價格昂貴且環境污染等問題。低溫空氣源熱泵機組作為一種技術先進的節能設備，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（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，為住宅內的居民提供適宜的室內溫度。由于采暖工程中的熱源是主要的耗能設備，且在整個系統中的投資占比最高，因此在方案前期的經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濟性分析提供依據。

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）是一種基于統計溫度頻數分布的負荷計算方法[3]。該方法是在度日法基礎上發展起來的，根據典型氣象年TMY（Typical Meteorological Year）的全年氣象參數，統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的小時數。其次，假設圍護結構負荷(包括對流傳熱與輻射得熱)可變換成室外氣溫的線性關系，依此線性關系計算出不同間隔段溫度下的負荷，并乘以該溫度段出現的小時數，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，可以迅速且準確獲得建筑物的負荷指標，進而為后續的設備系統選型提供依據。下面從“建筑負荷—設備選型—系統能耗”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計溫度為-7.6 ℃，采暖室內設計溫度設定為18 ℃。采暖季歷經4 個月（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 關閉。

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

② 通過全年氣象數據集，找尋對應溫度節點 ±1.5 ℃之間的頻數：{n1、n2、n3… …nn}，單位為 h。并且從中扣除室內關閉采暖時間段中的小時數，溫度頻數分布情況的統計結果如圖 2 所示，共計采暖小時數 2113 h。

圖2 溫度頻數分布圖

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

表1 不同溫度節點時的熱負荷

2.2 主機設備選型

①對于任一溫度節點，（HLn·S）為熱泵主機在該溫度節點下的供熱量，依據 max(HLn·S)完成設備選型與配置（容量、臺數）。經計算，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，則設計工況下的運行臺數為 55 臺。

②依據（HL·1S、HL·2S、HL·3S…………HL·nS）配置不同溫度節點下的運行臺數：{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 系統總性能系數能耗測算

圖3 空氣源熱泵機組COP 隨環境溫度的變化

②系統的總性能系數為采暖總供熱量與機組總耗電量的比值：COPsys=Qw/E主機=2.71。滿足國家標準規范 《GB37480-2019 低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組能效限定值及能效等級標準》 中關于低溫熱泵機組的能效等級限定指標[5]。

3 運行費用結果分析

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。依據耗電量來計算采暖工程的運行費用，住宅區內存在峰谷電價：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 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 COP 最低，該月的運行費用達到采暖季的最大值 64.14 萬元。經統計計算，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

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，通過溫頻統計、負荷計算、設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期采暖總能耗及運行費用。測算結果表明：運用低溫空氣源熱泵機組的采暖季系統總性能系數為 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。測算結果為該項采暖工程在實際中的運行情況及經濟性分析提供依據與參考。