住宅空氣源熱泵地暖系統的能效分析模型研究

姚 丹

（大金（中國）投資有限公司，上海 200000）

1 空氣源熱泵地暖系統在住宅采暖中的應用

在筆者自身的工作實踐中，主導、參與過多項空氣源熱泵產品的研發設計工作，這些項目既有空氣源冷熱水機組，也包括空氣源熱泵天氟地水產品類型。系統容量上，從適用于小戶型的10 kW 以下的，到應用于別墅等大戶型的單臺40 kW 以上的機組，都有設計和應用經驗。

在雙碳政策大背景下，住宅采暖由空氣源熱泵取代燃氣式是必然的發展趨勢。本研究將從運行能耗和運行成本的角度出發，通過建立分析計算模型，比較兩種技術，研究空氣源熱泵地暖系統的能效和經濟性，為將來更好的商品設計提供理論依據。

2 空氣源熱泵地暖系統的構成

空氣源熱泵地暖系統由提供熱源的主機和提供室內采暖的地暖回路兩部分組成。

熱泵主機是為整個采暖系統提供熱力來源的部分，由壓縮機、冷凝器、蒸發器和節流裝置四大主要部件組成。壓縮機是提供熱力的核心部件，住宅采暖系統主要采用的是渦旋式壓縮機，在小容量的機組中，旋轉式壓縮機有更好的效率和效果。部分廠家會將噴氣增焓回路設計到主機系統中，能進一步提高系統在低溫環境下的制熱效率。

冷凝器和蒸發器都屬于熱交換器。冷凝器是將熱量傳向地暖系統的換熱器，承擔著制冷劑和采暖工質之間的換熱工作，因此其內部被設計成兩種工質交互流動，以傳遞熱量的結構。板片式和套管式是比較常見的類型。蒸發器是從室外獲取熱能的換熱器，空氣源熱泵系統的蒸發器都是風冷換熱器，目前最成熟的技術是翅片式盤管換熱器。

節流裝置位于兩器之間，負責調節制冷劑的物理狀態（溫度、壓力），穩定循環。絕大部分的熱源主機都已采用電子膨脹閥作為節流裝置。

四大部件通過制冷劑管路連接，形成循環系統，提供穩定熱源。熱泵主機系統回路示意見圖1。

圖1 熱泵主機系統回路示意圖

地暖回路是實際提供采暖效果的部分，傳熱工質從冷凝器獲取熱量，投放至地暖盤管，實現采暖。實際應用中，水是最方便最常見的采暖工質。地暖回路中需要設置水泵以帶動采暖水往復循環，向室內供熱。同時，為了保證水循環的安全穩定運行，通常還會在水路上配置安全閥、穩壓水箱、房間溫控器等設備。

南方地區的采暖，往往會有各房間獨立控制的需求，這時，可以通過配置能與分水器電磁閥開關相聯動的房間溫控器，來實現每個房間單獨的地暖開關和室溫控制的要求，地暖回路系統示意見圖2。

圖2 地暖回路系統示意圖

空氣源熱泵地暖系統看似復雜，但從舒適性、安全性、節能性等實際角度來看，其系統有很高的合理性。加之，近年來設計制造廠商技術水平的發展，商品的小巧化、集成化水平越發提高，極大的簡化了產品的安裝和使用。

3 空氣源熱泵地暖系統能效設計的分析模型

本研究的思路是，首先比較這兩種系統在相同氣候和建筑負荷條件下的實際運行能耗，再引入城市居民能源單價和年間季節氣候變化這兩個條件，以此換算出兩種系統的年間采暖的運行費用。在進行費用比較的基礎上，反向思考空氣源熱泵設計所應達到的能效指標。

首先要進行使用季節的建筑采暖負荷計算，由兩部分組成，建筑墻體的熱能耗以及設備啟動達到穩定運行之間的能耗。前者是采暖設備穩定運行時，對抗建筑自身的熱損失所必須保證的負荷，后者則要考慮，在實際使用中設備不是24 小時不間斷運轉的，會有啟停的時間，啟動階段的負荷也是需要計算的。

穩定運行時的建筑墻體熱能耗，由室內外溫度差、產生熱能耗的建筑面積、建筑圍護結構的傳熱系數以及運行時間這四者決定，通過以下的公式進行計算

式中：Q1：建筑墻體熱能耗，單位Wh；Ti：室內溫度，單位℃；To：室外溫度，單位℃；K：建筑圍護結構傳熱系數，單位W/(m2·K)；S：產生熱能耗的建筑面積，單位m2；t：穩定運行時間。

啟動階段的負荷能耗，要分兩個部分來考慮，第一部分是對房間內的空氣進行加熱，達到目標采暖室溫的能耗。目標溫度和初始溫度的差值，以及需要被加熱的室內空氣的體積，共同決定了這部分的能耗，再通過空氣密度、比熱等常數，可以進行計算，公式如下

式中：Q2：啟動階段空氣加熱能耗，單位Wh；Ti：室內溫度，單位℃；To：室外溫度，單位℃；V 空：被加熱室內空氣體積，單位m3；ρ 空：空氣密度，單位Kg/m3；C 空：空氣比熱，單位J/（Kg·K）。

另一部分是啟動階段，對于系統水溫提升過程中所消耗的熱能，由目標水溫和初始水溫的溫差，系統的水容積再結合水比熱常數進行計算，公式如下

式中：Q3：啟動階段水加熱能耗，單位Wh；Tw1：采暖目標水溫，單位℃；Tw0：初始水溫，單位℃；V 水：采暖系統水容積，單位m3；C 水：水比熱，單位J/（Kg·K）。

以上三部分共同構成了使用季節的建筑采暖負荷，為了計算出這些負荷，需要進行常數和變量的確定。

常數部分：室內溫度，在冬季采暖時，室內一般需要達到20℃以上，24～26℃是較為理想的范圍，本研究采用25℃作為常數計算條件。建筑圍護結構傳熱系數，在我國的建筑負荷計算中，不同地區采用不同的數值，但對于同一地區為恒定的常數，本文將參考《GB 50189-2015 公共建筑節能設計標準》中的數據[1]，對于寒冷地區，采用0.6 W/(m2·K)，夏熱冬冷地區則采用1.0 W/(m2·K)。空氣的密度因溫度和壓力不同而有所改變，但因該類變化與能耗計算關系不大，故本研究統一采用0.1 Mpa，25 ℃時空氣密度1.169 1 Kg/m3作為計算常數。空氣的比熱同理，采用1 030 J/（Kg·K）進行計算。

在水系統方面，采暖目標水溫的設定是為了獲得理想的采暖效果，在本分析模型中，則用來作為啟動階段的能耗計算條件。出于對比計算的考慮，統一采用45 ℃作為目標水溫。而水比熱，則采用較為公認的4 174 J/（Kg·K）進行計算。

變量部分：本計算過程中，涉及的變量較多，需根據情況逐一進行設定。

室外溫度隨地點和時間不同而改變，采暖負荷的計算是針對某一地區在整個采暖季節期間進行的，因而室外溫度無法作為常數計算，需要參考歷史氣象數據。本研究中，將首先采用上海地區的氣溫條件為基礎進行計算，再推廣到不同地區。為了便于計算，這里采用每個月的日均溫度分別計算，日均最高溫度作為白天的溫度，日均最低溫度作為夜間的溫度。將晝夜的負荷分開計算是有必要的，如上海等一些城市，電費是采用晝夜平谷分時計費的，分晝夜計算能更好的提升精度，反映實際情況。產生熱能耗的建筑面積及被加熱的室內空氣體積，這兩者源自建筑本身的屬性，本研究對兩種采暖方式在同一建筑條件中做比較，所以，將此屬性由變量轉換為常量進行計算。本次分析，選定一套現實中實際存在的住宅，戶型為3 室2廳，地暖總鋪設面積為84 m2。

采用地板輻射作為采暖末端時，地板是室內熱源，可以認為室內四周的墻面是主要的熱能耗面積，這里根據一般室內裝修經驗，采用地面面積的1.5 倍來計算墻體面積，即熱能耗面積在后文的計算中一律采用126 m2。

被加熱的室內空氣體積，根據《國家住宅設計規范》，選定一般住宅層高為2.8 m，則84 m2的空間內，被加熱空氣體積為235.2 m3。

確定了地暖面積，也基本上就能夠確定地暖的系統水容積，對于84 m2的鋪設面積，根據一般地暖工程的經驗，設定水容積量為280 L（0.28 m3）。

穩定運行時間與室外溫度有關，在本研究中統一定義，當環境溫度低于15 ℃時，連續運行；反之則不運行。

初始水溫是啟動階段能耗的計算條件，可以認為在機組啟動之前，由于沒有采暖，此時的水溫應該和室外溫度是相同的，因此初始水溫采用室外溫度數據進行計算。[2]

以上完成了所有常數和變量的定義，由此，就能夠進行負荷能耗的計算了。

根據逐月的氣候條件，和使用時長，通過公式（1）就能計算出上海地區的逐月建筑負荷能耗，再對其分別求和可得，晝間的全年能耗為2 722 kWh，夜間全年能耗為3 145 kWh。

進一步通過公式（2）和公式（3）能夠計算出啟動階段的能耗，考慮一般住宅每周啟停采暖設備以此，即每月啟動4 次，由此能夠計算出逐月的啟動能耗，求和得到全年的啟動能耗為323.6 kWh。

上述兩部分計算，可以得到如下的總和數據：年間晝間熱能耗2 722 kWh，年間夜間熱能耗3 468.6 kWh，年間總計熱能耗6 190.6 kWh。

將以上求得的熱負荷能耗，分別換算成燃氣和熱泵系統的能源消耗。

燃氣使用量的計算，需要引入新的常數——燃氣熱值，即標準單位體積的燃氣所能釋放出的熱量。我國城鎮居民主要使用的管道天然氣，其單位立方米熱值一般在8 000～9 000 kcal，取中間數8 500 kcal，換算成國際單位為35.59 MJ/m3。

年間總計熱能耗6 190.6kWh，經換算相當于22 286.16 MJ，通過熱值，即可算出年間的天然氣消耗量約為626.2 m3。

實際使用中的燃氣量還受到燃氣爐的熱效率值影響。根據《GB 20665-2015 家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》中的規定[3]，將采暖爐的熱效率值分為3 個等級，限值要求分別為99%、89%、86%。以此為依據，可計算出達到3 個等級要求的燃氣采暖爐的實際年間燃氣使用量。

進一步根據地區居民燃氣費單價，最終換算出年間運行費用。上海地區的居民管道天然氣價格，按照年用量分三檔階梯單價：3 元/m3（0～310 m3），3.3 元/m3（310～520m3），4.2（520 m3以上）。燃氣用量和運行費用計算結果為：1 級能效使用燃氣量632.5 m3，費用2 095.6 元；2 級703.6 m3，2 394.1 元；3 級728.1 m3，2497.1 元。

電費單價方面，上海地區的居民用電按照年用量分三檔階梯單價，且晝夜峰谷時段分別定價，例如第一檔（0～3 120 度/戶·年）峰時段0.617 元/度、谷時段0.307 元/度，后兩檔逐漸遞增。

通過能效值和電費單價，就能進一步計算出系統全年的耗電量和總運行電費。結果顯示，年總耗電量為2 579.4kWh，年總運行電費為1 143.5 元，與3 種能效等級的燃氣系統相比，分別相當于其運行費用的54.6%、47.8%、45.8%，節省費用效果相當可觀。

根據以上的分析方法，也能夠計算出全國其他城市的相應數據，表1 是選取的部分代表城市的全年采暖能耗和運行費用的情況。

表1 能效等級1 級的燃氣采暖系統作對比

可以看出，在不同的區域，運行費用節省的效果不盡相同。華東地區效果最為明顯；華北和中部地區次之，約有20%節省效果；而西南和西北地區運行所消耗的電費和燃氣費用則幾乎相當，未體現出熱泵運行成本節省的優勢。

對于不能很好體現熱泵經濟性的地區，除了有氣候特征、能源單價差異等因素外，根本上還是要提高熱泵的設計能效水平。若將性能系數水平提升至3.0，則成都和西安兩地的節省效果將分別上升至22%和21%。這就需要技術人員更加合理的選型優化，設計出符合地域需求的，更高能效的熱泵系統產品。

4 結論

綜上所述，通過合理的能效設計，在經濟性方面熱泵系統與燃氣相比是能體現出明顯優勢的。這種運行成本上的回報率，也可以一定程度上指導熱泵產品的能效設計目標。

可以預見，為了早日實現碳達峰、碳中和，熱泵技術還能有更廣闊的應用空間和發展前景。希望能效的設計研究，也能為這一事業繼續發展提供一些有益的貢獻。