關于空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟對比研究

王德鎖 劉晉鴻 徐雨寧 芮惠雯

（浙江星光電科智能家居科技有限公司，浙江 湖州 313000）

長期以來，我國秦嶺淮河以北地區(qū)的冬季，需要大量能源用于供暖。然而，由此帶來的能源消耗、環(huán)境污染、費用提升等問題不斷，嚴重制約了這些地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1]。為了保護當?shù)丨h(huán)境、增加能源獲取、提高資源效率和改善長期經(jīng)濟性的目標，眾多學者和從業(yè)人員研究并開發(fā)了許多的新型供暖系統(tǒng)，以替代傳統(tǒng)化石燃料供暖系統(tǒng)方式，實現(xiàn)減少溫室氣體排放，提高供暖系統(tǒng)工作效率和經(jīng)濟性的目標。在此背景下，“空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)”是最近幾年新提出的供暖方式，將在未來發(fā)揮巨大的作用[2]。然而，現(xiàn)階段的研究中，對于空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性存疑。鑒于此，本文通過案例分析和動態(tài)投資計算，對市面上的多種供暖系統(tǒng)進行對比，以期凸顯空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)原理和能效分析

1.1 案例簡述

本次研究是在一個公寓樓中進行。該建筑每間公寓都有91m2的有用建筑面積，建筑總計24 間公寓，累計2184m2的采暖面積。其中，樓梯位于絕緣外殼內(nèi)，不直接加熱。陽臺/露臺位于隔熱建筑圍護結(jié)構(gòu)之外，沒有熱橋。建筑物內(nèi)的通風換氣率，公寓為0.4h-1，地下室和樓梯為0.1h-1。建筑物的供暖需求為36kWh/(m2a)1，室溫設定為21℃。同一地點的制冷需求為5.5kWh/(m2a)1，室溫設定為25℃。

1.2 熱負荷與系統(tǒng)能效分析

通常，衡量系統(tǒng)熱負荷與能效的指標采用的是性能系數(shù)(COP)[3]。COP 是產(chǎn)生的瞬時熱能(Q)與為熱泵運行提供動力所消耗的電能(W)的比率，即：

在制造商數(shù)據(jù)表中，COP 表示在一組固定的實驗室條件下穩(wěn)定流動條件下的性能，是評定熱泵性能的實驗室測試條件。即熱泵被加載，直到達到制造商的最大輸出，并在特定的源和匯溫度和流速下評估其性能。但是，熱泵在某個時間點的實際性能隨環(huán)境溫度、出口和入口水溫等因素而變化，需要更細致入微的方法來更全面、更實際地評估已安裝的供暖系統(tǒng)的整體性能。鑒于此，本次研究使用DHWcalc 軟件模擬了為建筑提供供暖的集中供暖系統(tǒng)所產(chǎn)生的建筑能耗，以分析熱負荷與系統(tǒng)能效。

供暖系統(tǒng)在TRNSYS 中建模，主要使用標準TRNS YS 模型，所有模擬均使用1 分鐘的恒定時間步長進行。該模型基于使用制冷劑的熱力學特性對制冷劑循環(huán)進行迭代計算；考慮啟動/停止損失和除霜損失。該模型使用來自合作伙伴運營的商用可逆 HP 的數(shù)據(jù)進行參數(shù)化；使用了壓縮機的詳細性能數(shù)據(jù)（整體等熵效率和容積效率），具體取決于蒸發(fā)和冷凝溫度以及壓縮機速度。參考制造商的規(guī)格，仔細考慮了壓縮機的運行限制（最高冷凝溫度和最低蒸發(fā)溫度取決于壓縮機速度）。軟件使用不同類型的流速和持續(xù)時間的統(tǒng)計概率，不考慮節(jié)假日，使用軟件的計算功能，得出每間公寓的最大流量為1000kg/h。

研究中的實驗方面包括使用兩個相同的原型，其中原型A 包含可變參數(shù)，原型B 充當控制設施。每個原型的供暖系統(tǒng)都配備了一個控制系統(tǒng)，可以根據(jù)室內(nèi)熱環(huán)境管理供暖過程。當室內(nèi)溫度下降到指定的設定點（可接受的最低室內(nèi)溫度）時，泵啟動，將熱水輸送到地板螺旋管中。然后，當溫度達到指定的上限設定點（最高可接受的室內(nèi)溫度）時，泵將關閉。地板層內(nèi)的熱傳遞，即占據(jù)熱源的系統(tǒng)。對流熱傳遞從管道中流動的熱水到管道邊界發(fā)生。然后，傳導和自然對流熱傳遞穿過不同層到達模式變?yōu)榈膬?nèi)表面和外表面：自然對流和輻射。在 TRNSYS 中使用77 型計算，得出建筑物每年DHW 總熱量需求為14MWh/a，COP為3.36，平均耗熱量為12.35W/m2。

2 與其他供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟對比

2.1 對比方法

由于供暖系統(tǒng)產(chǎn)生的能量和消耗的能量之間的滯后，當供暖啟動時，在給定的一分鐘內(nèi)，與產(chǎn)生的熱能相比，會消耗大量電力，導致COP 非常低。在接下來的連續(xù)運行幾分鐘內(nèi)，產(chǎn)生的熱能增加超過消耗的電力，導致COP 值更符合預期，這導致在斜坡下降期間每分鐘的COP 值非常大[4]。因此，每分鐘的原始數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為小時級別，以平滑啟動和減速效應的噪聲。其中，溫度、流量、室溫區(qū)域平均到每小時值，將能源消耗、產(chǎn)生的能源和穩(wěn)態(tài)等能源特征相加以計算每小時的總量。然后使用方程式計算每小時COP 值以進行對比。為進一步說明空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性，對案例另選四種供暖方式——城市集中供熱、天然氣壁掛爐單戶供熱、分體式空調(diào)供暖、電膜式電暖爐供熱——從初投資、運行費用、費用現(xiàn)值和費用年值幾個方面進行對比分析。由于本研究中建模系統(tǒng)是公寓樓，由單戶住宅組成，因此，敏感性分析會關注不同分布概念的性能差異。因為這樣的敏感性分析可以為所研究的技術(shù)經(jīng)濟對比提供有用信息。其中，敏感性分析是通過動態(tài)投資計算來進行的，可以在不同的供暖系統(tǒng)邊界進行計算，具體取決于供暖系統(tǒng)運行的實際情況，突出了評估性能的方法的多樣性，并提倡采用統(tǒng)一的方法來定義系統(tǒng)邊界和效率，以便可以對五種供暖系統(tǒng)進行比較。

2.2 對比結(jié)果

2.2.1 初投資對比

作為供暖系統(tǒng)，在初次投資時，除了需要能源系統(tǒng)外，還需要其他配套設施、終端管網(wǎng)等。以空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)為例，在本次案例中，各種供暖方式的初次投資費用分別是：空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)30.14 萬元；城市集中供熱系統(tǒng)31.02 萬元；天然氣壁掛爐單戶供熱系統(tǒng)34.98 萬元；分體式空調(diào)供暖23.1 萬元；電膜式電暖爐供熱系統(tǒng)4.4 萬元。其中，電膜式電暖爐供熱系統(tǒng)的初次投資最少；天然氣壁掛爐單戶供熱系統(tǒng)的初次投資最多；空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)的初次投資居中。具體如表1 所示。

表1 不同供暖系統(tǒng)的初投資對比表

2.2.2 運行費用對比

單純的初次投資費用的對比并不能有效地體現(xiàn)不同的供暖系統(tǒng)的優(yōu)缺和取舍，為此，還需要從運行方面進行進一步的技術(shù)經(jīng)濟對比。由于不同的供暖系統(tǒng)所使用的能源、能耗、效率都有所不同，為了更加全面的體現(xiàn)供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟對比，研究將從燃料單價、燃料熱值、供熱效率、單位能源耗資和單供暖季運行費用來進行對比。具體結(jié)果如表2 所示。

表2 不同供暖系統(tǒng)的費用現(xiàn)值和費用年值對比表

2.2.3 費用現(xiàn)值和費用年值對比

由于供暖系統(tǒng)運行期長且沒有明確收益，因此，研究采用費用現(xiàn)值和費用年值來對供暖系統(tǒng)的方案費用進行對比和取舍。其中，費用現(xiàn)值和費用年值是衡量項目僅在其生命周期結(jié)束時即可承受的最大利率。其他類似的方法或名稱有盈利指數(shù)、收益率、真實收益率和投資者收益率等。在經(jīng)濟分析中，費用現(xiàn)值和費用年值可以確定為項目生命周期結(jié)束時，各方案的投資及運行費用換算成與其等值的現(xiàn)值之和：

在等式（2）中：

PC——費用現(xiàn)值（元）。

i0——基準收益率，本文取10%。

n——方案壽命年限，本文取25 年。

（P/A，i0，n）——復利系數(shù)，本文取9.077。

直觀地說，在項目生命周期內(nèi)的凈累積剛好足以支付所有本金和累積利息的條件下，可能被視為等于為項目融資而借入資金的最高利率。為了獲得一致的比較，研究使用經(jīng)過通貨膨脹校正的稅后值。因此，PC 是對過程盈利能力的綜合衡量，這可以通過反復試驗找到，更低的PC 意味著更有利可圖的項目。在此基礎上，費用年值為：

在等式（3）中：

AC——費用年值（元）。

（A/P，i0，n）——復利系數(shù)，本文取0.1102。

通過計算，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同供暖系統(tǒng)的費用現(xiàn)值和費用年值對比表 （單位：萬元）

如表2 所示，天然氣壁掛爐單戶供暖的費用現(xiàn)值和費用年值最高；分體式空調(diào)供暖的費用現(xiàn)值和費用年值最低；空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖的費用現(xiàn)值和費用年值居中。

3 結(jié)論

綜上所述，在節(jié)能減排背景下，空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)是未來北方寒冷地區(qū)供暖系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，有助于碳中和目標的實現(xiàn)。通過本次研究，從熱負荷與系統(tǒng)能效以及與其他常見供暖性的技術(shù)經(jīng)濟對比，說明了空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)越性，對于推廣和普及空氣源熱泵直接冷凝式地板輻射供暖系統(tǒng)有著重要的參考意義。