空气源热泵供暖能效指标体系研究
我国能源生产与消费结构，煤炭是主要能源，每年煤炭消费量约40亿吨，占世界煤炭消费量的近一半。煤炭在我国能源消费结构的比重高达64%，远高于30%的世界煤炭平均水平。
我国能源生产与消费结构，煤炭是主要能源，每年煤炭消费量约40亿吨，占世界煤炭消费量的近一半。煤炭在我国能源消费结构的比重高达64%，远高于30%的世界煤炭平均水平。在煤的使用上，目前最大的问题是非发电用煤量，特别是散烧煤用量大，减排任务重，也是导致霾比较重要的原因。为此,中央财经领导小组第十四次会议部署，“推进北方地区冬季清洁取暖，要按照企业为主、政府推动、居民可承受的方针，宜气则气，宜电则电，尽可能利用清洁能源，加快提高清洁供暖比重”。空气源热泵供暖对于替代燃煤和减少雾霾发挥重要作用，同时也是解决南方采暖需求和我国未来户式独立供暖发展的重要途径。
1、空气源热泵供暖分类
空气源热泵供暖包含热水机组和空气-空气机组供暖。末端包括地板辐射供暖、风机盘管送风供暖以及散热片供暖，机组包括蒸汽压缩循环热泵机组以及空气源热泵热水机组。根据压缩机分类，空气源热泵供暖热水机组主要有风冷模块式和风冷热泵螺杆式。家用以小型涡旋机组为主，商用以大型涡旋和螺杆式机组为主。
根据供暖的室内热交换器的不同，主要分为地板辐射供暖、空气处理机组供暖和暖气片式散热器。其中，地面辐射供暖供水温度宜采用35℃-45℃；空气处理机组供暖供水温度宜采用40℃-50℃；暖气片式散热器供水温度宜采用50℃-65℃。根据使用气候区域的不同，空气源热泵供暖热水机组通常分为普通以及低温型热泵，这两种热泵没有明确的划分标准。通常来说，普通热泵指使用环境温度高于-7℃的热泵，低温热泵通常指使用环境温度可以低至-25℃的热泵。
空气-空气机组供暖通常指的是空气源热泵空调机，其主要特点是，热泵机组多采用分体型式，室外主机和室内机分开。机组工作时，压缩机驱动循环工质循环，循环工质在室外蒸发器中与空气进行热交换，吸收空气中的热量，并把这部分热量输送到室内机中，与室内空气进行热交换，提升室内环境温度。空气源热泵空调机的能力范围非常广，从家庭一拖一用的2.3kW到4台并联的240KW多联机，可以满足不同场所的制冷/供暖需求。
2、空气源热泵供暖能效
空气源热泵冷热水机组和空气源热泵空调机的机组产品标准均比较齐全，分别如表1和表2所示：目前，空气源热泵供暖应用于全国大部分气候区域。在北方地区，主要是农村地区“煤改电”政策实施下，北京、天津、河北、山西等地应用最广泛。2016年，北京全市农村地区共完成了663个村、22.7万户的“煤改清洁能源”任务，实现替代燃煤75.6万吨，其中，空气源热泵供暖装机容量比2015年同比增幅高达28倍，低温空气源热泵称为“煤改清洁能源”的主要技术应用方式。
而在南方地区，空气源热泵供暖应用较早、应用规模较大，其采暖主要依靠空气源热泵空调机，我们选取典型城市进行调研，发现，空气源热泵空调机模式主要是分体式，占95%以上；采暖末端以风机盘管为主，占66%。具体如图1所示。
2.1空气源热泵供暖能效规定值
（1）普通空气源热泵（冷）热水机组
根据GBT18430.1-2007标准相关内容，普通空气源热泵的运行干球温度范围在-7-21℃之间。普通空气源热泵制热设计温度及流量条件由GB/T18430.1-2007和GB/T18430.2-2008给出，如表3所示。由于标准有所缺失，目前，普通空气源热泵制热能效限值没有正式给出，只有在GB19577-2004标准中给出制冷能效限值。
从行业掌握数据来看，普通空气源热泵产品制热能效大部分在3.0-3.5之间。
（2）低温空气源热泵（冷）热水机组
该类产品执行以下标准：GB/T25127.1-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组》、GB/T25127.2-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组第2部分：户用及类似用途的热泵（冷水）机组》。区别在于GB/T25127.1-2010针对制冷量50kW以上的机组，GB/T25127.2-2010针对制冷量50kW以下的机组。均采用名义工况性能系数COP和综合部分负荷性能系数（IPLV（H）作为低温热泵（冷水）机组的制热性能指标。
GB/T25127.1-2010规定制冷量在50kW以上的低环境温度空气源热泵（冷水）机组的名义工况性能系数不应低于表4的数值。
GB/T25127.2-2010规定制冷量在50kW以下的低环境温度空气源热泵（冷水）机组的名义工况性能系数不应低于表5的数值。
（3）空气源热泵空调机组
GB/T18836-2002规定了风管送风式空调（热泵）机组的相关要求，这类产品目前还没有设定能效等级，仅规定了能效最低数值，详见表6。
从行业掌握数据来看，大部分风管机的制热能效在2.6~3.4之间。
2.2空气源热泵供暖能效实测值
（1）北京农村地区空气源热泵（冷）热水机组供暖2013～2014年供暖季中，对北京市农村居住建筑的清洁能源代煤供暖方式应用现状，进行了入户问卷调查。调查了京郊七个区县的1137家农户，并核实采用了289户的一个供暖季的完整数据，涉及了六种清洁能源供暖方式及3类末端形式，包括：热泵（主要是空气源热泵）、电地暖、蓄热电暖气、电锅炉；燃气壁挂\落地供暖炉供暖；太阳能供暖。通过修正计算，对六种清洁能源供暖方式进行了全过程费用评价（含设备初始投资、基础设施增容费、8年运行费）。
评价结果显示：空气源热泵+地板辐射供暖系统最低，较高的是电锅炉+散热器供暖系统、蓄热电暖器、电地暖等。燃气壁挂炉供暖费用居中。在空气源热泵+低温辐射供暖系统中，供热水温在30℃～40℃，温差5℃。系统冬季白天的平均能效比（COP）稳定在3.0以上；冬季夜间可使用峰谷优惠电价，计算结果显示，供暖费是集中供热的50%～75%，即15～22元／m2。
（2）北京某办公楼供暖项目
北京某办公楼采用了相同规格的12台低温热泵冷热水模块机组作为空调系统的冷热源，在冬季向室内风机盘管（272台）和新风机组（11台）提供供暖用热水。机组名义工况下制热性能系数为3.59。从2013年12月17日至2014年3月15日对1台低温热泵冷热水机组进行了实测，测试结果如图2所示。
通过计算逐日平均能效比，得到该机组的季节能效比，故从上图可知，被测机组在北京地区的实测制热季节能效比为3.20。通过实测与模拟比较，得到机组在不同室外温度下的逐时能效比平均值，如图3所示。
（3）沈阳某住宅供暖项目
沈阳地处我国严寒气候区，冬季平均气温为-9.2℃，最低气温-30℃。本项目采用低环境温度空气源热泵，末端方式为地板采暖，测试参数如表7所示，测试结果如图4所示。
通过计算逐日平均能效比，得到该机组的季节能效比，故从上图可知，被测机组在沈阳地区的实测制热季节能效比为2.3。
（4）上海某空气－空气空调机组供暖
本项目采用空气源热泵技术、末端为风机盘管，为上海某示范公寓（90平方米）供暖。测试时间为2015/01/06-2015/01/14，冬季供暖，平均室外温度7℃。分别以系统回水温度30℃、35℃和40℃测试系统制热能效（COP）。
室外平均温度7.5℃，露点温度-1.4℃，回水温度30℃时，测试数据如表8所示：
室外平均温度4.5℃，露点温度-2.3℃，回水温度35℃时，测试数据如表9所示：
从表中数据可以看出，随着环境温度降低，实际运行COP降低且较为明显。
（5）江苏溧阳某住宅供暖项目
本项目采用普通空气源热泵，末端方式为地板采暖，测试参数如表10所示，测试结果如图5所示。通过计算逐日平均能效比，得到该机组的季节能效比，故从上图可知，被测机组在江苏地区的实测制热季节能效比为2.82。
3、空气源热泵供暖纳入可再生能源供暖的指标
一次能源利用率（primaryenergyratio,PER）是指供热总得热量与机组耗电换算一次能源热值的比例。则计算公式如下：PER=Q/Q0=COP•ee
其中，Q0为机组耗电量换算成的一次能源热值；ee为电力发电效率；对于电驱动热泵机组，上述COP为考虑压缩机，水泵，风机等系统总耗电量而得出的系统COP。
可再生能源贡献率（Fa）是指从空气中获取的热量占空气源热泵系统总产热量的比例。则计算公式如下：
Fa=Qa/Q=1—1/COP
其中，Qa为从空气中获得的热量（可再生能源贡献量）；Q为空气源热泵系统总产热量。
对于北方采暖，集中供热方式是由区域性集中热源通过热力管网将热量输配到各个用户，并为用户提供全空间连续供暖。但由于以下原因，集中供热方式存在低效率，高能耗等现象：1）锅炉热效率低下；2）热力输配过程中的热损失大；3）连续供热导致的无需供热期间的热量浪费；4）建筑内供热管路水力失衡及用户端温度不可调造成的过量供热。根据相关统计数据，北方集中供热各环节热损失比例为：一次管网损失1.6%；换热站损失2.9%；二次管网损失5.8%；建筑供热无效热损失（过量供热，建筑内水力不平衡，开窗散热等）18.3%。总计，热损失率高达28.6%。
北方地区集中供热热源的主要形式是热电联产及锅炉房（燃煤/燃气/电锅炉）。由热电联产的热电厂为热源，其一次能源效率较高，可达到0%-90%。而随着锅炉效率的提高，大型锅炉房的效率也可以接近热电厂，而分散的小型锅炉则效率较为低下。取集中供热热源平均一次能源效率80%，则计入热量损失后，到达用户端的一次能源效率仅为57%。采用分布式供热的空气源热泵供暖，取发电效率0.36，综合以上考虑，建议当用于北方采暖的空气源热泵热水系统，一次能源效率PER≥0.8，即系统SCOP≥2.2，可将其纳入可再生能源利用技术范围。
对于南方采暖，目前南方（主要是长江中下游地区）冬季采暖方式多为分户采暖，热源形式主要有热泵，燃气炉，电加热等。由于无集中供热的的管网输配及过量供热损失，以燃气炉为例，其一次能源效率可达85%左右。因此，针对长江中下游地区冬季采暖，建议一次能源效率PER≥1，即系统SCOP≥2.8，可将其纳入可再生能源利用技术范围。
综上，空气源热泵只有达到如表11所示的门槛指标，建议纳入可再生能源供暖的范畴。
4、小结
空气源热泵供暖是目前解决我国大气污染、实现燃煤替代的有效方式，实际应用过程中，应注重其系统能效，而不能单单依靠机组的名义工况能效。经过对空气源热泵供暖的能效规定和项目实测能效的梳理，得出两者能效之间的差异。为了避免空气源热泵供暖低效运行，通过与北方集中采暖系统和南方燃起采暖系统的比较分析，指出空气源热泵供暖纳入可再生能源供暖范畴的指标体系，并得出北方地区和南方地区空气源热泵供暖的系统能效限值。北方地区建议不要低于2.2，而南方地区建议不要低于2.8。
注：作者系住房和城乡建设部科技发展促进中心姚春妮、侯隆澍。
