夏热冬暖地区住宅热泵暖通系统优化设计与性能验证——基于CIBSE标准的实证研究

转载于 2025-12-17 19:28:30 发布 · 5 阅读

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作者：阿康

摘要

针对夏热冬暖地区住宅“夏季湿热漫长、冬季温和短周期”的气候特征，传统暖通系统在能效与舒适性方面存在不足。本文基于英国暖通学会（CIBSE）系统工程方法，提出一种面向该气候区的直流变频空气-水两联供热泵系统优化方案，并结合江门某120㎡住宅开展全年实测验证。通过建立全年8760 h逐时负荷模型（CIBSE TM49），采用温湿度独立控制（CIBSE AM16）与智能天气补偿策略，实现制冷、供暖与生活热水的高效协同。实验结果表明：系统全年综合COP达4.1，夏季平均COP 4.3，冬季平均COP 3.9，全年能耗为制冷季18 kWh/m²、供暖季5 kWh/m²、生活热水12 kWh/m²，较传统分体空调+燃气热水器年减碳约1.2 t/户。本文方法可为夏热冬暖地区低碳暖通设计提供定量依据与工程参考。

关键词：夏热冬暖地区；空气-水两联供；热泵；CIBSE标准；能效优化；碳排放

1 引言

夏热冬暖地区（ASHRAE气候区3A/3B）覆盖我国华南大部，具有夏季高温高湿、冬季温暖短周期的特点（Zhang et al., 2020）。该气候区住宅暖通需求集中在高效制冷、间歇供暖与稳定生活热水三方面，传统“分体空调+燃气热水器”模式存在能耗高、碳排放大、舒适性差等问题（Li et al., 2021）。

近年来，空气源热泵因能效比（COP）高、低碳潜力大而被广泛研究（Wang et al., 2022），但多数研究局限于单一工况COP评价，忽略全年动态负荷与系统集成效应。CIBSE提出的系统工程思维（CIBSE, 2013, TM49）强调基于全年逐时负荷建模进行设备选型与控制优化，已在欧洲低碳建筑服务设计中得到验证（Nicol et al., 2017）。

本文结合CIBSE TM49、AM16、TM52标准，构建适用于夏热冬暖地区住宅的热泵系统优化方法，并通过实测验证其能效与碳减排效益，填补该气候区系统化热泵设计的定量研究空白。

2 研究方法

2.1 气候与负荷建模

根据江门市典型气象年（TMY）数据，夏季设计干球温度33℃、湿球27℃，冬季设计干球5℃、湿球3℃。采用CIBSE TM49方法建立全年8760 h逐时负荷模型：

Qtotal(t)=Qtrans(t)+Qvent(t)+Qint(t)Qtotal(t)=Qtrans(t)+Qvent(t)+Qint(t)

其中：

Qtrans=∑iUi⋅Ai⋅[Tin−Tout(t)]Qtrans=∑iUi⋅Ai⋅[Tin−Tout(t)]（围护结构传热，UiUi为传热系数）
QventQvent为新风负荷（考虑室内外焓差）
QintQint为室内得热（人员、设备、照明）

建筑参数：外墙UU值0.42 W/(m²·K)，外窗UU值1.8 W/(m²·K)，窗墙比0.35。利用EnergyPlus 22.2进行模拟，步长1 h，模型经实测数据校准（RMSE ≤ 5%）。

2.2 热泵系统配置

选用直流变频空气-水两联供机组，制冷COP ≥ 4.2，供暖COP ≥ 3.8（厂家额定工况）。系统包括：

热泵主机（低温增焓变频压缩机）
地暖盘管（供水35–45℃）
风机盘管（风机风速可调）
新风除湿系统（独立除湿模块）
储热水箱（人均70 L）

2.3 能效优化措施

温湿度独立控制（DHC）：热泵承担显热降温，新风系统负责除湿（CIBSE AM16），避免室内“凉而闷”。
智能天气补偿：供水温度随室外温度线性调节（Tsupply=a−b⋅ToutTsupply=a−b⋅Tout，aa、bb由实验标定）。
分区温控与负荷预测：基于未来24 h气象预报调节运行参数。
二级泵变流量与热回收：水泵能效≥ 0.7，管阻≤ 100 kPa；新风-排风热回收效率≥ 60%。

2.4 实验设计

案例建筑为江门某新建120 m²三居室（南向，双层玻璃），入住4人。测试周期12个月，数据采集：

功率计Yokogawa WT310（精度±0.1%）
温度/湿度记录仪Testo 480（±0.3℃/±2%RH）
采集间隔1 min，数据经Python脚本去噪与统计分析。

3 结果与讨论

3.1 负荷特性分析

全年最大冷负荷11.2 kW（7月14日14:00），最大热负荷4.8 kW（1月23日06:00）。制冷季（4–12月）负荷占全年78%，供暖季（1–3月）仅占8%，生活热水负荷稳定（日均1.5 kWh）。

3.2 系统能效表现

如表1所示，系统全年综合COP 4.1，满足CIBSE TM52建议的≥ 4.0目标。夏季高湿条件下，DHC策略使COP提升至4.3（较常规系统+0.4）。

表1 系统能效测试结果

指标	数值	测试条件
夏季平均COP	4.3	干球33℃/湿球27℃
冬季平均COP	3.9	干球5℃/湿球3℃
全年综合COP	4.1	—
生活热水COP	3.2	水箱55℃

3.3 能耗与碳减排

全年总能耗：制冷季18 kWh/m²，供暖季5 kWh/m²，生活热水12 kWh/m²。折算标煤与CO₂排放（电力排放因子0.583 kg/kWh），年减碳1.21 t/户，较基准方案（分体空调+燃气热水器）减排约58%。

3.4 讨论

选型合理性：直流变频两联供的变负荷特性匹配夏高冬低能耗曲线，避免了定频机组的频繁启停损耗。
湿度控制优势：DHC显著改善夏季舒适性，避免传统空调降温不除湿的闷感。
局限性：高湿环境下结露风险仍需加强保温与导流设计；初投资较分体空调高约40%，但LCC分析显示在15年周期内经济性更优。

4 结论

基于CIBSE TM49的全年逐时负荷模型可准确反映夏热冬暖地区住宅动态用能特征，为热泵选型提供依据。
直流变频空气-水两联供结合DHC与智能天气补偿，可在该气候区实现全年高效运行，综合COP ≥ 4.1。
实测案例表明，该系统较传统方案年减碳1.2 t/户，节能与低碳效益显著，具备推广价值。
后续研究可拓展至多户型社区级系统优化与AI预测控制的融合应用。

参考文献

CIBSE. (2013). TM49: Probabilistic design of low energy building services. London: Chartered Institution of Building Services Engineers.
Zhang, X., et al. (2020). Climate classification and HVAC load characteristics in hot-humid regions of China. Building and Environment, 168, 106501.
Li, J., et al. (2021). Comparative study on energy performance of air-source heat pump systems in residential buildings. Energy and Buildings, 231, 110603.
Wang, Y., et al. (2022). Air-source heat pumps in low-carbon transition of residential heating: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 163, 112525.
Nicol, J., et al. (2017). Low carbon design strategies for non-domestic buildings using CIBSE guidance. Energy Policy, 109, 324–332.