基于CO₂空气源热泵供暖工程的既有建筑供暖室内外参数设计与实践

研究背景

中国将提高国家自主贡献力度，力争于2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。建筑能耗逐年攀升，2023年建筑能耗约11.6亿吨标准煤，占全国能源消费比重超过21%。北方地区冬季供暖能耗约2.22亿吨标准煤，碳排放量约为5.0亿吨CO2，占建筑总碳排放的20%。为实现建筑节能和清洁低碳供热，采用热泵技术势在必行。

理论分析

1. 室外设计温度：中国现行国家标准采用日均温度作为不保证率的统计基准，而多数国家采用小时数的不保证率统计法，数据密度更大，更加精准。寒冷地区常规空气源热泵制热工况空气侧干球设计温度为-12℃，严寒地区为-25℃。
2. 热泵技术：CO2热泵具有良好的热力学特性，临界温度下单位容积制冷能力远超其它制冷剂，是最具潜力的替代制冷剂。CO2热泵系统环境友好、安全、持久，是减少热泵系统碳减排的有效途径。
3. 负荷需求与机组COP的矛盾：室外温度越低，供暖负荷越大，但机组COP随室外温度降低而降低。应优化系统工程节能控制，实现CO2空气源热泵供暖系统高效、稳定运行。

案例分享

1. 河北省承信市办公建筑：对该既有建筑的传热系数进行测试，绘制出不同温度下的热负荷曲线图，选择-19℃作为室外计算温度，新建CO2空气源热泵，系统COP为2.36，居民满意度超过95%。
2. 中国城镇热力公司项目：采用CO2蒸汽热泵替代燃气锅炉，第一年节能率达30%，第二年进一步节能约10%。实测数据显示，采暖季用户室内温度可达到23℃以上。

未来想法

1. 室内热舒适性研究：用户期望的热舒适温度主要集中在20℃至24℃之间，热泵技术能兼顾节能和舒适，用户仍将偏好温暖且舒适的室内环境。
2. 近零能耗建筑发展趋势：CO2空气源热泵技术消耗1份电能可产生2至3份热量，是兼顾建筑高品质供热和实现碳达峰碳中和的技术路线之一。随着建筑向近零能耗发展，建筑本身热负荷降低，热泵技术优势更加明显。
3. 热泵供暖的优势与定位：热泵供暖应充分利用“一度电输出N度热”的高能效优势，适当提高供暖室内温度，并充分利用机组可移动可拆卸的灵活性，迎接供暖电力化。