福建省空调冷热源低碳发展趋势探析

  通过调查统计的方式，得到近年福建电网的平均碳排放因子，并结合福建省气候特征分析了各类常用空调冷热源主机的碳排放强度，结果显示福建省空调冷热源采用电驱动型主机比燃料驱动型更为低碳、高效。通过进一步分析福建省内常见空调冷热源形式的优缺点，为设计单位、业主单位全方位构建低碳的空调冷热源提出适用于福建省省情的建议。

  我国幅员辽阔，各地气候差异显著，能源结构多样化。暖通空调系统作为建筑行业的能耗大户，是社会碳排放的大多数来自之一。能源结构与空调冷热源的关系是连贯统一的，能源碳排放因子是空调冷热源是否低碳的先决条件。因此，空调系统冷热源的设置须秉持因地制宜的原则。笔者调查了福建省能源结构及碳排放因子，通过一系列分析各类空调冷热源系统的碳排放强度，提出适用于福建省地方特色的空调冷热源系统发展趋势的建议。

  福建省地跨夏热冬暖、夏热冬冷两个气候区，属于亚热带海洋性季风气候。夏季高温高湿，供冷期平均为5个月；冬季较温和但仍有供暖需求，供暖期为1个月左右。各主要地市（或代表性城镇）典型气象参数如表1所示。

  在全球气候变暖的背景下，2022年全国各地极端天气频发，福建省各主要地市自7月21日至8月24日，连续35天的日最高气温均超过35 ℃，普遍在40 ℃以上，大幅高于GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》所规定的夏季空调室外计算干球温度。

  福建省夏季高温高湿，空调系统运行工况逊于国标工况。在极端高温下，运行工况进一步恶化，空调系统稳定运行面临重大挑战。不同进风温度下，200 RT风冷热泵制冷性能和风冷多联式空调能效比分别如图1和图2所示。

  由图1和图2可知，风冷热泵、风冷多联式空调等使用风冷冷凝器散热的空调主机，随室外气温攀升，制冷量衰减、耗功率升高、能效比（COP或EER）大幅度降低。然而，越是极端高温时，空调系统制冷量需求却越高。两者背道而驰，导致恶性循环，助长了“热岛效应”。

  由表1可知，闽东、闽南等夏热冬暖地区白天温度基本都在5 ℃以上；闽西、闽北等夏热冬冷地区白天低于5 ℃的时长约为30～42 h。福建省各主要地市冬季室外气温普遍较温暖，有利于风冷热泵制热工况稳定、高效运行。

  福建省空调冷热源系统主要能源为电力、天然气。电力主要使用在于电驱动蒸汽压缩冷水（热泵）机组，天然气主要使用在于蒸汽锅炉、热水锅炉。

  福建省电网隶属于华东电网，但由于地理位置优势，电量基本自给自足。笔者采用生态环境部发布的《2019年度中国区域电网二氧化碳基准线排放因子OM计算说明》中的方法，对《中国能源统计年鉴》《福建统计年鉴》有关数据来进行统计分析，得到2015—2021年福建省电网电力生产量和碳排放因子统计，分别如图3和图4所示。

  得益于水电、风电、核电（尤其是2016年宁德核电站投运）等清洁能源发电的快速发展及火力发电效率的提高，近年福建省电网平均碳排放因子为0.430 7 tCO2/MW·h，低于全国平均值，为冷热源低碳发展提供了良好的基础。

  天然气单位热值含碳量为15.3 t/TJ，碳化率为99%，单位热值碳排放因子为55.54 t/TJ。

  GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》将冷却水泵、冷却塔等水冷冷水机组配套设备的耗功率加以综合统计，得到水冷冷水机组综合制冷性能系数（SCOP），并规定了限值；风冷热泵制冷性能系数（COP）计算中的总电功率已包括冷却风机电功率，COP即为SCOP。因此，水冷冷水机组、风冷热泵机组采用SCOP作对比更科学、直观。

  较GB 50189—2015而言，GB 55015—2021《建筑节能与可再次生产的能源利用通用规范》提高了定频水冷冷水机组COP限值，变频水冷冷水机组COP限值则保持一致，但两者均未给出对应的SCOP限值。按前者的COP限值结合后者的COP与SCOP对应关系进行推算，执行GB 55015—2021《建筑节能与可再次生产的能源利用通用规范》后应达到的SCOP限值如表2所示，除了单台冷量CC≤528 kW的机组，其余机组的SCOP限值均在4.1 W/W以上。

  综合福建省电网及天然气碳排放因子，各类型冷源主机名义工况单位冷量碳排放量（碳排放强度）如表3所示。

  综合福建省电网及天然气碳排放因子，各类型热源主机名义工况单位热量碳排放量（碳排放强度）如表4所示。

  由于福建省电网碳排放因子低，电驱动型冷、热源主机的单位冷量、热量碳排放强度均远低于直燃型溴化锂吸收式冷（温）水机组、锅炉等以燃料驱动型的冷、热源主机，福建省空调冷热源必然朝电气化方向发展。目前，福建省内常见空调冷热源组合形式及其应用情况、碳排放强度如表5所示。

  综合上述分析，为实现冷热源低碳发展目标，福建省可在如下技术创新、项目建设、运营管理等方向进行优化。

  水冷多联式空调采用水冷冷凝器散热，室外机位置不受通风条件制约，管长衰减小，受极端天气的影响也远小于风冷多联式空调，且同样兼具使用灵活、便于分期建设的优点。由表3和表4可知，相较于风冷多联式空调系统，水冷多联式空调系统（含附属设备）的制冷碳排放强度降低29%以上，制热碳排放强度提升12%，在福建省“夏季长、冬季短”的气候特征及“冷负荷大、热负荷小”的空调需求背景下，节能减排效益利大于弊。

  风冷热泵与水冷冷水机组组合是福建省内大中型公共建筑最常见的冷热源形式。风冷热泵冬季制热，夏季用冷高峰时作为冷水机组供冷的补充，其冬季供暖的碳排放

  减量（相对于锅炉）高于夏季供冷的碳排放增量（相对于冷水机组）。为逐步降低后者的不利影响，目前有以下改进思路。

  （1）夏季冷水机组制冷+冬季风冷热泵制热。该方案虽然在常规组合中最为低碳，但冷热源机组的初投资较高、经济性不足。

  （2）设计阶段最大限度地考虑冬季室内散热量的影响，室内供暖温度尽量取低值，科学降低风冷热泵装机容量。

  （3）冬季风冷热泵制热采用低温热水，不仅能降低其在装机总冷量的占比、减少其作为冷源使用的时间，且制热能效比更高。不同出水温度下的风冷热泵制热能效比COP如图5所示。

  由图5可知，出水温度从45 ℃调整为30 ℃，COP从3.30 W/W提高到4.31 W/W，此时空调末端制热量约为名义工况的1/3，仍可满足福建省一般民用建筑空调热负荷需求。

  （4）在酒店、医院手术部、泳池等夏季同时有冷热需求的场所推广应用热回收型热泵（四管制风冷热泵）。采用四管制风冷热泵与冷水机组组合的型式，能简洁地构建四管制空调水系统，替代水冷冷水机组+锅炉的冷热源组合。福建省某医院空调冷热源设计日工况运行策略如图6所示。

  由图6可知，该医院夏季夜间低负荷时采用高效冷水机组直接供冷；夏季白天，四管制风冷热泵以冷热联供模式同时供给手术部再热量、生活热水加热量及免费冷量，不足的冷量优先由高效冷水机组供给，在高效冷水机组供给不足时由四管制风冷热泵以供冷模式补充供给；冬季采用冷热联供的模式同时供给热量和免费冷量，不足的热量由风冷热泵以供热模式供给。制冷设计日工况下，机房侧综合能效比为4.90 W/W，部分负荷时风冷热泵以供冷模式运行的时间进一步减少，机房侧综合能效比进一步提升；冬季风冷热泵供热的同时还能为内区提供免费冷量。

  近年，福建省火力发电量随用电需求增加仍在逐步的提升。虽然福建省储能电站、储能型充电桩发展势头良好，但电化学储能技术及制度环境尚不成熟，制约了电网侧大规

  模地部署推广[3]。因此，蓄冷技术仍应作为电网削峰填谷的重要手段。冰蓄冷技术受限于初投资高、峰谷电价比低、运营管理难度大诸因素，未能大规模推广；而传统水蓄冷为非相变过程，如采用传统的供回水温度，受限于蓄冷、释冷的温差，单位水容量的蓄冷能力有限。不过，如将水蓄冷技术与温湿度独立控制系统[4]相结合或仅服务于新风系统时，释冷最终温度可大幅度提升，单位水容量的蓄冷能力可成倍提升，使之焕发良好的应用前景。

  近十年来，福建省内已建制冷系统的机房侧制冷系统综合能效比普遍为3.00～3.50 W/W，低于设计工况能效比，远逊于“高效机房”标准。其根本原因为水泵变频措施实施不明或空调系统运营管理不足，导致部分负荷工况下存在大流量小温差、水泵能耗居高不下等问题。若以高效机房制冷综合能效比4.50 W/W为目标，福建省当前空调冷源制冷能效需提升29%～50%，须从规划、设计到建设、运营等诸多环节一起努力。尤其是运营环节，须以运行能效后评价及能耗限额双管齐下的方式，促进运营能效提高，有条件时应鼓励采用合同能源管理模式。

  得益于清洁能源发电的快速发展和火力发电效率的提高，福建省电网碳排放因子低于全国平均值，为冷热源低碳发展提供了良好的基础。笔者结合既有多种空调技术的碳排放强度分析，建议福建省空调冷热源宜从以下方向展开深度研究与应用。

  一是地源热泵在制冷、制热工况均有明显低碳属性，应在符合应用条件时予以充分支持。

  二是风冷热泵、风冷多联式空调虽有制热低碳的优点，但存在制冷碳排放高的缺点，应通过技术发展扬长避短，如采用更为低碳的水冷多联式空调逐步替代风冷多联式空调；采取风冷热泵结合热回收、低温制热等技术措施，减少其与冷水机组组合时的不利影响。

  三是鼓励水蓄冷技术与温湿度独立控制等新技术的结合，提高其应用能力并拓宽应用场景范围，这有助于电网“削峰填谷”。

  四是在空调冷热源系统实施全过程提倡高效机房技术应用，切实提高运营管理上的水准，这是将空调冷热源系统低碳目标落到实处的直接、有效的路径。

  [1]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

  [3]邵振国,朱铁超,陈飞雄.“双碳”目标下福建省储能技术发展思路初探[J].发展研究,2021,38(4):25-30.

  [4]肖剑仁,陈震宇.温湿度独立控制江水源热泵耦合大温差水蓄冷空调系统应用与分析[J].暖通空调,2018,48(12):47-53.

  陈震宇，高级工程师，研究方向为暖通空调绿色低碳设计与咨询，现供职于福建省建筑设计研究院有限公司。

  基金项目：福建省住建厅2022年科技计划项目“办公建筑健康环境与绿色低碳运营关键技术探讨研究”（2022-K-337）

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