空气源热泵与寒冷环境中新型地源空气热泵的能耗及温室气体排放外文翻译资料

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空气源热泵与寒冷环境中新型地源空气热泵的能耗及温室气体排放

摘要：本文比较了两种家用采暖热泵系统对环境的影响，主要是住宅建筑物的空间加热的能耗。本文运用生命周期方法，对比了传统的直接电加热方式以及由普通用户发明的新型地源空气热泵系统的能耗与温室气体排放，来评估这种创新是否能够产生收益。热泵的能耗模型建立在基于室外温度的延时曲线中的六个温度区间。此外，分析了两套热泵系统寿命终止的情况，并应用蒙特卡洛模拟进行概率不确定性分析。结果表明，在理想工况下，即假设空气完全混合，与直接电加热相比，传统空气源热泵的排放下降超过40%，地源空气热泵的排放下降超过70%。虽然适当处理制冷剂很重要，但是热泵装置退役所产生的所有泄漏会增加10%的温室气体排放。根据敏感度分析，最影响的输入参数是与电力以及用于供热的电力相关的排放系数。

关键词：碳足迹；温室气体排放；热泵；工业生态学；制冷剂；敏感度分析

介绍

世界范围内，居住区消耗着巨大的能源（Saidur et al.2007）家庭温室气体排放当中很大一部分原因是住宅供热（Huppes et al.2006）。在过去十年中，热泵系统对于降低住宅温室气体排放的潜能很大部分都被发挥出来（e.g.,Bayer er al.2013;Greening and Azapagic 2012）。基于其低品位热源的来源，热泵可大概分为两种：地源热泵和空气源热泵。针对地源热泵的布置对供热和制冷的影响，前人进行过试验以及分析，并发表过文献（参见e.g.,Bakirci 2010;Kim et al.2012;Pulat et al.2009;Self et a.2013）。也有学者运用生命周期评估方法论研究热泵系统对环境的影响（Abusoglu and Sedeeq 2013; Blom et al.2010; Greening and Azapagic 2012; Johnson 2011; Rey et al.2004; Rey Martinez et al.2011; Saner et al.2010; Shah et al.2008）。制冷剂其影响的重要性也进行过讨论（参见, e.g., Johnson [2011] 以及其中的参考文献）。热泵系统对环境的影响主要体现在电力的消耗（参见 e.g., Saner et al.2010）。因此，发电的碳强度对其相关的排放来说非常重要。依靠电力的碳强度，一些研究得出了热泵系统比传统的供热系统，例如天然气火焰加热系统释放出更多的温室气体的结论（Blom et al.2010; Abusoglu and Sedeeq 2013; Shah et al.2008）。然而其他的研究显示热泵的使用降低了温室气体的排放（c.f. Greening and Azapagic 2012）。同样普遍假设热泵和直接电加热系统安装在房屋内减少了电力消耗。环境因素（室外温度），混合发电以及供热系统的预计使用寿命都会对结果造成重要的影响。

欧盟已有计划在2020年前将热泵热能的使用规模在其成员国城市中扩大3倍（Beurskens et al.2011）。在芬兰，热泵安装数量呈现明显的增长趋势：2011年热泵的销售数量比2010年增长大约超过10%，2012年热泵单元的累计总量超过500,000（SULPU 2013）。在芬兰，2011年住宅建筑的室内供热能源消耗总计约50TWh。2009年的温室气体排放中，家庭能源消耗的贡献大约为11,600,000公吨（Nissinen et al.2012），这大约占据了芬兰温室气体排放总量的15%（Statistics Finland 2011a,b）。大约一半的芬兰人口都居住在普遍使用直接电加热式供热的独立式住宅。在国家层面，直接电加热供热每年消耗能源4..6TWh（Adato Energia 2013）。

为了降低电力消耗，需要有成本效益补充供热系统，因为芬兰的许多独立式住宅没有热水供暖系统（也就是中央供热系统中的热水循环）。在最寒冷的时期，使用直接电加热系统就好比使用传统的烧柴火的炉子，但是空气源热泵的数量在近几年开始增长。然而，空气源热泵存在问题，就是当其在室外温度很低的时候性能下降（比如室外温度低于-15℃）。而连接热水循环供热系统的地源热泵就不存在此问题，但是在直接电加热供热的住宅内，其安装使用造成了供热系统能耗的明显增长。

新型的地源热泵，也就是地源空气热泵，不需要热水循环供热系统。此系统集成了传统的空气源热泵和埋设在地下的储热器（水平或垂直的汇集管）。这种储热器也称为地热换热器或者是钻孔换热器。通过这种修改，热泵系统在较低的室外温度下能够持续发挥优良的性能，而传统空气热泵则明显受其供热可用性降低的限制。有报告显示在学校建筑中，这种热泵的性能系数（COP值）比传统空气源热泵系统高出大约35%（Kim et al.2012;也参见土耳其的一项地源空气热泵系统试验研究Pulat et al.[2009]）。值得注意的是，我们这里并非谈及土壤耦合热交换器，也就是俗称的土壤空气热交换器或者土壤管，其也能用于供热（c.f. Bisoniya et al.2013; Chel and Tiwari 2009）。与地源热泵系统的区别之一就是通常这些类型的系统并不包括压缩机或者化学品。

本研究的目的是识别并评价终端能源消耗的节能以及芬兰家庭中不同的能源创新的温室气体排放的下降。本文关注使用新型热泵，也就是地源空气热泵时能量减少的量化，方法是比较常见的空气源热泵以及直接电加热。选择传统的热泵作为比较的一点是因为其在这个地理和居住环境中最被普遍安装使用。在芬兰，一般大约有500,000台这样的热泵被安装。带直接电加热的独立式住宅也被考虑其中，因为传统的空气源热泵和新型地源空气热泵都与其相关。

材料和方法

热泵系统

在本文中，两种热泵系统都被考虑。第一种是传统的空气源热泵（空气对空气），其从空气中吸取低品位热量并把它转化成用于室内供热的高品质热量。此系统包括用于吸取室外被吸收热量的空气的室外风扇。其吸收的热量用于在蒸发器中制冷剂的政法。然后，气体制冷剂被压缩，温度和压力上升。高品质热能其后被传递到空气中，通过风扇把热量分配到室内环境中。制冷剂冷却并冷凝之后流过膨胀阀，在那里，压力下降，冷却循环重新开始。图1a是热泵的原理示意图。由于这种热泵不需要钻探来吸取热量，因此易于安装。由于技术上的限制，在寒冷的时期内，热泵不能提供所有需要的能源用于供热。在此期间就需要电散热器来提供辅助供热。

本文提及的另一种热泵是一种新型的热泵，地源空气加热热泵，包含埋设地下的一个垂直的储热器（也称GHE），一个热泵单元以及风扇。热泵单元由蒸发器、压缩机和冷凝器组成。其热泵系统原理示意图参见图1b。在储热器中，防冻液不断循环并把从土地所吸收的低品位能量传递给制冷剂。而且，热泵系统还包括一个制冷剂与空气的换热器，它把热量传递给空气，风扇把空气吹向室内空间。其工作原理与上文提到的传统空气源热泵类似，除了低品位热源不同。与一般的地源热泵主要的区别在于高品质热源的分配：地源空气加热热泵利用风扇来把热量传递给室内空气，然而地源热泵一般利用lsquo;制冷剂-水rsquo;换热器来把热量传递给水，并利用地下供热系统或者墙上的散热器来分配热量。因此，地源空气加热热泵不需要安装地下管路或者通过热水给室内传热的其他管路。但是，地源空气加热热泵的储热器需要钻孔或者挖洞，取决于系统的安装方式。储热器的设计可按照管路方向分为两种：水平设计和垂直设计。作为113项由芬兰热泵系统用户改进和创新技术的顶峰，地源空气加热热泵系统已经由芬兰Jaasahko Inc实现商业化（Hyysalo et al.2013a,b）。

理论框架

为了评估热泵系统的温室气体排放（也就是碳足迹CF），本文将引入生命周期评估原则。本次研究的目的是比较并描述室内供热系统相关的实体流。因此，需要运用归因的LCA方法。本文计算的范围仅限于热泵系统的生命周期，排除建筑物的结构以及原始电加热系统安装。假定热泵改进了安装。这意味着，Greening 和Azaagic (2012) 的论文，GSAHP不考虑储热器的安装方式。两种系统都有室内单元，包括向某个空间吹热风的风扇。室内单元十分易于安装并且不需要额外的工作。由于ASHP的最小安装工作（室内和室外单元），评价过程中将排除其安装过程。其目的是为了比较基础的情况，也就是直接电加热和两种热泵的使用。因为在此前的研究中，使用阶段已被认定为对环境的影响最大（参见Greening and Azapagic 2012），使用阶段比制造和寿命终结阶段分析的更加细致。

本文研究的理论对象是把三名住户，面积为150m²，室内温度21℃的单室建筑，其空气混合以及热分布被认为是理想的，因为房间的布置被设定的很简单。实际上，为了维持室内温度在21℃，需要额外的供热（注意到空气源热泵热以及计算室内已有的空气）。热力学及其他技术性能被整理在表1中，按照芬兰的建筑编码分类（芬兰环境局，2008）。在芬兰，做功单元给上述的独立式公寓供热了1年。LCA中只包含全球变暖指数，因此只有CF（并且没有其他环境影响）才是在生命周期影响评估当中被决定的。

能量性能和建筑的需求按照芬兰四个不同的季节条件来计算的。在计算中，被动吸收的能量，例如从太阳、人群以及电器的使用得到的热量也被考虑其中。最温和的气候是在靠近海岸以及南部（气候区域1），然而最寒冷的气候是在北部（气候区域4）。区域1和4的年平均温度的年平均室外温度分别为5.3和-0.4℃。最寒冷的月份里，区域1和4的平均室外温度分别为-4.5℃（二月）以及-13.6℃（一月）（环境局，2011）。

热泵的运行根据耐温曲线建立起六个温度区间的模型。为了计算能耗，Eskola和他的同事参加了本文研究（2012）。所有相关的公式在网上的支持信息中有所描述。这种方法的基本理念是计算供热所需能源，热泵所提供的热量，以及在所选择的六个温度区间中所需要的直接电加热辅助热量的需求。热泵产生的用于室内供热的热量以及热泵的电力消耗运用假想房屋的供热需求以及热泵性能的温度依赖系数来计算。不同气候区域的耐温曲线参见芬兰建筑代码（D3部分）（环境局，2011）。

使用数据

传统的空气源热泵假设性能与瑞典能源机构试验结果一致（2008）。至于地源空气热泵，其性能试验尚未完成，所以其COP值从制造厂商获取。空气源热泵假定以通断方式运行，而地源空气热泵我们知道是通过逆变器运行。表2为热泵的相关技术细节。

空气源热泵原材料获取、制造和运输的碳足迹计算与Greening 和Azapagic (2012) 类似。寿命终止评估是基于芬兰的实际情况的，换句话说，假设热泵系统按照产生大约每吨废物700kg CO₂当量的过程处理，而乙二醇燃烧产生大约每吨废物1.4kg CO₂当量。

地源空气热泵的材料假定除了制冷剂以外跟Greening和Azapagic（2012）一致。GSHP的制冷剂充注量由芬兰厂商标定，GSAHP的制冷剂为R410A 1.2kg，其GWP值（100年水平）为2088（Solomon et al.2008）。垂直储热器安装相比水平形式更适合安装，因为大多数房屋不具备水平储热器安装需要的大院子空间。在Greening和Azapagic（2012）的研究中，挖掘用于安装水平储热器的空间相比只钻孔消耗更多能源，其所需管路也更长。在垂直方案的设计中，假定管路为300m，储热器位于地下300m深的钻孔中（参见Greening和Azapagic，2012）。正如Greening和Azapagic（2012）中提到的，假定两种热泵系统的寿命均为20年。假设压缩机单元是热泵系统寿命的限制部件，因为其他的部件，例如管路、风扇等都具有更长的寿命。芬兰电力的排放因子在SYKE（2013）中有所提及。Greening和Azapagic（2012）的研究结论以及酸化潜能数据库作为组件运输、钻孔装备和热泵的数据源。

场景介绍

本文定义的基线场景为安装直接电加热的房屋，换言之，没有安装任何热泵系统用于供热。由于目前热泵使用的制冷剂（R134a和R410A）具有较高的全球变暖潜能（Solomon et al.2008），在寿命终止阶段将根据两个场景来检验：最好/最坏的使用场景。因为热泵单元的安装数量迅速上升，所以存在一个相应的、潜在的风险，亦即是如果热泵用户在处理制冷剂时疏忽的话，排放也会增长。本文研究了两种极限情况，去量化热泵系统退役时制冷剂处理方式影响的数量级。在两种情况中，对比了热泵的气候影响：一种是传统的空气源热泵，另一种是新型地源空气热泵系统。在情况1中，假定适当的对废物进行处理，并假定在系统不再使用时没有制冷剂泄漏。情况2中，考虑到两种热泵，但是假定热泵不再使用时100%的制冷剂泄漏。这种情况与一个非常疏忽大意的用户没有遵循热泵废物处理标准程序执行相吻合。在热泵寿命终结阶段的处理中，情况1与最好的情况一致，情况2与最坏的情况相吻合。实际上，在热泵系统退役时，用户行为和废物处理在某种程度上介于两种极限情况之间。

敏感度分析

在给出的结论中体现的风险和情况在完成敏感度以及不确定度分析时会更好理解（Saltelli et al.2008）。不确定度分析用于研究参数的不确定度。参数的不确定度和可变性在运用Microsoft Excel附加模块Simulation4.0的蒙特卡罗模拟中有所提及。

本文使用迭代5000次的蒙特卡罗模

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