为什么热泵是解决热浪的办法
在这个模型中,热泵比交流机组更经济、更有效。
作者:莱西·谭
创纪录的热浪席卷了太平洋西北部2021年夏天,造成数百人死亡在美国和加拿大,许多居民意识到,他们所熟悉的可预测的温和夏季已不复存在。科学家们很清楚气候变化将使这些极端高温事件在未来几年更加常见,这促使西雅图、波特兰和北加州等历史上温度较温和地区的人们增加了气温空调(AC)到他们的家。
在西雅图,46%的独户住宅没有空调,6月28日的气温达到了108华氏度(约合108摄氏度),造成了房屋内部的危险环境。那么,我们如何在危险的热浪中保证人们的安全和舒适,并以气候友好和公平的方式管理对空调日益增长的需求?热泵对决策者和居民来说都是一个有吸引力的解决方案,因为它们可以在夏天以有效的方式保持家庭凉爽舒适,同时在冬天不使用化石燃料为家庭供暖。
RMI在2021年6月为期三天的热浪中为西雅图的一个家庭模拟了几种冷却方案的性能:空气源热泵(以下简称热泵),典型的交流机组和更高容量的交流机组。我们发现,热泵不仅能够在极端高温下保持舒适和安全的室内空气温度,而且每年的运行成本比双燃料制冷和供暖系统(交流机组+煤气炉)少228美元。此外,一氧化碳2与大容量的空调和炉子相比,整个家庭使用热泵时的排放量减少了约25%。
热泵让你保持凉爽和舒适
我们的结果清楚地表明,热泵在保持舒适和一致的室内空气温度方面更胜一筹,并且比大容量4吨AC机组消耗更少的电力。我们首先研究了一个2吨的小型空调机组——这是历史上温和的西雅图气候的典型代表——但它未能在极端高温事件中保持安全的室内环境(冷却设定值为75华氏度)。这意味着需要一个大容量的交流单元来满足预定义的设定值温度。
但是,即使与典型的空调相比,这种大容量空调产生了更舒适的室内空气温度,但在最热的一天(即6月28日),它仍然难以达到设定温度,如下图所示。这与热泵形成对比,热泵即使在极端高温下也能保持安全的温度。大容量的交流机组也比热泵消耗更多的电力,给电网增加了额外的压力。
场景和其他发现
使用国家可再生能源实验室的BEopt工具,我们使用西雅图一个典型的现有单户住宅,没有空调,标准煤气炉和相对高效的围护结构特征作为基线,模拟了以下场景。住宅的建筑特征基于太平洋西北国家实验室的原型模型和2015年住宅能耗调查数据。这个基于物理的建筑能源模型使用了2021年6月热浪的实际气象年天气数据。我们的目标是看看哪个系统可以满足75华氏度的设定温度,并检查对家庭水电费的影响。
场景:
- 没有交流我们使用了一个有燃气炉的家庭,供暖的年燃料利用率为78%,没有空调。我们探索了室内空气温度相对于室外空气温度的升高。在这种情况下,室内空气温度与室外空气温度相比有滞后,但遵循相似的曲线,对居住者来说非常不舒服和不安全。6月28日,室内气温达到了100.4华氏度的峰值。
- 典型的交流:这个场景代表了一个典型的容量AC单元,我们期望西雅图的家庭具有前面列出的特征。从历史上看,空调并不是西雅图气候的必需品;然而,为了应对最近的热浪和不断上升的气温,这是必须的。我们增加了一个典型的2吨交流机组,配有2级压缩机,季节性能源效率比(SEER)为18,保持模型中所有其他假设相同。典型的交流机组将室内空气温度降低到更接近75°F冷却设定点温度的水平;然而,它不能满足设定温度。因此,这种情况对居住者来说只是略微安全且不舒服。
- 大容量交流我们将典型的交流机组替换为高容量的4吨SEER 18交流机组和2级压缩机,所有其他假设保持不变。与典型的空调相比,这种情况下的室内空气温度更舒适,但在最热的一天(6月28日),它仍然难以达到设定温度,并且与典型的空调相比,它消耗了大量的电力。
- 热泵在这个场景中,我们分析了一个没有煤气炉的变速SEER 22热泵。6月26日至28日,热泵产生的室内空气温度最适宜,能够持续满足设定温度,能耗比大容量交流机组分别减少18.6%、15.5%和3.7%。同时用于加热和冷却时,它在能耗、碳排放和运营成本方面也比大容量交流机组和炉子表现更好。
额外的发现:
- 热泵既提供制冷又提供供暖,因此我们探索了它在冬季为家庭供暖的能力,并将其与标准煤气炉进行了比较。与煤气炉相比,热泵在能源消耗、碳排放和家庭供暖的运营成本方面更高效。通过拆除炉子并安装热泵,整个房子的碳排放量减少了超过10,000磅的二氧化碳2.
- 热泵是解决太平洋西北地区等地区日益增长的制冷需求的有效和气候友好型解决方案。安装热泵在加热和冷却时使用的能源比大容量AC机组少,这是一项长期投资,可以减少水电费,但前期成本较高,可能成为市场采用的障碍。
- 空调需要超大,以便在极端热浪的情况下提供可接受的室内空气温度。然而,与制冷相比,在加热需求高的温带气候中,热泵的大小适当,以处理热浪条件。
- 虽然没有在这个博客中分析,但研究表明,气候服务提供了降低能耗和提高整体能源效率的改进,是改善恶劣住房条件的一个很好的起点。由于效率的提高,结合天气防护可以导致设备的小型化,从而产生更大的节省。它们还提供非能源方面的好处,如健康和安全,这是低收入和中等收入家庭非常需要的。
一个关键的转折点
虽然美国和世界各地越来越多的人希望在家中增加制冷设备,但重要的是要确保制冷设备对气候的影响最小。在越来越多地获得空调的炎热地区(例如印度),通过该项目展示的先进技术全球冷却奖将至关重要。在历史上气候温和的地区,如太平洋西北地区,正在努力应对新的热浪,在提供清洁供暖的同时提供有效的制冷,这是一个迫切的机会。
今年夏天的极端高温事件为政策制定者提供了一个明确的机会和干预点,以支持今天部署热泵,特别是在更温和到寒冷的气候中。这两种系统之间的经济和能源使用证明,热泵不仅可以满足日益增长的空调需求,而且可以作为减少碳排放和实现气候行动目标的一种战略。一旦房主安装了第一台中央空调,就错过了至少15年不使用污染化石燃料或低效电阻供暖的机会。
为了让家庭更容易实现这一转变,立法者和公用事业公司可以通过新的项目和激励措施推动现代热泵的采用,使更多的家庭能够负担得起,并降低前期成本障碍。一个最近的一项联邦立法新墨西哥州民主党参议员马丁·海因里希(Martin Heinrich)提出的这项计划,将通过提供高达1万美元的回扣,或为中低收入家庭提供1.4万美元的回扣,帮助消费者过渡到全电动家庭。该法案特别关注空间加热器、热水器和电力系统。
节能措施是电气化的关键配套措施,也应得到优先考虑,同时还应确保中低收入家庭能够率先采用清洁高效的技术。
实现我们的基本气候目标需要消除包括建筑在内的每个部门的排放。这意味着全国的政策制定者需要优先考虑向高效、现代化的电器(如热泵)过渡。随着气候变化导致越来越极端和危险的天气条件,这些设备还可以发挥另一个重要作用:即使在最恶劣的条件下,也能让人们在家中保持舒适和安全。
齿顶高
本分析选择的设备代表了西雅图的典型场景:一个没有空调的家庭和一个有2吨空调的家庭。大容量4吨的SEER 18空调代表了如果客户对室内高温感到沮丧,想在热浪中保持凉爽,他们可能会购买的设备。客户选择4吨SEER 22变速热泵的基本原理是,如果用作主要热源,可以改善寒冷天气的性能。这种热泵将比独立的AC使用更频繁,因此投资回收期更短。在我们最初的分析中,我们选择不分析高容量的SEER 22变速空调,因为我们认为在这种情况下,它不代表消费者的普遍选择,因为它的大制冷量增加了费用,利用率低,而且它缺乏热泵的加热和排放优势。
正如博客中定义的那样,热泵有一个变速压缩机。我们期望SEER 22 AC与变速压缩机将提供类似的舒适和节能性能的冷却。然而,热泵不仅提供冷却,还提供加热。考虑到西雅图地区的大多数住宅单位都没有空调,这可能是一个有效解决供暖和制冷问题的机会,因为通过热泵提供的供暖效率大约是通过炉子提供的供暖效率的三倍。
先前发表于GreenBuildingAdvisor.com。莱西·谭(Lacey Tan)是落基山研究所无碳建筑项目的经理。Mohammad Hassan Fathollahzadeh是同一项目的同事。这篇文章最初发表在RMI出口并经许可在此转载。©2021落基山研究所。