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在热泵于住宅建筑中日益普及的当下，其实际性能监测至关重要。为解决现有研究缺乏实际应用分析等问题，研究人员开展了 “Estimation of energy efficiency of heat pumps in residential buildings using real operation data” 的研究。通过分析 1023 台热泵数据，发现部分热泵未达效率标准等结果，为优化热泵运行和安装提供依据。
在全球倡导节能减排、积极推动能源转型的大背景下，建筑领域的能源消耗和碳排放问题备受关注。建筑物消耗了全球 30% 的最终能源，且约 26% 的能源相关二氧化碳排放与之相关，其中一半左右源于空间和水加热。电动热泵（HPs）作为一种可持续的供暖替代方案，能从自然源提取热能，在 2021 年已满足全球 10% 的空间供暖需求，预计到 2030 年可减少至少 5 亿吨二氧化碳排放，这相当于目前欧洲所有汽车的年排放量。然而，热泵在实际应用中却面临诸多挑战。
与成熟的燃气和燃油供暖系统相比，热泵更为复杂，尚未经过长期优化。其性能受多种因素影响，如用户行为和系统设置等，导致实际能耗常与预期偏差较大，进而增加运行成本，影响用户满意度和技术接受度。此外，目前缺乏基于大量实际数据的现场研究，难以深入了解热泵在现实中的性能表现，也缺乏有效识别低效系统的实用方法。同时，相关法规在实际应用中的标准不够完善，补贴政策给政府带来财政压力，且公众对相关法规存在抵触情绪。
为了深入了解热泵在实际使用中的性能表现，来自苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、圣加仑大学（University of St. Gallen）和班贝格大学（University of Bamberg）的研究人员开展了一项大规模的研究。他们对中欧 10 个国家的 1023 台热泵进行了为期两年的监测，分析其传感器数据，旨在评估热泵的实际能效，为提升其运行效率和优化未来安装提供依据。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：收集 1023 台安装在住宅建筑中的热泵的实际运行数据，涵盖多种型号和配置；利用线性混合效应模型对热泵性能进行建模，包括加热曲线、性能系数（COP）和利用率等模型，以描述和评估不同热泵的性能；根据欧洲标准 EN 14825 计算季节性性能系数（SCOP），并通过模拟加热曲线调整来评估对热泵效率的影响；运用利用率指标评估热泵的尺寸是否合适。
实际数据集
研究数据涵盖了中欧 10 个国家住宅建筑中的多种热泵型号和配置，均来自同一制造商，需进一步用其他公司产品数据验证。数据监测时间为 2021 年 3 月 14 日至 2023 年 4 月 30 日，包含 185,139 个室外温度 15°C 及以下的每日观测值，涉及空气 - 水热泵和盐水 - 水热泵，分析时排除数据缺失较多的样本，以确保数据质量。
热泵性能建模与评估
研究基于 COP 评估热泵效率，其受多种因素影响，实际效率通常低于理论最大值。研究人员通过建立线性混合效应模型，分别对加热曲线、COP 和利用率进行建模。加热曲线模型描述了供应温度与室外温度的关系；COP 模型采用简单线性函数，以室外和供应温度为变量；利用压缩机速度近似容量比来评估热泵尺寸，通过拟合线性混合效应模型描述利用率与室外温度的关系。同时，研究人员计算了实际 SCOP，并模拟加热曲线调整，评估其对 SCOP 和能耗的影响。
所有热泵的性能表现
研究发现，地源热泵（GSHPs）通常比空气源热泵（ASHPs）更高效，平均 COP 分别为 4.90 和 4.03，且 GSHPs 效率受室外温度影响较小。此外，用于空间加热（SH）的 COP 值显著高于生活热水（DHW）生产，这是因为 DHW 需要更高的水流温度。
不同热泵间的性能差异
研究通过计算不同温度范围内各热泵的 COP 中位数，发现个体热泵性能差异显著，部分热泵在相同温度范围内 COP 差异可达 2 - 3 倍，这凸显了识别低效系统的重要性。
热泵能效分类
根据实际 SCOP，研究人员将热泵与期望阈值对比，识别低效系统。研究发现，ASHPs 平均 SCOP 为 3.72，17.20% 低于 3.01 的阈值，需要优化；GSHPs 平均 SCOP 为 4.80，仅 2.10% 低于 3.14 的阈值。同时，大量热泵达到高效评级，但高低效系统间仍存在显著差距。
加热曲线调整的影响
研究模拟加热曲线降低 1°C 的效果，发现平均 SCOP 提高 0.11，家庭能耗降低 2.61%。部分原本需优化的热泵可达到更高效率标准，这表明热泵设置对实际能效影响巨大。
识别尺寸不合适的热泵
研究利用利用率指标评估热泵尺寸，在关键室外温度下采样发现，约 7 - 11% 的系统可能过大，约 1% 可能过小，这表明实际应用中热泵尺寸规划和设计存在较大问题。
研究通过对 1023 台热泵的大规模分析，揭示了实际运行中热泵性能的差异，明确了部分热泵未达能效标准、尺寸不合适等问题。研究成果为制定标准化的安装后性能评估程序和开发数字化工具提供了依据，有助于提升热泵运行效率，指导未来安装。同时，研究也为政策制定者、安装人员、用户、制造商和公用事业公司等利益相关者提供了有价值的参考，推动了热泵技术在建筑领域的广泛应用和可持续发展。
