地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期碳排放研究

胡玉坤 沈致和 慈 超

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地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期碳排放研究

胡玉坤 沈致和 慈 超

（合肥工業(yè)大學(xué) 合肥 230009）

基于生命周期評價理論，將地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期劃分為生產(chǎn)加工、運輸安裝、運行使用、拆除回收四個階段，建立了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期內(nèi)各階段碳排放核算模型。結(jié)合工程案例，用溫度頻率法（BIN）核算地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期各個階段碳排放量，數(shù)據(jù)顯示運行階段碳排放量占絕大部分。用當量滿負荷運行法計算運行階段各設(shè)備碳排放情況，數(shù)據(jù)顯示采用變頻技術(shù)將減少生命周期碳排放。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；生命周期評價；運行階段；碳排放；節(jié)能減排

0 引言

根據(jù)國際化組織（ISO）定義，生命周期評價理論可以定義為4個階段：（1）定義目標與范圍；（2）清單分析；（3）影響評價；（4）解釋說明。

1 目標與范圍

本文研究目標為地源熱泵機組各階段的CO2的排放，將其生命周期劃分為4個階段即：生產(chǎn)階段、運輸階段、運行階段、拆除階段及回收階段。

2 清單分析

2.1 生產(chǎn)加工階段CO2排放模型

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備在生產(chǎn)階段的的排放量有2個方面，一是生產(chǎn)階段設(shè)備所需的原材料，包括銅、鋁、鐵等主要原材料的消耗量。二是原材料經(jīng)過二次加工組合成空調(diào)設(shè)備所消耗的能源的量。如下式所示：

式中，為開采生產(chǎn)單位材料的碳排放量，kgCO2/kg；為材料種類；m為第種材料用量；Z為生產(chǎn)階段第種能源消耗量（主要為電力），kg/kWh；u為第種能源的CO2排放系數(shù)，kgCO2/kWh。

碳排放系數(shù)是指消耗單位質(zhì)量或原材料所產(chǎn)生的CO2的質(zhì)量，合適的碳排放系數(shù)是準確核算碳排放的基礎(chǔ)。表1列出了主要材料和能源的CO2排放系數(shù)[4-9]。

表1 主要材料和能源的碳排放系數(shù)

2.2 運輸和安裝階段碳排放模型

運輸階段CO2排放量為各種運輸方式的碳排放系數(shù)與其對應(yīng)的貨運周期量乘積之和。計算公式：

式中：為空調(diào)系統(tǒng)運輸階段排放量；u為空調(diào)第種運輸方式的二氧化碳排放系數(shù)，kg/(km·t)；H為第種運輸方式的貨物周轉(zhuǎn)量，t·km；L為第種運輸方式的旅客周轉(zhuǎn)量，人·km；β為第種運輸方式的客貨換算系數(shù)。本文采用公路柴油貨車運輸，客貨換算系數(shù)為0.1，燃油率0.0606L/t·km。

2.3 運行階段碳排放模型

空調(diào)系統(tǒng)運行階段的碳排放，是指全年空調(diào)供冷和供熱碳排放的總和，主要來源于冷熱源、水泵、風(fēng)機以及新風(fēng)機組等設(shè)備使用時對電力等能源的消耗，本文用到能耗計算方法：（1）溫度頻率法，又稱BIN氣象參數(shù)法。（2）當量滿負荷運行法，當量滿負荷時間為全年空調(diào)冷負荷（熱負荷）的總和與制冷機（或鍋爐）最大出力的比值，是衡量空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能的重要指標。如下公式：

（4）

式中，W為空調(diào)系統(tǒng)運行階段全年能耗，kWh；為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源設(shè)備的當量滿負荷時間，h；為空調(diào)主機的額定功率；P為輸配系統(tǒng)的額定功率；T為輸配系統(tǒng)的累計運行時間，h；0為空調(diào)系統(tǒng)運行階段的CO2排放量，kg；W為空調(diào)系統(tǒng)運行階段第中能源消耗量，kWh。u為第種能源的碳排放因子。

2.4 拆除回收階段

拆除回收階段是空調(diào)系統(tǒng)生命周期的最后一個階段，由于廢舊的設(shè)備包含大量的可回收的有色金屬、黑色金屬、聚氯乙烯等塑料及其他可以再回收利用的零部件，該階段碳排放比較小，可以忽略不計。

3 案例分析

3.1 案例的基本情況

計算地源熱泵生命周期碳排放量，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)包括冷熱源機組，地埋管換熱器，輸配管路，末端設(shè)備。假設(shè)整個空調(diào)系統(tǒng)的使用年限為15年。本工程位于合肥市，總建筑面積為21029.42m2，地上5層，建筑高度為23.50m。夏季空調(diào)總冷負荷為1917.06kW，冬季熱負荷為1374.7kW。冷熱源為兩臺麥克維爾螺桿式地源熱泵機組組成，一臺名義制冷量為1271.0kW，輸入功率191.0kW；名義制熱量1284.0kW，輸入功率261.7kW。一臺名義制冷量707.5kW，輸入功率102.0kW；制熱量712.0kW，輸入功率139.7kW。

3.1.1 生產(chǎn)階段碳排放

該案例中地源熱泵系統(tǒng)包括2臺螺桿地源熱泵機組、地源側(cè)水泵、空調(diào)側(cè)水泵等?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)備主要由鋼鐵、銅材和鋁材三種金屬材料組成，塑料等非金屬材料含量很少，可以忽略不計?？照{(diào)機組鋼材占72.2%[7]，銅材占27%，鋁材占0.8%。水泵中鋼材占95.9%，銅材占3.9%，鋁材占0.2%。風(fēng)機盤管鋼材占81.2%，銅材占10.7%，鋁材占8.1%。冷卻塔鋼材占68.7%，銅材占1.4%，鋁材占29.9%。風(fēng)管和水管采用鋼管。除了考慮設(shè)備管道的排放外，還有考慮地埋管的排放。地埋管的材料為高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE），本文選定的工程采用U型地埋管，管外徑32mm，管內(nèi)徑25mm，管長共計40036.3m，共用HDPE管質(zhì)量12038kg，HDPE管生產(chǎn)碳排放因子為2.80kgCO2/kg[12]，共排放33706.4kgCO2。本文在生產(chǎn)階段將地源熱泵系統(tǒng)分為機組設(shè)備、地埋管、風(fēng)管、水管四個部分。通過上述模型計算得到生產(chǎn)階段地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備，地埋管、風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的CO2排放量分別為125673.4kg，33706.4kg，100677.8kg，84567.3kg。生產(chǎn)階段共排放二氧化碳344624.9kg。

3.1.2 運輸安裝階段碳排放

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備及管道總重為26.8t；地埋管打井鉆孔深度為100m，孔徑150mm，鉆孔間距5m，鉆孔數(shù)200個，鉆孔速度為2m/h[12]，鉆孔主要燃料為柴油，鉆孔數(shù)200，孔深100m，累計鉆孔長度為20000m，鉆孔總時間為10000小時，總耗油量為40000L，二氧化碳排放量為127200kg；鉆孔過程置換土壤需要被運走，置換土壤總質(zhì)量為423.9t；地埋管換熱器共12t；鉆孔機10臺，總重10t；運輸總重量為472.7t，本文假設(shè)空調(diào)設(shè)備及管道全部采用公路柴油貨車運輸，運輸距離取100km，燃油率0.0606L/t.km，總耗油量為2864.6L，排放二氧化碳9109.4kg；安裝施工階段碳排放為79181.8kg；運輸安裝階段共排放215491.2kgCO2。

3.1.3 運行階段碳排放

運行階段機組碳排放量用溫度頻率法（BIN）計算，供冷季取6月3號-9月27號，供暖季取11月23號至3月25號。該建筑空調(diào)系統(tǒng)采用一班制（8:00-18:00）規(guī)律運行，在供暖季，當室外空氣的干球溫度低于16℃時，系統(tǒng)開啟開始供暖；在供冷季節(jié)，當室外空氣的干球溫度高于22℃時系統(tǒng)開始啟動供冷；采用BIN法計算負荷得全年夏季空調(diào)總冷負荷為748439.74kWh，冬季累計熱負荷為758253.66kWh。地源熱泵機組性能COP時熱泵機組的夏季COP為6.7，冬季為5.0。得到年夏季耗電量為111707.4kWh，冬季耗電量為151650.7kWh，年耗電量為263358.1kWh，年耗電量為得到機組年碳排放量為213188.4kg。輔助設(shè)備采用定頻定流量，輔助設(shè)備功率合計為171.6kW，年總耗電量為=171.6×（1043+1187）=382668kWh，年碳排放量為309769.7kg。運行階段生命周期15年碳排放量為7844371.5kg。

3.2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期各階段碳排放計算

根據(jù)上述模型計算地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期內(nèi)各階段二氧化碳排放量如下表所示。

表2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全生命周期各階段碳排放量

由表2地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)生命周期各階段碳排放量可以分析出：

（1）地源熱泵運行使用階段碳排放比例最高，達93.32%。

（2）系統(tǒng)運行使用階段是空調(diào)碳排放的主要階段，也是減排的重點階段，只有降低使用階段的碳排放，才能整體上降低空調(diào)系統(tǒng)的碳排放。

（3）原材料生產(chǎn)階段碳排放量占4.12%；運輸安裝碳排放量占2.56%，其中地埋管打井耗油量多，二氧化碳排放量較多。

4 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行碳排放模型

由上文計算結(jié)果可以得出，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運行階段碳排放占絕大部分，分析地源熱泵運行階段不同設(shè)備能耗對地源熱泵碳排放的影響。夏季空調(diào)總冷負荷為1917.06kW，冬季熱負荷為1374.7kW。采用BIN法計算出，全年夏季空調(diào)總冷負荷為748439.74kWh，冬季累計熱負荷為758253.66kWh。夏季空調(diào)累計運行1043小時，冬季熱泵累計運行1187小時。用當量滿負荷運行時間法計算出系統(tǒng)運行各階段空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗及CO2排放量如表3。

表3 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗及碳排放量

由表3地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)各部分能耗及碳排放量可分析得：

（1）地源熱泵系統(tǒng)主機、地源側(cè)水泵、空調(diào)側(cè)水泵、風(fēng)機盤管、新風(fēng)處理機組全年運行時的耗電量及產(chǎn)生的CO2的排放量如表所示。電力的碳排放系數(shù)以華東地區(qū)的電力排放系數(shù)0.80953kgCO2/kWh基準。其中各部分碳排放量所占比例如圖2所示，分別為40.99%、30.74%、19.56%、7.39%、1.32%?？梢钥闯龅卦礋岜弥鳈C和水系統(tǒng)碳排放比重較大。

（2）在整個系統(tǒng)中，熱泵機組的耗電量最大，因此，提高熱泵機組性能在碳排放方面具有巨大潛力，可以采取以下措施；采用導(dǎo)熱系數(shù)高的回填材料；地源熱泵廣泛存在吸排熱不平衡，可采用冷卻塔輔助設(shè)備裝置，將多余的熱量排出；合理確定地埋管長度，達到熱泵的最佳性能為優(yōu)。

（3）除了地源熱泵機組外，水系統(tǒng)等耗電的電量占總體的比較也比較高，因此也存在相當大的節(jié)能減排潛力。首先在水泵的選型上，需要考慮流量和揚程，要根據(jù)主機的冷卻水、冷凍水流量及管路的水力損失等進行合理的選擇；當水泵采用定流量時，水泵的轉(zhuǎn)速不變，但是空調(diào)系統(tǒng)的熱負荷是不斷變化的。大多數(shù)時間都在超正常負荷運行，造成了大量電力的浪費、如果對冷凍、冷卻水泵應(yīng)用變頻技術(shù)，使水泵的電機頻率隨空調(diào)系統(tǒng)負荷變化而變化，自動控制水流量，使水系統(tǒng)的進出溫差，保持在一定范圍內(nèi)，一方面可以提高水泵電機的輸出效率，另一方面，由于電機功率與流量成正比，所以當流量減少時，電機功率也隨之相應(yīng)會減少，從而有效的減少能耗產(chǎn)生的碳排放。

表4 地源熱泵變流量空調(diào)系統(tǒng)各部分碳排放量

當采用變流量水泵時，地源熱泵系統(tǒng)各部分的碳排放比例如圖3所示，可以看出地源側(cè)水泵和空調(diào)側(cè)水泵運行時CO2排放量占總排放量的比例分別由30.74%、19.56%下降到24.68%、17.71%，其他部分碳排放之所以所占的比例有所上升，因為總的碳排放量減少。

（4）在空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機能耗也占一定的比例，根據(jù)設(shè)計規(guī)定，定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)總量一般是根據(jù)全年空調(diào)最大負荷進行設(shè)計的，當負荷較小時，需要再補償房間負荷的減少，出現(xiàn)了冷熱抵消的浪費問題，在空調(diào)系統(tǒng)實際上大部分時間處在部分負荷狀態(tài)運行，而變風(fēng)量（VAV）系統(tǒng)能隨時跟蹤建筑負荷的變化，在送風(fēng)溫差不變的情況系及時調(diào)節(jié)送風(fēng)量，從而可減少風(fēng)機的能耗，達到節(jié)能的目的。

表5 地源熱泵變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)各部分碳排放量

表5給出了當系統(tǒng)采用變流量變風(fēng)量技術(shù)時，系統(tǒng)各部分多占比例，可以看出，風(fēng)系統(tǒng)由于變頻技術(shù)的使用，所占比例由原來的8.71%下降到6.01%，雖然只減少了大約2.7%，但是從這個使用生命的周期來看，大約減少了14939kgCO2的排放量。

5 結(jié)論

（1）分析了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在生命周期各個階段的碳排放特點，通過計算整理得到了我國部分能源、運輸方式的碳排放計量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立地源熱泵各階段碳排放計算模型。

（2）結(jié)合案例工程，運用溫度頻率法（BIN），在運行年限15年時，地源熱泵在生命周期內(nèi)，運行階段碳排放量最大，占93.32%左右；生產(chǎn)階段的碳排放占到4.12%，運輸安裝碳排放量占2.56%，生產(chǎn)階段機組設(shè)備占據(jù)了35%左右，地埋管換熱器占10%，風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)分別占據(jù)了生產(chǎn)階段碳排放量的30%、25%左右；運輸安裝階段地埋管打井耗油量大，二氧化碳排放量較多。

（3）結(jié)合工程案例，分析地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行碳排放模型，當量滿負荷運行法計算出系統(tǒng)運行階段各部分碳排放量。地源熱泵系統(tǒng)主機、地源側(cè)水泵、空調(diào)側(cè)水泵、風(fēng)機盤管、新風(fēng)處理機組全年運行時碳排放量所占比重分別為40.99%、30.74%、19.56%、7.39%、1.32%?？梢钥闯龅卦礋岜贸酥鳈C的CO2碳排放占大部分外，水系統(tǒng)排放量比較也很大，約占50%，風(fēng)系統(tǒng)排放量約占9%。提高熱泵機組性能在碳排放方面具有巨大潛力，可以采取以下措施：采用導(dǎo)熱系數(shù)高的回填材料；地源熱泵廣泛存在吸排熱不平衡，可采用冷卻塔輔助設(shè)備裝置，將多余的熱量排出；合理確定地埋管長度，達到熱泵的最佳性能為優(yōu)。當采用變流量水泵時，地源側(cè)水泵和空調(diào)側(cè)水泵運行時CO2排放量占總排放量的比例分別由30.74%、19.56%下降到24.68%、17.71%。當系統(tǒng)采用變流量變風(fēng)量技術(shù)時，風(fēng)系統(tǒng)由原來的8.71%下降到6.01%。

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Carbon Emissions Research in Life Cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System

Hu Yukun Shen Zhihe Ci Chao

( Anhui Hefei University, Hefei, 230009 )

Based on the life cycle assessment theory, we divide the life cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System into four stages: producing and processing, transportation and installation, running and using, remove and recovery, and also build a carbon emissions accounting model of each stage. With actual project cases, it shows the operational stage accounted for the most when we check the carbon emissions of different stages with BIN in the life cycle of Ground Source Heat Air Conditioning System. We also find the Frequency Conversion Technology can reduce the carbon emissions after studying the carbon emissions data of each device in operational stage with equivalent full load operation method.

ground-source heat pump conditioning system; life-cycle assessment; operational stage; carbon emissions; energy conservation and emission reduction

1671-6612（2017）02-140-05

TU833+.1

A

胡玉坤（1990.2-），男，在讀碩士研究生，E-mail：18255103453@163.com

沈致和（1963-），男，教授，碩士生導(dǎo)師

2015-12-14