公共建筑空氣源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性分析

王 麗 輝

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,河北 石家莊 050081)

0 引言

為了減少冬季供暖燃煤污染,改善空氣質(zhì)量,國家推廣“煤改清潔能源”政策,為此各地政府紛紛啟動(dòng)了“煤改電”工程.“煤改電”有兩種方式:一是“煤改電熱”,這種方式利用電鍋爐、電熱膜、發(fā)熱電纜等設(shè)備設(shè)施將電能轉(zhuǎn)換為熱能,供用戶使用,據(jù)測(cè)算,三份煤才能出一份電,這種方式的效率極低;二是利用電能驅(qū)動(dòng)空氣源熱泵,因空氣源熱泵節(jié)能環(huán)保,可替代傳統(tǒng)供熱形式,能有效地降低能源消耗,減少空氣污染,實(shí)現(xiàn)清潔供暖,是“煤改電”的較佳選擇.空氣源熱泵技術(shù)已在我國長江流域、華北地區(qū)及中西部地區(qū)應(yīng)用,且多應(yīng)用于生活熱水、泳池加熱、低溫環(huán)境供熱等方面,尤其在公共建筑中應(yīng)用廣泛.2014年以來,我國多個(gè)省市相繼將空氣源熱泵納入清潔能源范疇[1].

本文以石家莊市第十五中學(xué)新校區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“十五中”)這一典型公共建筑的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為例,介紹該建筑冷熱負(fù)荷概況及空氣源熱泵參數(shù)如何選擇,通過對(duì)兩種冷熱源方案的分析,來確定系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排潛力.

1 空氣源熱泵的工作原理

空氣源熱泵是一種利用空氣實(shí)現(xiàn)熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置,其以空氣為低溫?zé)嵩?在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下,根據(jù)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的工作原理,利用空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器或蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換,通過制冷或制熱循環(huán)釋放或提取熱能,完成熱量離開或進(jìn)入建筑物的轉(zhuǎn)移,冬季制取熱水或熱風(fēng),夏季制取冷水或冷風(fēng),從而滿足用戶對(duì)冬季供暖、夏季空調(diào)、四季生活熱水等方面的需求.空氣源熱泵的工作原理圖見圖1.

空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)有:用途廣泛,四季無憂;安全運(yùn)行,保護(hù)環(huán)境;使用靈活;科技節(jié)能、省電省心;安裝方便,不受場(chǎng)地的限制;高效節(jié)能,運(yùn)行費(fèi)用低;使用方便,運(yùn)行穩(wěn)定[2].

2 石家莊地區(qū)的氣象條件

石家莊地區(qū)位于河北省南部,屬華北平原的一部分.該區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候.冬季寒冷干燥,夏季炎熱潮濕,年平均氣溫13℃,七月份溫度最高,平均氣溫26.8℃,一月份最冷,平均氣溫-2.8℃.供暖期從11月15日至翌年3月15日,共4個(gè)月,最大凍土深度為54 cm.根據(jù)地理位置和建筑氣候區(qū)劃分,石家莊地區(qū)屬于寒冷地區(qū),需要冬季供暖、夏季空調(diào).石家莊地區(qū)空調(diào)室外計(jì)算氣象參數(shù)見表1-2,建筑物空調(diào)冬季、夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)[3]見表3.

圖1 空氣源熱泵的工作原理圖

表1 石家莊地區(qū)冬季空調(diào)室外計(jì)算氣象參數(shù)

表2 石家莊地區(qū)夏季空調(diào)室外計(jì)算氣象參數(shù)

表3 建筑物空調(diào)冬季_、夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 十五中建筑物的冷熱負(fù)荷及空氣源熱泵的選用情況

十五中位于長安區(qū)高營鎮(zhèn)南高營村南,規(guī)劃用地256畝(170 752 m2),按84個(gè)班,在校生4 200人全寄宿制規(guī)模設(shè)置,總建筑面積120 391.77 m2,取暖面積104 108.11 m2.學(xué)校冬季供暖和夏季空調(diào)的特點(diǎn)是:每年執(zhí)行政府規(guī)定的寒暑假政策,一般為7-8月學(xué)生放假60 d,1-2月學(xué)生放假30 d.十五中為全寄宿制全日制學(xué)校,早7點(diǎn)至晚10點(diǎn)學(xué)生宿舍基本為全空狀態(tài),其余時(shí)間教室為全空狀態(tài),所以整個(gè)校區(qū)的冷熱負(fù)荷全天均按照部分負(fù)荷考慮.依據(jù)學(xué)校各建筑暖通專業(yè)施工圖紙得到的各建筑的冷熱負(fù)荷情況見表4.由于宿舍和教學(xué)樓不會(huì)同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行,考慮各棟樓運(yùn)行時(shí)間的差異,計(jì)算得出全校的總冷負(fù)荷為7 400 k W,總熱負(fù)荷為5 135 k W.

根據(jù)總冷熱負(fù)荷及空氣源熱泵機(jī)組的參數(shù),見表5,選用17臺(tái)RHAE125HA 型空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行冬季供暖和夏季制冷.單臺(tái)制冷量為440 k W,制熱量為465 k W.總制冷量為7 480 k W,總制熱量為7 905 k W.該空氣源熱泵機(jī)組制冷名義工況為:水側(cè)換熱器出水溫度7℃,水流量75.68 m3/h,環(huán)境干球溫度35℃;制熱名義工況為:水側(cè)換熱器出水溫度45℃,水流量79.98 m3/h,環(huán)境干球溫度7℃,環(huán)境濕球溫度6℃.使用環(huán)境的制冷工況為0℃～48℃,制熱工況為-15℃～21℃;冷水出水溫度為5℃～15℃,熱水出水溫度為35℃～50℃;冷凍水側(cè)工作壓力為1.0 MPa(水側(cè)壓力損失ΔP≤0.05 MPa);水側(cè)換熱器污垢系數(shù)為0.086 m2·℃/k W.

表4 十五中各建筑的冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

表5 RHAE125HA型空氣源熱泵機(jī)組參數(shù)

冬季制熱負(fù)荷校核時(shí)需要分析石家莊市的氣候.根據(jù)石家莊地區(qū)的室外空氣計(jì)算參數(shù)可知,石家莊冬季最冷環(huán)境平均溫度為-5.5℃,機(jī)組出水溫度為45℃時(shí),RHAE125 HA 型空氣源熱泵機(jī)組的制熱量為319.9 k W,因本工程總熱負(fù)荷為5 135 k W,因此共需要16臺(tái)RHAE125 HA 型空氣源熱泵機(jī)組,參照《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》[4],考慮本工程冬季氣候參數(shù)可知,17臺(tái)機(jī)組可以滿足冬季采暖的需求.考慮本工程所處地理位置,冬季設(shè)置一臺(tái)制熱量為500 k W 的輔助電加熱設(shè)備,即可確保在極端惡劣情況下的正常供暖.

4 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)效益分析

中央空調(diào)系統(tǒng)冬季供暖應(yīng)用廣泛的熱源主要包括熱電廠城市集中供熱、燃?xì)鉄崴仩t、燃油熱水鍋爐等.夏季制冷應(yīng)用廣泛的冷源主要包括電力或熱力驅(qū)動(dòng)的螺桿式冷水機(jī)組.此外,還有冷熱源組合的熱泵、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組等一體化設(shè)備.所以,中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的選擇可以有很多方案.工程上選用不同的空調(diào)冷熱源方案的初投資、運(yùn)行費(fèi)用和能耗差別很大.本文通過實(shí)際采用的方案一(空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案)與假設(shè)的方案二(螺桿式冷水機(jī)組+燃油熱水鍋爐)進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用的比較分析,以確定空氣源熱泵作為中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性.

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1.1 初投資分析

初投資主要包括設(shè)備購置費(fèi)、設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)安裝工程費(fèi)(含材料費(fèi))、與安裝工程配合的土建施工費(fèi).安裝工程費(fèi)按設(shè)備費(fèi)折算,按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),方案一按12%計(jì)算,方案二按20%計(jì)算[5].

4.1.1.1 方案一:空氣源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)

十五中空調(diào)系統(tǒng)采用的是直接蒸發(fā)式空氣源熱泵風(fēng)管式集中空調(diào)分體機(jī).初投資主要是空氣源熱泵機(jī)組(包含機(jī)組及主要末端設(shè)備)及機(jī)組的安裝費(fèi),室外機(jī)組安裝在屋頂,節(jié)省了土建施工費(fèi).該工程選用17臺(tái)RHAE125 HA 型空氣源熱泵機(jī)組,單臺(tái)制冷量為440 k W,制冷輸入功率為141 kW,制熱量為465 k W,制冷輸入功率為145 k W.空氣源熱泵機(jī)組的單價(jià)為10.8萬元/臺(tái),設(shè)備費(fèi)用為17×10.8=183.6萬元,安裝工程費(fèi)為183.6×12%=22.03萬元.經(jīng)實(shí)際核算,該方案的初投資包括設(shè)備購置費(fèi)183.6萬元、安裝工程費(fèi)22.03 萬元、土建施工費(fèi)0元,所以空氣源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的初投資費(fèi)用合計(jì)為205.63萬元.

4.1.1.2 方案二:螺桿式冷水機(jī)組+燃油熱水鍋爐初投資分析

該空調(diào)冷熱源方案是目前技術(shù)上比較成熟,且在工程中應(yīng)用較多的方案.十五中中央空調(diào)系統(tǒng)若采用該方案,風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組等主要末端設(shè)備的購置費(fèi)用也要列入初投資中.

根據(jù)該工程的冷熱負(fù)荷情況,需要4臺(tái)制冷量為2 000 k W、功率為500 k W 的螺桿式冷水機(jī)組,4臺(tái)制熱量為1 400 k W、功率為100 k W 的燃油熱水鍋爐.為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,需要建設(shè)不小于400 m2的機(jī)房,同時(shí)該系統(tǒng)需要冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、冷卻塔、熱水泵、風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組等設(shè)備.結(jié)合工程具體情況與設(shè)備廠家進(jìn)行溝通詢價(jià),最終確定制冷量為2 000 k W 的螺桿式冷水機(jī)組40萬元/臺(tái),制熱量為1400 k W 的燃油熱水鍋爐10萬元/臺(tái),其他設(shè)備費(fèi)用約60萬元,所有設(shè)備費(fèi)用約40×4+10×4+60=260萬元.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),安裝工程費(fèi)為設(shè)備費(fèi)的20%,即260×20%=52萬.建設(shè)400 m2的制冷機(jī)房約需要400×0.2=80萬元.所以,本工程若采用方案二初投資費(fèi)用合計(jì)為392萬元.

4.1.2 運(yùn)行費(fèi)用分析

系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)包括固定費(fèi)和運(yùn)行費(fèi).固定費(fèi)是指設(shè)備的折舊費(fèi)、利息和稅金等,固定費(fèi)在本次計(jì)算中暫不考慮.運(yùn)行費(fèi)主要指在中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中所消耗的能源費(fèi)用,即耗電、耗水、耗燃料及運(yùn)行中維修所產(chǎn)生的費(fèi)用.空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占整個(gè)建筑能耗的60%～70%,而冷熱源的能耗就占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%～60%[6].衡量和評(píng)價(jià)中央空調(diào)節(jié)能狀況常用的指標(biāo)是空調(diào)系統(tǒng)全年(或季節(jié))總耗能量,該指標(biāo)計(jì)算方法主要有度日法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法、負(fù)荷頻率表法、電子計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算法[7].根據(jù)這4種計(jì)算方法的適用場(chǎng)合,結(jié)合該工程空調(diào)系統(tǒng)是在部分負(fù)荷下運(yùn)行且運(yùn)行的記錄參數(shù)不易獲得的實(shí)際情況,選擇當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)全年(或季節(jié))的總耗能量.

當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法是指全年空調(diào)冷負(fù)荷(或熱負(fù)荷)的總和與制冷機(jī)(或鍋爐)最大制冷量(或產(chǎn)熱量)的比值,計(jì)算公式為:

其中,tp.l為夏季當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間,單位為h;tp.r為冬季當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間,單位為h;ql為全年空調(diào)冷負(fù)荷,單位為kJ/a;qr為全年空調(diào)熱負(fù)荷,單位為kJ/a;qz和qg分別為制冷機(jī)的最大制冷量、鍋爐的最大產(chǎn)熱量,單位為kJ/h.

當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間與建筑物的性質(zhì)、功能、空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能方式等因素有關(guān).計(jì)算時(shí),參考日本尾島俊雄整理出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),見表6.該工程中主樓、教學(xué)樓等按照辦公樓進(jìn)行選擇,即冬、夏兩季當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為480 h和560 h.河北省石家莊的學(xué)校用水為3.75 元/m3,非居民用電為0.564 4元/(k W·h) ,0號(hào)柴油(標(biāo)準(zhǔn)品)為7 495 元/t.兩種方案的運(yùn)行費(fèi)用見表7.

表6 當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間

表7 兩種冷熱源方案的運(yùn)行費(fèi)用

由表7可知,第一種方案運(yùn)行費(fèi)用較低.

4.1.3 兩種空調(diào)冷熱源方案的比較

由兩種空調(diào)冷熱源方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用可以看出,在公共建筑中使用空氣源熱泵作為中央空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源,其初投資低于傳統(tǒng)的螺桿式冷水機(jī)組+燃油熱水鍋爐的方案,且在后續(xù)運(yùn)行中沒有二次能源消耗,運(yùn)行費(fèi)用也相對(duì)較低.空氣源熱泵機(jī)組可以安裝在屋頂,不占用建筑面積,節(jié)約室內(nèi)空間.方案二根據(jù)螺桿式冷水機(jī)組和燃油熱水鍋爐兩種大型設(shè)備的臺(tái)數(shù)和外形尺寸,需要配置約400 m2的機(jī)房,占用建筑面積,另外由于燃油鍋爐需要設(shè)置儲(chǔ)油罐,在消防方面也有更高的要求.如果滿負(fù)荷運(yùn)行,方案二比方案一的空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用低,但學(xué)校這類公共建筑基本上都在部分負(fù)荷下運(yùn)行,所以相比較而言方案一運(yùn)行費(fèi)用較低.因此,從工程總投資的角度來說,選用空氣源熱泵系統(tǒng)為公共建筑的冷熱源較為經(jīng)濟(jì).

4.2 節(jié)能減排分析

4.2.1 節(jié)能量分析

為了便于對(duì)比分析,將空氣源熱泵供暖系統(tǒng)和熱電廠燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)的能耗量均轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤能耗量進(jìn)行對(duì)比.

(1)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的年標(biāo)準(zhǔn)煤能耗量按照公式(2)計(jì)算。

公式(2)中,mASHP為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)年標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,單位為kg/年;Q為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供熱量,單位為GJ/年,根據(jù)建筑物供暖時(shí)間和熱負(fù)荷為5 135 k W,確定空氣源熱泵供暖系統(tǒng)供熱量為39 929.76 GJ/年;COP為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)平均制熱性能系數(shù),為2.7;ηf 為電廠發(fā)電效率,取0.35;ηs為電網(wǎng)輸送效率,取0.925;M為標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量,取29 308 kJ/kg.

年標(biāo)準(zhǔn)煤能耗量的計(jì)算結(jié)果為1 558.61 t/年

(2)燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)的年標(biāo)準(zhǔn)煤能耗量按照公式(3)計(jì)算。

公式(3)中,mc為燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)年標(biāo)準(zhǔn)煤耗量,單位為kg/年;ηc為燃煤鍋爐的熱效率,取0.7;M為標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量,取29 308 kJ/kg;Qe為燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)的耗電量,取1 500 GJ/年.參考石家莊地區(qū)同類型燃煤鍋爐的年耗電量及空氣源熱泵供暖系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)盤管、循環(huán)泵等其他設(shè)備的耗電量,集中供暖系統(tǒng)的年標(biāo)準(zhǔn)煤能耗量的計(jì)算結(jié)果為2 104.74 t/年.

(3)通過對(duì)比分析可知,在年供熱量為5 000 k W的公共建筑中,冬季采用空氣源熱泵作為供暖系統(tǒng)的熱源折合成年標(biāo)準(zhǔn)煤的能耗量,低于傳統(tǒng)熱電廠燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)年標(biāo)準(zhǔn)煤的能耗量,按節(jié)能率公式(4)計(jì)算,節(jié)能率為25.95%.因此,在石家莊地區(qū)應(yīng)用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力較大.

公式(4)中,η為節(jié)能率.

4.2.2 減排量分析

參考《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50801-2013)[8],對(duì)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的減排量進(jìn)行計(jì)算分析.減排量的計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)煤排放系數(shù)法,以傳統(tǒng)的熱電廠燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量為基礎(chǔ),通過能耗量的差值和空氣污染物的排放系數(shù),計(jì)算應(yīng)用空氣源熱泵供暖系統(tǒng)的減排量.

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)CO2的減排量按照公式(5) 計(jì)算,結(jié)果為1 348.94 t/年.

公式(5)中,VCO2為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)CO2的減排量,單位為t/年;μCO2為標(biāo)準(zhǔn)煤CO2的排放系數(shù),取2.47.

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)SO2的減排量按照公式(6) 計(jì)算,結(jié)果為10.92 t/年.

公式(6)中,VSO2為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)SO2的減排量,單位為t/年;μSO2為標(biāo)準(zhǔn)煤SO2的排放系數(shù),取0.02.

空氣源熱泵供暖系統(tǒng)粉塵的減排量按照公式(7) 計(jì)算,結(jié)果為5.46 t/年.

公式(7)中,Vfc為空氣源熱泵供暖系統(tǒng)粉塵減排量,單位為t/年 ;μfc 為標(biāo)準(zhǔn)煤粉塵排放系數(shù),取0.01.

通過計(jì)算可知,與傳統(tǒng)的熱電廠燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)相比,同等規(guī)模的公共建筑采用空氣源熱泵系統(tǒng)每年減少排放CO2約1 348.94 t、SO2約10.92 t、粉塵約5.46 t.因此,在石家莊地區(qū)采用空氣源熱泵系統(tǒng)為公共建筑進(jìn)行冬季供暖,有利于降低多種空氣污染物的排放量,減排潛力大.

5 結(jié)論

(1)在石家莊地區(qū)類似十五中的公共建筑中,使用空氣源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性好.

(2)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)與同規(guī)模的燃煤鍋爐集中供暖系統(tǒng)相比,節(jié)能率達(dá)到25.95%,節(jié)能潛力很大.

(3)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)能夠有效地減少CO2、粉塵、SO2等空氣污染物的排放量,從而減少環(huán)境污染.