基于能耗模擬的住區(qū)供暖模式研究

王 潔

（山東建筑大學建筑城規(guī)學院，山東 濟南 250101）

1 疫情之后的能源轉(zhuǎn)型與我國的低碳目標

聯(lián)合國第六期《全球環(huán)境展望》提出，地球健康與人類健康成正相關，城市污染與溫室氣體排放是全球疾病與死亡的最大原因。自新冠肺炎疫情以來，醫(yī)療活動及居家行為的增多對能源與環(huán)境造成影響。居家隔離措施增加了消費者網(wǎng)上購物與外賣行為，從而導致包裝垃圾的增加；武漢的醫(yī)院在疫情防控期間產(chǎn)生的醫(yī)療廢物是正常運行的近5倍；居家隔離也對寒冷地區(qū)冬季供暖的舒適度、健康安全及能源消耗提出更高要求。

2015年，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十一次締約方會議就能源安全問題、社會可持續(xù)健康發(fā)展問題達成《巴黎協(xié)定》。大會提出，到2050年建筑碳排放量要比2010年下降80%～90%。在氣候變化大會上，我國承諾將在2030年前實現(xiàn)碳排放峰值，并在2030年前將人均能源強度降低60%～65%，在2060年實現(xiàn)“碳中和”。為此，我國逐漸將關注重點轉(zhuǎn)移到區(qū)域供熱與建筑能效上，在北方冬季寒冷與嚴寒地區(qū)，供暖占據(jù)冬季建筑能耗的60%以上，降低北方地區(qū)的供暖能耗是實現(xiàn)節(jié)能減排的關鍵。

2 第四代區(qū)域供熱的優(yōu)勢

區(qū)域供熱系統(tǒng)由連接一個區(qū)域內(nèi)建筑物的管道網(wǎng)絡組成，該區(qū)域的供熱需求由中央單元或多個分布式供熱或發(fā)電廠滿足。丹麥阿爾堡大學的倫德等人于2014年提出“第四代區(qū)域供熱”概念。前三代皆在以化石燃料為主導的供應環(huán)境中開發(fā)，第四代可整合高份額的可再生能源及余熱。第四代區(qū)域供熱還主張建立“智能能源系統(tǒng)”，實現(xiàn)部門間能源儲存與運輸。

3 模擬采暖季不同供暖模式的能源消耗

居住建筑作為重要的城市建筑形態(tài)，其運行能耗達建筑總能耗的48%，降低居住建筑能耗是實現(xiàn)“2030年完成碳排放峰值”的關鍵。本文能耗模型基于Rhino6的Umi區(qū)域能耗模擬插件進行運算。能耗模擬方法如圖1所示，通過建立三維模型，輸入邊界條件參數(shù)與供暖模式參數(shù)，使用Umi工具模擬能耗，分析3種供暖模式的能耗、居民人均能源強度與CO2排放量。

圖1 對比不同供暖模式的能耗模擬方法（圖片來源：作者自繪）

3.1 典型案例選定

我國北方地區(qū)清潔采暖比例較低（占總采暖面積的34%）。北京春秋季短，冬季較長，平均氣溫11.5℃，冬季多為西北風，夏季多為東南風，采暖期從11月15日至次年3月15日，長達4個月。按照“十三五”規(guī)劃，北京將在“十三五”期間將煤炭消費量削減至400萬t，而如今已遠遠超過這一目標。目標建筑選擇北京市朝陽區(qū)某住宅小區(qū)。該小區(qū)由多棟高層建筑組成，分別為5棟15層、5棟18層及5棟24層住宅。模擬對象選擇15層、18層與24層的組合方式，涵蓋小高層與高層，具有典型性。

3.2 能耗計算

Umi（urban modeling interface）是基于Rhino平臺與EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)（EPW）的能耗模擬插件，可評估一個城市或一個地區(qū)的建筑能耗及獲取自然采光的能力，以3D可視化和數(shù)據(jù)圖表形式呈現(xiàn)。使用Umi動態(tài)模擬概念化住區(qū)的供熱能耗情況。

3.2.1 計算邊界條件

設定模擬區(qū)域的采暖期為11月15日至次年的3月15日；采取連續(xù)運行的計算方式；刪除地下室、樓道及樓梯等公共場所的計算區(qū)域；室內(nèi)通風參數(shù)采用默認數(shù)據(jù)進行設置，由于疫情，增加每日0.5h的自然通風時長；基于GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》，建筑立面窗墻面積比設定為南向0.34，北向0.1，東西向0.2。將室內(nèi)模擬溫度設為18.7℃，模擬氣象數(shù)據(jù)來自EnergyPlus氣象參數(shù)網(wǎng)站。

3.2.2 燃氣鍋爐集中供暖能耗計算

在Umi中設定燃氣鍋爐的具體參數(shù)值：額定熱功率1.4MW，設定工作壓力0.8MPa，循環(huán)水泵水量為80m3/s，進出口水溫設為70～95℃，揚程為32m，熱效率0.8。通過對小區(qū)燃氣鍋爐逐時能耗的統(tǒng)計，計算出整個采暖季燃氣鍋爐的總能耗為6 670 601kW·h，CO2排放量為1 200 704.8t，采暖季的單位面積能耗值為39.10kW·h。

3.2.3 熱電聯(lián)產(chǎn)集中供暖能耗計算

模擬區(qū)域供熱面積選用1臺板式換熱器（BK250B-150），2臺循環(huán)水泵，額定功率為 18.5kW（TP100-370/4），揚程H=23m，流量G=197t/h；1臺額定功率1.1kW的補水泵（CRN3-15），揚程H=119m，流量G=5.6t/h。熱電廠基于一次供熱管網(wǎng)將熱源送至小區(qū)，在小區(qū)的換熱站進行換熱后，通過二次管網(wǎng)送至各住戶。模擬結(jié)果顯示，該模式整個采暖季的總能耗為5 567 404 kW·h，CO2排放量為2 793 412.4t，采暖季的單位面積能耗值為 27.68kW·h。

3.2.4 熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵集成

依據(jù)第四代區(qū)域供熱設定參數(shù)，采用低溫水，30～60℃，一般供水溫度 50℃，回水溫度 30℃，降低燃煤比例15%，將熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵結(jié)合，減少CO2排放。計算得出，整個采暖季該模式的總能耗4 594 803kW·h，CO2排放量為1 128 601.0t，采暖季的單位面積能耗值為22.10kW·h，能耗量大大降低。

3.3 計算結(jié)果分析

由上述模擬計算得出，小區(qū)燃氣鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵集成系統(tǒng)的能耗比為1.44∶1∶0.81，能耗最高的為燃氣鍋爐，最低的為熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵集成；經(jīng)過公式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得出，每個居民的能源使用強度分別為 213.80，151.75，120.58；CO2排放量分別為 1 200 704.8，2 793 412.4，1 128 601.0t。

1）熱電聯(lián)產(chǎn)供暖的CO2排放量最大，熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵集成的供熱方式采暖能耗最少，其減排效果雖低于燃氣鍋爐但差別不大，若想提高減排效果，與燃氣鍋爐的CO2排放量拉開距離，關鍵是提高終端的熱泵能效。

2）燃氣鍋爐的碳排放量不高，但是全天然氣的對外進口需求量巨大。如果用來供暖，對我國能源安全威脅較大。因此需要提倡一種更長期更可持續(xù)的供暖模式。

3）應加強供暖電氣化應用可再生能源的強度與比例，減少火電使用的投入，熱泵應用合適的熱源，較使用火電的成本更低且運行效率更高。

4 結(jié)語

本文通過模擬不同能源占比下的供暖模式，得出熱電聯(lián)產(chǎn)與熱泵集成的第四代區(qū)域供熱方式較燃氣鍋爐、純熱電聯(lián)產(chǎn)供熱具有更低的CO2排放量及能源消耗，是我國實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》2030年碳排放目標與2060年“碳中和”目標的重要手段。然而，為實現(xiàn)最佳的能源效率和經(jīng)濟效益，該系統(tǒng)的合理設計和調(diào)度需基于數(shù)學規(guī)劃方法的優(yōu)化模型，著重發(fā)展儲能技術(shù)，提高終端熱泵能效是關鍵。