某教育建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)低碳設(shè)計(jì)量化分析

周 鵬

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

0 引言

建筑運(yùn)行能耗是我國(guó)能源消耗系統(tǒng)的主體之一，也是碳排放的重要來(lái)源。在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)背景下，減少建筑運(yùn)行能耗，降低建筑碳排放是行業(yè)發(fā)展的必然方向。暖通空調(diào)系統(tǒng)在建筑運(yùn)行能耗中的占比較高，通常達(dá)到40%~50%，因此暖通空調(diào)系統(tǒng)的低碳化設(shè)計(jì)也是勢(shì)在必行[4,6]。

在目前“雙碳”背景下，對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以采用哪些節(jié)能低碳化的設(shè)計(jì)方向和措施，這些措施對(duì)于降低建筑物運(yùn)行能耗碳排放值的貢獻(xiàn)有多少，需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)此有一定的量化概念[2,3]。而建筑碳排放計(jì)算則是量化各類(lèi)措施節(jié)能減碳效果的有效手段，可以直觀(guān)的看出各節(jié)能措施的減碳效果。

利用可再生能源是暖通空調(diào)系統(tǒng)低碳化設(shè)計(jì)的有效途徑[2]，地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源，可以有效減少建筑的碳排放[3]。本文以某教育建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)建筑碳排放計(jì)算，對(duì)該項(xiàng)目所采用的“地源熱泵冷熱源和主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端”的空調(diào)系統(tǒng)形式進(jìn)行量化分析，以探討地源熱泵和主動(dòng)式冷梁末端對(duì)降低碳排放的影響程度。

1 項(xiàng)目概況

本建筑為從幼兒園到高中的K-12 國(guó)際學(xué)校，位于上海市，屬夏熱冬冷地區(qū)，總建筑面積58380平方米，其中地上建筑面積42365 平方米，地下建筑面積16015 平方米，地上5 層，地下1 層，建筑高度24 米，建筑形態(tài)如圖1 所示。

圖1 建筑形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of building form

建筑內(nèi)的主要房間功能和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。根據(jù)LEED 鉑金認(rèn)證的要求，本項(xiàng)目中房間新風(fēng)量按ASHRAE 方法計(jì)算[12]，并采取加大30%新風(fēng)量取值，表格中各房間人員新風(fēng)量為總新風(fēng)量除以總?cè)藬?shù)換算出的平均值。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Indoor Design Parameter

本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用土壤源地埋管式地源熱泵系統(tǒng)，并設(shè)有備用閉式冷卻塔，夏季如土壤溫度偏高時(shí)可開(kāi)啟使用。室內(nèi)空調(diào)末端體育館、游泳館、劇院等大空間設(shè)置為全空氣系統(tǒng)，教室和辦公區(qū)域則采用主動(dòng)式冷梁加變風(fēng)量新風(fēng)系統(tǒng)。其中，主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端系統(tǒng)是一種集制冷、供熱和通風(fēng)功能為一體的空調(diào)系統(tǒng)，它能夠提供良好的室內(nèi)氣候環(huán)境及單獨(dú)區(qū)域的控制。一次風(fēng)主要用來(lái)消除室內(nèi)濕負(fù)荷，同時(shí)也可以供熱、供冷和供給新風(fēng)；末端換熱盤(pán)管用來(lái)進(jìn)行室內(nèi)熱/冷負(fù)荷的處理。經(jīng)過(guò)新風(fēng)機(jī)組集中熱濕處理后的一次風(fēng)，由一次風(fēng)接管進(jìn)入靜壓箱，通過(guò)噴嘴高速?lài)姵?，在噴嘴附近產(chǎn)生負(fù)壓，誘導(dǎo)吸入室內(nèi)二次回風(fēng)，室內(nèi)二次回風(fēng)通過(guò)冷梁水盤(pán)管冷卻或加熱后，與一次風(fēng)混合，最后由條形風(fēng)口送入室內(nèi)。由于主動(dòng)式冷梁沒(méi)有循環(huán)風(fēng)機(jī)，可以節(jié)省大量末端風(fēng)機(jī)的能耗[5]。圖2 為主動(dòng)式冷梁工作原理圖[1]。教室和辦公區(qū)域的夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25℃，設(shè)計(jì)相對(duì)濕度50%，對(duì)應(yīng)的機(jī)器露點(diǎn)溫度為14.7℃。為了避免冷梁發(fā)生結(jié)露，冷梁的供水溫度要求比露點(diǎn)溫度高3℃以上，同時(shí)冷梁盤(pán)管的供回水溫差為3℃，因此，冷梁末端的設(shè)計(jì)供回水溫度采用18/21℃。采用冷梁末端的房間約占建筑總空調(diào)面積的60%。

圖2 主動(dòng)式冷梁工作原理圖Fig.2 Working principle of active chilled beam

除地埋管式地源熱泵冷熱源主機(jī)和主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)外，本項(xiàng)目采取的節(jié)能技術(shù)手段尚有：地源熱泵主機(jī)中的一臺(tái)小容量機(jī)組設(shè)置為冷凝熱回收型，回收熱量供生活和常溫泳池?zé)崴苽涫褂?；新風(fēng)機(jī)組設(shè)置有全熱回收段，可部分回收集中排風(fēng)的冷熱能量；新風(fēng)機(jī)組均采用變頻風(fēng)機(jī)，新風(fēng)支管上設(shè)置變風(fēng)量閥，新風(fēng)系統(tǒng)變風(fēng)量運(yùn)行等。

2 運(yùn)行階段碳排放計(jì)算

根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366-2019第4.1.4 條，建筑運(yùn)行階段碳排放量應(yīng)根據(jù)各系統(tǒng)不同類(lèi)型能源消耗量和不同類(lèi)型能源的碳排放因子確定，建筑運(yùn)行階段單位建筑面積的總碳排放量（CM）按下列公式計(jì)算[7]：

式中：CM為建筑運(yùn)行階段單位建筑面積碳排放量，kgCO2/m2；Ei為建筑第i 類(lèi)能源年消耗量，kWh/a；EFi為第i 類(lèi)能源的碳排放因子，tCO2e/kWh；Ei,j為j 類(lèi)系統(tǒng)的第i 類(lèi)能源消耗量，單位/a；ERi,j為j 類(lèi)系統(tǒng)消耗由可再生能源系統(tǒng)提供的第i 類(lèi)能源量，單位/a；Cp為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kgCO2/a；y 為建筑設(shè)計(jì)壽命，a；A為建筑面積，m2。

其中，建筑設(shè)計(jì)壽命y 取50年，電網(wǎng)碳排放因子采用2022年上海電力排放因子[8]。

EF=4.2×10-4tCO2e/kWh

本文僅針對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行碳排放分析，依據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中第4.2.2 條對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算方法的要求[7]，采用華電源HDY-SMAD 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，計(jì)算得到本項(xiàng)目空調(diào)夏季最大冷負(fù)荷5635kW，冬季最大熱負(fù)荷4255kW，年累計(jì)冷負(fù)荷324.7 萬(wàn)kWh，年累計(jì)熱負(fù)荷384.8 萬(wàn)kWh。圖3所示為計(jì)算得到的全年空調(diào)日累計(jì)負(fù)荷示意圖。

圖3 全年空調(diào)日累計(jì)負(fù)荷示意圖Fig.3 Daily cumulative load of HVAC

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目配置3 臺(tái)地埋管式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量2000kW，制熱量1400kW。夏季供回水溫度7/12℃，冬季供回水溫度45/40℃?！皞鹘y(tǒng)冷水機(jī)組加鍋爐冷熱源”作為最常見(jiàn)的建筑空調(diào)冷熱源形式，將其作為本次碳排放計(jì)算比較的基準(zhǔn)對(duì)象。冷源配置2 臺(tái)單臺(tái)制冷量2500kW 的離心式水冷冷水機(jī)組和1 臺(tái)制冷量1000kW 的螺桿式水冷冷水機(jī)組；熱源則采用3 臺(tái)單臺(tái)制熱量1400kW 的燃?xì)鉄崴仩t。同時(shí)，另外設(shè)置了一組“傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組”作為冷熱源進(jìn)行比對(duì)，共配置6 臺(tái)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組，單臺(tái)制冷量1000kW，制熱量700kW。

根據(jù)計(jì)算得到的日累計(jì)空調(diào)冷熱負(fù)荷，以及設(shè)置的三種冷熱源主機(jī)配置，利用PKPM2022 版綠建節(jié)能系列碳排放計(jì)算軟件進(jìn)行建模及碳排放計(jì)算。依據(jù)最新的節(jié)能要求，計(jì)算模型中的各圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、所有冷熱源主機(jī)的性能系數(shù)或熱效率值均采用《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015-2021 中的規(guī)范限值作為計(jì)算值[9]。

其中冷熱源側(cè)的碳排放計(jì)算包括冷熱源主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、熱水泵和冷卻塔的運(yùn)行能耗碳排放值。本文的相關(guān)對(duì)比計(jì)算中，除風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組無(wú)冷卻水泵外，其余各系統(tǒng)水泵流量與主機(jī)容量分別對(duì)應(yīng)，冷凍水和冷卻水側(cè)供回水溫差5℃，鍋爐熱水側(cè)供回水溫差10℃，風(fēng)熱熱泵和地源熱泵熱水側(cè)供回水溫差5℃，另冷凍水泵、冷卻水泵和熱水泵的各自揚(yáng)程參數(shù)均相同。

3 冷熱源側(cè)碳排放比較

先假定空調(diào)末端形式一致，通過(guò)計(jì)算得到三種不同冷熱源系統(tǒng)的碳排放值。其中，以“傳統(tǒng)冷水機(jī)組加鍋爐冷熱源”作為冷熱源的系統(tǒng)，其冷熱源側(cè)的供暖和空調(diào)碳排放的計(jì)算結(jié)果分別為：供暖年能耗碳排放量575.84t，空調(diào)年能耗碳排放量326.09t；以“傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組”作為冷熱源的系統(tǒng)，其冷熱源側(cè)的碳排放計(jì)算結(jié)果為：供暖年能耗碳排放量317.48t，空調(diào)年能耗碳排放量426.22t；本項(xiàng)目采用以“地埋管式地源熱泵機(jī)組”作為冷熱源的系統(tǒng)，按前文所述的配置計(jì)算得到的碳排放結(jié)果為：供暖年能耗碳排放量336.10t，空調(diào)年能耗碳排放量359.07t。

圖4 所示為三種冷熱源形式的碳排放計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。通過(guò)量化計(jì)算可以得出，在三種冷熱源形式中，空調(diào)年碳排放量最低的是水冷冷水機(jī)組，最高的為風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組。如以傳統(tǒng)水冷冷水機(jī)組為基準(zhǔn)，風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組的空調(diào)碳排放增加30.7%，地埋管式地源熱泵機(jī)組的空調(diào)碳排放增加10.1%。供暖碳排放最低的為風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組，最高為燃?xì)鉄崴仩t。以傳統(tǒng)燃?xì)鉄崴仩t作為比較基準(zhǔn)，風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為熱源的系統(tǒng)年碳排放量減少44.9%，地埋管式地源熱泵機(jī)組作為熱源的系統(tǒng)年碳排放減少41.6%。

圖4 不同冷熱源形式的碳排放計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of carbon emission of different HVAC sources

如果綜合供暖、空調(diào)冷熱源主機(jī)的全年碳排放量，則碳排放最低的冷熱源系統(tǒng)為地埋管式地源熱泵機(jī)組，最高為水冷冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t。以傳統(tǒng)水冷冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t作為基準(zhǔn)，風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組的供暖、空調(diào)全年碳排放之和減少17.5%，地埋管式地源熱泵機(jī)組的供暖、空調(diào)全年碳排放之和減少22.9%。

值得注意的是，雖然地埋管式地源熱泵機(jī)組在三種冷熱源形式中全年碳排放最少，但通過(guò)量化計(jì)算結(jié)果可以看到，在本項(xiàng)目中，地埋管式地源熱泵相比風(fēng)冷熱泵其全年碳排放量?jī)H減少了6.5%，單位建筑面積碳排放僅降低了0.83kg/m2。同時(shí)，考慮到地埋管地源熱泵系統(tǒng)在地埋管打井、運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中的碳排放量較高[10,11]，其全生命周期碳排放量相較于風(fēng)冷熱泵的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步縮小。

4 主動(dòng)式冷梁的碳排放分析

本項(xiàng)目辦公、教室空間的空調(diào)末端采用主動(dòng)式冷梁加變風(fēng)量新風(fēng)系統(tǒng)形式，該末端空調(diào)形式對(duì)建筑物運(yùn)行能耗碳排放的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是高供回水溫度導(dǎo)致的冷熱源配置調(diào)整對(duì)碳排放的影響，二是末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗對(duì)碳排放的影響。

由于主動(dòng)式冷梁末端為溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)，冷梁所需供回水溫度為18/21℃，因此在冷熱源配置方面，可將本項(xiàng)目的地埋管式地源熱泵主機(jī)調(diào)整為兩個(gè)系統(tǒng)，分別為主要供給全空氣系統(tǒng)空調(diào)機(jī)組和變風(fēng)量新風(fēng)機(jī)組的“低溫地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)”（供回水溫度7/12℃）和專(zhuān)供主動(dòng)式冷梁末端的“高溫地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)”（機(jī)組的供/回水溫度為16/21℃，并通過(guò)混水調(diào)節(jié)至主動(dòng)式冷梁所需的18/21℃）。根據(jù)本項(xiàng)目中冷梁末端的占比，調(diào)整后采用的主機(jī)配置為：低溫側(cè)采用2 臺(tái)地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量2000kW，制熱量1400kW；高溫側(cè)采用2 臺(tái)地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量1000kW，制熱量700kW。

提高地源熱泵機(jī)組的冷凍水供/回水溫度可以提高機(jī)組的COP，根據(jù)主流廠(chǎng)商提供的設(shè)計(jì)資料，在供回水溫差為5℃時(shí)，地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度對(duì)COP 值的影響如圖5 所示。圖中可以看出，當(dāng)供水溫度由7℃提高16℃時(shí)，機(jī)組COP 可提高至7.83。

圖5 地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度對(duì)COP 值的影響Fig.5 COP Effect of water outlet temperature of evaporator of ground source heat pump

根據(jù)高低溫配置的地源熱泵主機(jī)方案，經(jīng)碳排放軟件計(jì)算得到的供暖年能耗碳排放量為336.10t，空調(diào)年能耗碳排放量為341.14t，合計(jì)677.24t。

圖6 所示為對(duì)應(yīng)“主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端”的高低溫地源熱泵機(jī)組配置與對(duì)應(yīng)“風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)末端”的單一溫度常規(guī)地源熱泵機(jī)組配置的冷熱源側(cè)碳排放對(duì)比。從圖中可得出，由于兩種系統(tǒng)冬季供回水溫度均為45/40℃，采用“主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端”的高低溫地源熱泵系統(tǒng)其冷熱源側(cè)的供暖碳排放值與采用“風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端”的常規(guī)系統(tǒng)相同，但空調(diào)碳排放值相較常規(guī)配置地源熱泵系統(tǒng)則減少了5.0%，供暖、空調(diào)的全年碳排放之和共減少了2.6%。

圖6 末端形式對(duì)冷熱源側(cè)碳排放的影響Fig.6 Influence of terminal form on carbon emissions of cold and heat sources

在末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗方面，主動(dòng)式冷梁系統(tǒng)為無(wú)風(fēng)機(jī)動(dòng)力型末端，無(wú)電力能耗。鑒于所采用的PKPM 碳排放計(jì)算軟件中空調(diào)末端形式尚無(wú)冷梁末端選項(xiàng)，計(jì)算中末端空調(diào)形式的比較參考動(dòng)力系統(tǒng)風(fēng)機(jī)項(xiàng)。同時(shí)由于采用全空氣系統(tǒng)和新風(fēng)空調(diào)箱的區(qū)域在各模型中均相同，因此在末端能耗差異計(jì)算中簡(jiǎn)化忽略。計(jì)算中系統(tǒng)末端按風(fēng)機(jī)盤(pán)管的設(shè)備選型，將風(fēng)機(jī)參數(shù)輸入動(dòng)力系統(tǒng)風(fēng)機(jī)項(xiàng)中，相應(yīng)計(jì)算得到的動(dòng)力系統(tǒng)能耗通風(fēng)機(jī)碳排放值為32.61t。由于假定主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端的耗電為零，即相較于風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端，采用無(wú)風(fēng)機(jī)動(dòng)力型冷梁末端時(shí)其設(shè)備風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗年碳排放可減少32.61t。

在以地源熱泵為冷熱源的前提下，綜合冷梁末端對(duì)冷熱源側(cè)的碳排放影響及冷梁本身減少的風(fēng)機(jī)碳排放，在本項(xiàng)目中，采用冷梁末端與采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端相比共可降低碳排放50.61t，約7.3%，折合單位建筑面積碳排放降低了0.87kg/m2。

5 綜合冷熱源和空調(diào)末端形式的碳排放比較

綜合冷熱源和空調(diào)末端形式，本項(xiàng)目所采用的“地源熱泵冷熱源和主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端”系統(tǒng)形式冷熱源側(cè)年碳排放677.2t，室內(nèi)空調(diào)末端年碳排放0t。與“傳統(tǒng)冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t和風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端”系統(tǒng)形式冷熱源側(cè)年碳排放901.93t、室內(nèi)空調(diào)末端年碳排放32.61t 對(duì)比，可降低年碳排放27.5%，其中，冷熱源側(cè)降低碳排放24%，末端降低年碳排放3.5%。與“傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端”系統(tǒng)形式對(duì)比，可減降低碳排放12.8%，其中，冷熱源側(cè)降低年碳排放8.6%，末端降低年碳排放4.2%。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以上海地區(qū)某教育建筑為研究對(duì)象，主要就地埋管式地源熱泵冷熱源形式和主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端形式進(jìn)行碳排放量化分析，并與傳統(tǒng)主機(jī)、末端形式的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗碳排放值進(jìn)行比較研究。在本項(xiàng)目中，通過(guò)量化計(jì)算數(shù)據(jù)可以得到：

（1）可再生能源形式中的地埋管式地源熱泵機(jī)組可明顯降低建筑物運(yùn)行能耗碳排放，以“傳統(tǒng)冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t”為基準(zhǔn)，相同供回水溫度的地源熱泵機(jī)組可降低碳排放約22.9%；

（2）考慮室內(nèi)采用冷梁空調(diào)末端的影響，高低溫配置的地源熱泵機(jī)組可降低碳排放約24%，綜合末端能耗共可降低碳排放約27.5%；

（3）與“傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組”相比，相同供回水溫度的地源熱泵機(jī)組年碳排放減少了6.5%。

（4）與“傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵冷暖水機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端”系統(tǒng)形式對(duì)比，“地源熱泵冷熱源和主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端”共可減少年碳排放12.8%，其中，冷熱源側(cè)減少碳排放8.6%，末端減少年碳排放4.2%。

地源熱泵冷熱源和主動(dòng)式冷梁空調(diào)末端的系統(tǒng)形式，相比較傳統(tǒng)的冷水機(jī)組加熱水鍋爐形式，可以有效的降低碳排放，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但根據(jù)本項(xiàng)目的量化計(jì)算結(jié)果，在夏熱冬冷地區(qū)，相較于風(fēng)冷熱泵，地源熱泵作為冷熱源在減碳方面雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其優(yōu)勢(shì)并不如想象中明顯。建議在將來(lái)綜合不同建筑類(lèi)型、項(xiàng)目初投資、全生命周期碳排放等方面，通過(guò)量化計(jì)算對(duì)地源熱泵系統(tǒng)和風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的碳排放比較進(jìn)行進(jìn)一步研究。

鑒于碳排放計(jì)算的相關(guān)軟件均為最新發(fā)布，部分內(nèi)容尚待進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)中其他的節(jié)能減碳措施如風(fēng)系統(tǒng)熱回收側(cè)、主機(jī)冷凝熱回收側(cè)、風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行等均可以在今后繼續(xù)深入研究探討，以管窺豹，從量化的角度對(duì)暖通空調(diào)各類(lèi)節(jié)能減碳措施進(jìn)行分析，為“雙碳”設(shè)計(jì)提供參考。