合肥某商業(yè)項(xiàng)目熱源系統(tǒng)減碳設(shè)計(jì)方法

文_簡亞婷 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 項(xiàng)目概況

合肥某商業(yè)項(xiàng)目總建筑面積約23萬m2，地上7層、地下3層，建筑總高度49m。地上建筑面積約13萬m2，主要業(yè)態(tài)為餐飲、主力店等；地下約10萬m2，B1層主要為商鋪、B2～B3層主要為機(jī)動(dòng)車庫、非機(jī)動(dòng)車庫和人防工程。其室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1及表2。

表1 合肥室外計(jì)算參數(shù)

表2 商業(yè)區(qū)域空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)①

2 全年逐時(shí)負(fù)荷模擬

采用eQUEST計(jì)算負(fù)荷，以全年8760h動(dòng)態(tài)負(fù)荷結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行各方案的設(shè)備選型。模擬時(shí)供暖設(shè)備設(shè)置的開啟時(shí)間為12月5日至3月5日。

負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見圖1。項(xiàng)目的峰值熱負(fù)荷為7302kW，單位空調(diào)面積熱負(fù)荷指標(biāo)為63.8W/m2，單位累計(jì)熱指標(biāo)為46.83kWh/m2。由圖2和表3可知供暖設(shè)備在40%～70%負(fù)荷率下的運(yùn)行時(shí)間最長，60%以下的空調(diào)熱負(fù)荷時(shí)長占供熱時(shí)段總時(shí)長67.4%，90%以下的空調(diào)熱負(fù)荷時(shí)長占供熱時(shí)段總時(shí)長96.4%。根據(jù)熱負(fù)荷分布特點(diǎn)，合理分配空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的比例，對(duì)減少熱源系統(tǒng)碳排放量，避免不必要的初投資浪費(fèi)，具有實(shí)際意義。

表3 合肥某商業(yè)項(xiàng)目空調(diào)熱負(fù)荷分布表及對(duì)應(yīng)室外平均溫度

圖1 合肥某商業(yè)項(xiàng)目全年8760h逐時(shí)冷熱負(fù)荷

圖2 合肥某商業(yè)項(xiàng)目熱負(fù)荷率分布圖

3 系統(tǒng)配置

空氣源熱泵可正常運(yùn)行制熱工況的室外溫度為-10℃～30℃。經(jīng)廠家咨詢，當(dāng)室外氣溫為-1.5℃以下時(shí)機(jī)組將啟動(dòng)融霜工況，但時(shí)間不超過總運(yùn)行時(shí)間的20%。圖6為市面上三個(gè)廠家提供的空氣源熱泵機(jī)組在表3對(duì)應(yīng)的環(huán)境干球溫度下45℃出水時(shí)的COP曲線圖（考慮融霜修正后的COP）。隨著室外干球溫度下降，空氣源熱泵的制熱COP逐漸降低 ，但即使室外溫度為-10℃時(shí)，機(jī)組COP仍大于2.0。下文采用MD品牌的COP值進(jìn)行計(jì)算。

燃?xì)忮仩t單價(jià)供熱量計(jì)算見式（1）:

式中U燃—燃?xì)忮仩t供熱單價(jià)，MJ/元;Q燃—燃?xì)忮仩t天然氣熱值，取35MJ/Nm3;η—燃?xì)忮仩t熱效率，取0.94;P燃—天然氣單價(jià)，合肥為3.16 元/Nm3。

空氣源熱泵單價(jià)供熱量計(jì)算見式（2）:

式中U空—空氣源熱泵供熱單價(jià)，MJ/元; COP—空氣源熱泵在不同室外溫度下的COP值;P電—電單價(jià)，合肥工商業(yè)平均電價(jià)為 0.589元/kW·h。

聯(lián)立公式（1）、（2），基于合肥的價(jià)格體系，經(jīng)計(jì)算當(dāng)COP=1.71時(shí)燃?xì)忮仩t及空氣源熱泵的運(yùn)行費(fèi)相等，此COP對(duì)應(yīng)的室外溫度下兩系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)（不含水泵）相等。所選空氣源熱泵機(jī)組-10℃時(shí)對(duì)應(yīng)的制熱COP=2.23＞1.71，合肥的冬季空調(diào)室外計(jì)算溫為-4.2℃>-10℃，因此合肥冬季優(yōu)先開啟空氣源熱泵相較于燃?xì)忮仩t具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

空氣源熱泵與燃?xì)鉄崴仩t聯(lián)合供熱系統(tǒng)，空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)供回水溫度為45℃/40℃，燃?xì)鉄崴仩t的設(shè)計(jì)供回水溫度為50℃/40℃。聯(lián)合熱源系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略如下：

①熱水系統(tǒng)空氣源熱泵側(cè)和真空燃?xì)鉄崴仩t側(cè)都為一次泵定流量系統(tǒng)，循環(huán)水泵定頻運(yùn)行；

②滿負(fù)荷工況下，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣源熱泵及燃?xì)鉄崴仩t的供熱比例，共同承擔(dān)熱負(fù)荷；

③部分負(fù)荷工況下，優(yōu)先開啟空氣源熱泵機(jī)組，系統(tǒng)為定流量、定供水溫度運(yùn)行，通過改變空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來控制供熱量及電動(dòng)閥開度，當(dāng)回水溫度低于設(shè)定溫度40℃時(shí)，判定供熱量不足時(shí)開啟燃?xì)忮仩t。鍋爐和熱泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，鍋爐出水溫度設(shè)定為50℃，空氣源熱泵供水溫度設(shè)為45℃。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

初投資和運(yùn)行費(fèi)用這兩個(gè)指標(biāo)只能反映出各方案經(jīng)濟(jì)性的一面，要對(duì)各方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較可以使用費(fèi)用年值法。本項(xiàng)目采用費(fèi)用年值法對(duì)聯(lián)合供熱系統(tǒng)進(jìn)行比選。

設(shè)備初投資主要考慮熱源機(jī)組及水泵，空氣源熱泵初投資按450元/W，對(duì)應(yīng)水泵按18元/W；燃?xì)忮仩t初投資按120元/W，對(duì)應(yīng)水泵按12元/W。由于燃?xì)忮仩t的初投資僅為空氣源熱泵的27%，且燃?xì)忮仩t具有在極端天氣仍可穩(wěn)定供熱的特性，所以考慮熱源設(shè)備70%的備用率后燃?xì)忮仩t的額定制熱量取8400kw。

空氣源熱泵按照承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷的0%、10%、20%、30%、33%、40%、50%、60%、67%、70%、80%、90%、100%的條件下進(jìn)行計(jì)算各方案的初投資、運(yùn)行費(fèi)及費(fèi)用年值。其中33%及67%的取值主要考慮到原設(shè)計(jì)三臺(tái)真空燃?xì)忮仩t后期改造為空氣源熱泵的可能性。

燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見式（3）：

式中Q—熱負(fù)荷 kW；D—鍋爐一年運(yùn)行的天數(shù)；H—鍋爐一天運(yùn)行的小時(shí)數(shù)；Q燃—燃?xì)忮仩t天然氣熱值，取8600kcal/m3；η—燃?xì)忮仩t熱效率，取0.94；P為天然氣單價(jià)，合肥取值為3.16 元/Nm3。

空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見式（4）：

式中Q—熱負(fù)荷kW；D—空氣源熱泵一年運(yùn)行的天數(shù)；H—空氣源熱泵一天運(yùn)行的小時(shí)數(shù)；COP—熱泵的效率值；P電—電單價(jià)，合肥按 0.589元/kW·h來計(jì)算。

動(dòng)態(tài)費(fèi)用年值的計(jì)算見式（5）：

式中AW—費(fèi)用年值(萬元)；Co—初投資，包括設(shè)備費(fèi)等(萬元)；i—利率，取5%；m—使用壽命(年)，空氣源熱泵機(jī)組15年，燃?xì)忮仩t、水泵10年；C—年運(yùn)行費(fèi)用(萬元)。

由圖3可知，空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷占比越多，設(shè)備總初投資越大，年運(yùn)行費(fèi)越小。水泵運(yùn)行費(fèi)僅占熱源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)的1%～3%。如圖4當(dāng)空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷占比為67%時(shí)，供熱系統(tǒng)的費(fèi)用年值最小，僅為159萬元，其經(jīng)濟(jì)性最好。相較于單獨(dú)使用燃?xì)忮仩t，可節(jié)約28%的費(fèi)用年值。相較于單獨(dú)使用空氣源熱泵，可節(jié)約9%。這說明燃?xì)忮仩t與空氣源熱泵聯(lián)合供熱在合肥具有可觀的經(jīng)濟(jì)性。

圖3 空氣源熱泵承擔(dān)不同設(shè)計(jì)負(fù)荷下費(fèi)用指標(biāo)曲線圖

圖4 空氣源熱泵承擔(dān)不同設(shè)計(jì)負(fù)荷下費(fèi)用年值曲線圖

5 碳排放量分析

燃?xì)忮仩t單位熱量的碳排放量計(jì)算見式（6）：

式中Cm—燃?xì)忮仩t的單位熱量的碳排放：t/kW；Q—建筑物負(fù)荷，kW；C氣—天然氣單位熱值CO2排放因子，tCO2/GJ。空氣源熱泵單位熱量的碳排放量計(jì)算見式（7）：

式中Cm—空氣源熱泵單位熱量的碳排放：t/kW；Q為建筑物負(fù)荷，kW；COP—空氣源熱泵在不同溫度下的COP修正值；C電—電力CO2排放因子， t CO2/ MW·h。

聯(lián)立公式（6）、（7），代入C氣為0.06t CO2/GJ，可知當(dāng)COP數(shù)值為C電數(shù)值的4.63倍時(shí)，這兩種方案的碳排放量相等。合肥當(dāng)?shù)氐碾娏O2排放因子可參照上海當(dāng)?shù)氐臄?shù)值。2022年上海采用外購電力排放缺省因子CO2排放系數(shù)平均值為0.42t CO2/MWh，天然氣熱值取35MW/Nm3。計(jì)算可知，當(dāng)空氣源熱泵平均COP=1.95時(shí)，熱源采用空氣源熱泵與燃?xì)鉄崴仩t的碳排放量相當(dāng)。由圖5可知，在合肥使用空氣源熱泵相較于燃?xì)忮仩t將更加減碳。

根據(jù)公式（6）及公式（7）計(jì)算得出，空氣源熱泵承擔(dān)不同設(shè)計(jì)負(fù)荷情況下熱源系統(tǒng)的碳排放量，結(jié)果如圖5所示。①當(dāng)設(shè)計(jì)比例小于60%時(shí)隨著空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷占比的增加，碳排放量逐漸減?。虎谠O(shè)計(jì)比例在60%～100%之間時(shí)，碳排放量的降低率逐漸下降；③當(dāng)設(shè)計(jì)比例為67%時(shí)，碳排放量達(dá)到最小值，甚至比單獨(dú)使用空氣源熱泵還??；④水泵的碳排放量占熱源系統(tǒng)的比例約為1.2%～4%。經(jīng)計(jì)算當(dāng)空氣源熱泵的配置比例為67%時(shí)與單獨(dú)設(shè)置燃?xì)忮仩t相比，單位費(fèi)用年值降低的碳排放量最大，數(shù)值為3.46t/萬元·a。

圖5 空氣源熱泵承擔(dān)不同設(shè)計(jì)負(fù)荷下碳排放量曲線圖

綜合以上熱源系統(tǒng)費(fèi)用年值及碳排放量對(duì)比結(jié)果，并考慮項(xiàng)目屋頂實(shí)際可使用的設(shè)備區(qū)域及設(shè)備臺(tái)數(shù)，業(yè)主最終選用了67%容量占比的空氣源熱泵加燃?xì)忮仩t方案。

6 結(jié)語

①在合肥冬季室外溫度及能源價(jià)格體系下，空氣源熱泵費(fèi)用年值低于燃?xì)忮仩t，當(dāng)空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷占比為50%～70%時(shí)，費(fèi)用年值較小，比例為67%時(shí)，費(fèi)用年值達(dá)到最低。

②在合肥空氣源熱泵的碳排放量低于燃?xì)忮仩t。隨著空氣源熱泵承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷占比的增加，碳排放量逐漸減小，當(dāng)設(shè)計(jì)比例為67%時(shí)，碳排放量達(dá)到最小值。這為熱源系統(tǒng)電氣化提供了依據(jù)。

③空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t聯(lián)合供熱系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，碳排放量較單獨(dú)使用燃?xì)忮仩t更低，使用較低的經(jīng)濟(jì)代價(jià)即可收到較好節(jié)能減碳效果。當(dāng)空氣源熱泵的設(shè)計(jì)比例為67%時(shí)與單獨(dú)設(shè)置燃?xì)忮仩t相比，單位費(fèi)用年值降低的碳排放量最大。

④夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑可根據(jù)當(dāng)?shù)囟镜氖彝鉁囟燃澳茉磧r(jià)格體系和碳排放因子來計(jì)算適合當(dāng)?shù)氐穆?lián)合供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵容量的占比。新建及改建項(xiàng)目可根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備區(qū)域條件來綜合考慮空氣源熱泵容量占比。