寧波地區(qū)公共建筑土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)方法探討

楊愛明,向青青,楊 水

(1.寧波大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波東源節(jié)能科技有限公司,浙江 寧波 315000)

寧波地區(qū)公共建筑土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)方法探討

楊愛明1,向青青1,楊 水2

(1.寧波大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 寧波 315000；2.寧波東源節(jié)能科技有限公司,浙江 寧波 315000)

從資源性條件和系統(tǒng)性條件兩方面構(gòu)建了土壤源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系,采用層次分析法推導(dǎo)了綜合評(píng)價(jià)判斷公式,給出了公式中各基準(zhǔn)值的確定方法,明確了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),提供了定性化評(píng)價(jià)原則及方法。

適宜性評(píng)價(jià)體系;層次分析法;資源性條件；系統(tǒng)性條件

土壤源熱泵系統(tǒng)是以土壤作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?而傳熱介質(zhì)通過地下?lián)Q熱器，冬季從土壤中吸熱,夏季向巖土中排熱,從而實(shí)現(xiàn)為建筑物供熱、制冷。由于地下一定深度處土壤溫度較為恒定,作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?可使機(jī)組達(dá)到較高的運(yùn)行效率,并且運(yùn)行較為穩(wěn)定。

中國建筑科學(xué)研究院建筑環(huán)境與節(jié)能研究院院長(zhǎng)徐偉針對(duì)地源熱泵在中國的適宜性研究表明：土壤源熱泵適宜區(qū)集中在黃河到華北一帶,較適宜區(qū)在長(zhǎng)城氣候帶、嚴(yán)寒、寒冷過渡區(qū)一帶,而夏熱冬冷的長(zhǎng)江流域沿線一帶是一般適宜區(qū),華南是不適宜區(qū)。適宜性主要考慮兩大條件：資源性條件和系統(tǒng)性條件。資源性條件主要包括巖土的平均溫度和巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù),系統(tǒng)性條件主要包括節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和平衡性,平衡性也就是巖土冷熱的平衡問題。

寧波屬于夏熱冬冷區(qū)域,屬于地源熱泵應(yīng)用一般適宜區(qū)。由于地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性主要體現(xiàn)在供熱效率相對(duì)較高,而寧波地區(qū)夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷,因此，在寧波地區(qū)應(yīng)采用土壤源與其他冷熱源相結(jié)合的復(fù)合式系統(tǒng)。

1 土壤源熱泵適宜性

1.1評(píng)價(jià)體系的建立

分析土壤源熱泵系統(tǒng)的適宜性,首先要給出適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo),建立起評(píng)價(jià)體系。這里從資源性條件和系統(tǒng)性條件兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)體系見圖1。本評(píng)價(jià)體系參照《地源熱泵技術(shù)手冊(cè)》中地源熱泵資源狀況及適宜性評(píng)價(jià)方法,并結(jié)合寧波本地實(shí)際狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 土壤資源性條件

土壤資源性條件主要包含土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)和土壤的初始溫度。

土壤初始溫度是計(jì)算豎直埋管長(zhǎng)度的重要參數(shù),雖然在一定區(qū)域內(nèi)相對(duì)恒定,但對(duì)單個(gè)項(xiàng)目而言,仍然存在個(gè)體差異。土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的重要參數(shù),如果綜合導(dǎo)熱系數(shù)不準(zhǔn)確,則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能不能滿足負(fù)荷要求,也可能規(guī)模過大,從而大大增加了初投資。表1給出了寧波市部分區(qū)域采用土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試出的土壤初始溫度及土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)情況,土壤初始溫度平均值為19.4℃,土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.67 W/(m·K)。該表可以看出各區(qū)域熱物性參數(shù)的個(gè)體差異。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1 寧波市部分區(qū)域土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)情況表

1.3 土壤資源性條件評(píng)價(jià)

根據(jù)《寧波市地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用指南》第4.2 條建議：一般情況下,土壤的導(dǎo)熱系數(shù)為1.6 W/(m·K)以上時(shí)系統(tǒng)的性價(jià)比較高；盡量避免在土壤導(dǎo)熱系數(shù)低于1.2 W/(m·K)的場(chǎng)合使用地埋管換熱器,因?yàn)橥寥赖膫鳠嵝Ч顣?huì)使得系統(tǒng)的初投資過高。

通過實(shí)測(cè),雖然土壤的初始溫度及土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)在本區(qū)域有一定的變化,但差別不顯著,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響不大,可直接判定為較適宜,不進(jìn)行定量比較。

1.4 系統(tǒng)性條件

系統(tǒng)性條件主要包括節(jié)能效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。節(jié)能效益采用一次能源利用率來評(píng)價(jià),經(jīng)濟(jì)效益采用投資回收期進(jìn)行評(píng)價(jià),環(huán)境效益采用標(biāo)煤替代量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.1 一次能源利用率

系統(tǒng)全年一次能源利用率采用下式進(jìn)行計(jì)算:

一次能源利用率=(系統(tǒng)供熱量+系統(tǒng)供冷量)/系統(tǒng)全年消耗的一次能耗

對(duì)于以電能驅(qū)動(dòng)的熱泵系統(tǒng)和水冷冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)：

E=∑Q/[P/(η1·η2)]

式中:∑Q為全年總的供熱(冷)量(kW·h),若有熱回收,應(yīng)加上熱回收熱量；P為地源熱泵系統(tǒng)全年消耗的電能(kW·h)，即主機(jī)全年耗功+循環(huán)水泵全年耗功+冷卻塔耗功；η1為發(fā)電效率,采用火電發(fā)電效率,取35%；η2為輸配電效率,取90%。

該值是個(gè)絕對(duì)值,反映了不同系統(tǒng)能源利用的效率。

1.4.2 投資回收期

土壤源熱泵系統(tǒng)的投資回收期采用下式計(jì)算：

β=(IHP-IB)/(CB-CHP)

式中：IHP為土壤源熱泵系統(tǒng)的初投資(元)；IB為對(duì)比冷熱源系統(tǒng)的初投資(元)；CHP為土壤源熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)營費(fèi)用(元/年)；CB為對(duì)比冷熱源系統(tǒng)的年運(yùn)營費(fèi)用(元/年)。

該值是個(gè)相對(duì)值,反映了兩個(gè)比較系統(tǒng)相對(duì)經(jīng)濟(jì)性。

1.4.3 標(biāo)煤替代量

供熱季節(jié),土壤源熱泵消耗的是電能,而燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t消耗的是一次能源,將土壤源熱泵系統(tǒng)的耗電量轉(zhuǎn)化為一次能耗進(jìn)行比較,可以得出可替代標(biāo)煤量。

供熱季節(jié)標(biāo)煤替代量：

Thce=(H1-H2)/Hce

式中:H1為常規(guī)系統(tǒng)供熱季的一次能耗(kJ)；H2為土壤源熱泵系統(tǒng)供熱季的一次能耗(kJ)；Hce為標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱值,29 307 kJ。

供冷季節(jié),土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)消耗的都是電能,可以直接比較耗電量,然后利用電能與標(biāo)準(zhǔn)煤的折標(biāo)系數(shù)來計(jì)算可替代標(biāo)煤量。

供冷季節(jié)標(biāo)煤替代量：

Tcce=(C1-C2)×φ

式中:C1為常規(guī)系統(tǒng)供冷季的耗電量(kW·h)；C2為土壤源熱泵系統(tǒng)供冷季的耗電量(kW·h)；φ為電能折標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù),取0.330kg/kW·h。

該值是個(gè)相對(duì)值,反映了兩個(gè)比較系統(tǒng)相對(duì)節(jié)能性。

2 評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 層次分析法

層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,簡(jiǎn)稱AHP)是美國運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。AHP是一種能將定性分析與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,把要解決的問題分層系列化,即根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo),將問題分解為不同的組成因素,按照各因素之間的項(xiàng)目影響和隸屬關(guān)系將其分層組合,形成一個(gè)遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型；然后對(duì)模型中每一層次因素的相對(duì)重要性,依據(jù)人們對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的判斷給予定量表示,利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次全部因素相對(duì)重要性次序的權(quán)值,通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來為分析、決策提供定量的依據(jù)。

針對(duì)復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng),對(duì)節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性相對(duì)重要性的打分,建立該指標(biāo)層的判斷矩陣B。

采用列和法計(jì)算出該層各子指標(biāo)的權(quán)重向量ω。

ω=(0.548 5,0.210 6,0.240 9)

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),經(jīng)計(jì)算,CR=0.026<0.1,通過一致性檢驗(yàn),說明計(jì)算得出的權(quán)重向量ω有效 。

2.2 評(píng)價(jià)判斷公式

根據(jù)上述計(jì)算出的各指標(biāo)的權(quán)重值,確定綜合判斷指標(biāo)公式為：

A=(E/E′)×0.548 5+(β′/β)×0.210 6+(T/T′)×0.240 9

式中：E為土壤源熱泵系統(tǒng)全年一次能源利用率；E′為E的基準(zhǔn)值;β為土壤源熱泵系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)的差額靜態(tài)投資回收期；β′為β的基準(zhǔn)值;T為土壤源熱泵系統(tǒng)與對(duì)比系統(tǒng)的標(biāo)煤替代量；T′為T的基準(zhǔn)值。

2.2.1E′值的確定

以案例的形式來推導(dǎo)E′值的確定過程,案例參數(shù)的選取及基本計(jì)算方式參照《民用建筑項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》的要求。

某建筑面積為Sm2的政府辦公樓,空調(diào)負(fù)荷估算指標(biāo)：夏季冷負(fù)荷ql=110 W/m2,冬季熱負(fù)荷qr=70 W/m2計(jì)算。夏季運(yùn)行時(shí)間tl=180 d,冬季運(yùn)行時(shí)間tr=80 d,每天運(yùn)行時(shí)間h=12 h。擬采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng),為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅考慮設(shè)置1臺(tái)螺桿式地源熱泵主機(jī)及相應(yīng)水泵、輔助冷源。

(1)全年累計(jì)制冷量及制熱量的計(jì)算

寧波地區(qū)辦公建筑空調(diào)主機(jī)全年制冷及制熱性能系數(shù)計(jì)算見表2。寧波地區(qū)辦公建筑負(fù)荷率及冷熱負(fù)荷率頻數(shù)參照民用建筑項(xiàng)目節(jié)能評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則選取，熱泵機(jī)組制冷EER按螺桿式冷水機(jī)組選取，制熱COP在滿足熱泵機(jī)組標(biāo)況ACOP值為2級(jí)的情況下，按照EER的部分荷載參考值的比例計(jì)算得出。

表2 寧波地區(qū)辦公建筑空調(diào)主機(jī)全年制冷及制熱性能系數(shù)計(jì)算表

故全年累計(jì)制冷量∑Ql=Sqltlh∑εiζli;

全年累計(jì)制熱量∑Qr=Sqrtrh∑εiζri;

全年累計(jì)機(jī)組制冷耗電量

∑Nl=Sqltlh∑(εiζli/EERi);

全年累計(jì)機(jī)組制熱耗電量

∑Nr=Sqrtrh∑(εiζri/COPi);

主機(jī)制冷全年

EER=∑εiζli/∑(εiζli/EERi)=5.18;

主機(jī)制熱全年

COP=∑εiζri/∑(εiζri/COPi)=3.61。

2)系統(tǒng)能效的確定

根據(jù)《水(地)源熱泵機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)(GB 30721—2014)》要求,機(jī)組的節(jié)能評(píng)價(jià)值為能效等級(jí)2級(jí),即需滿足ACOP=0.56EER+0.44COP=5.0(CC>150)的要求。

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50189—2015)》,采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組時(shí),夏熱冬冷地區(qū)在名義制冷工況和規(guī)定條件下的性能系數(shù)為5.2(528

考慮到制冷狀況下熱泵機(jī)組與單冷機(jī)組能效的一致性,確定熱泵機(jī)組EER=5.2,從而計(jì)算出COP=4.75。

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50801—2013)》第6.4.3條的規(guī)定,對(duì)地源熱泵系統(tǒng)級(jí)別的劃分見表3。

表3 地源熱泵系統(tǒng)級(jí)別劃分

根據(jù)前述計(jì)算,主機(jī)全年EER=5.18, COP=3.61,當(dāng)COPsys=3.0, EERsys=3.4時(shí),相當(dāng)于制冷時(shí)水泵及輔助冷卻能耗占主機(jī)能耗的52%,制熱時(shí)水泵能耗占主機(jī)能耗的20%,對(duì)于正常設(shè)計(jì)的地源熱泵系統(tǒng)是完全可以滿足的,因此確定COPsys=3.0, EERsys=3.4。

3)系統(tǒng)全年累計(jì)消耗電量的確定

系統(tǒng)制冷狀況下機(jī)組及水泵、輔助冷源全年累計(jì)消耗電量

∑Pl=∑Ql/EERsys

系統(tǒng)制熱狀況下機(jī)組及水泵全年累計(jì)消耗電量

∑Pr=∑Qr/COPsys

4)一次能源利用率E′的確定

E′=(∑Ql+∑Qr)/[( ∑Pl+∑Pr)/η1η2]=(110×180×0.725 5+70×80×0.292 7)/[(110×180×0.725 5/3.4+70×80×0.292 7/3)/0.9×0.35]=1.06≈1.1

同理,當(dāng)建筑類型為酒店、醫(yī)院及商業(yè)時(shí),計(jì)算所得E′均大于1.06,同時(shí),考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)荷指標(biāo)的范圍,因此,確定E′=1.1。

2.2.2 β′值的確定

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50801—2013)》第6.1.1第5條的規(guī)定：地源熱泵系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期應(yīng)符合項(xiàng)目立項(xiàng)可行性報(bào)告等相關(guān)文件的要求。當(dāng)無文件明確規(guī)定時(shí),地源熱泵系統(tǒng)的靜態(tài)回收期不應(yīng)大于10年。通過對(duì)寧波市已運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目的調(diào)查及分析,投資回收期以8年為基準(zhǔn)應(yīng)是相對(duì)合理的。

2.2.3 T′值的確定

T′為每年每平米標(biāo)煤替代量。根據(jù)財(cái)政部和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)可再生能源建筑應(yīng)用的通知(財(cái)建[2011]61號(hào))的規(guī)定：切實(shí)提高太陽能、淺層地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源在建筑用能中的比重,到2020年,實(shí)現(xiàn)可再生能源在建筑領(lǐng)域消費(fèi)比例占建筑能耗的15%以上。公共建筑單位面積年平均能耗約為100kW·h/m2,于是可再生能源設(shè)備年理論節(jié)能量應(yīng)不小于按建筑面積的15kW·h/m2,則其每平方米節(jié)標(biāo)煤量為15×0.33=4.95kg方能符合政策的要求,因此,此處標(biāo)煤替代量以4.95kg為基準(zhǔn)。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

因此,判斷公式變?yōu)?/p>

A=(E/1.1)×0.548 5+(8/β)×0.210 6+(T/4.95)×0.240 9

由于上述基準(zhǔn)值的選取均是最低值,因此當(dāng)公式中參數(shù)均等于基準(zhǔn)值時(shí),A值為1,為最小值。因此,在資源性條件滿足的基礎(chǔ)上,當(dāng)計(jì)算指標(biāo)A≥1.0時(shí),該項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)是適宜的;反之,則不宜采用。

2.4 定性化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用上述方法對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)相對(duì)較為復(fù)雜,特別是在項(xiàng)目初期,相關(guān)參數(shù)的選取會(huì)有一定的隨意性,因此,根據(jù)A值的評(píng)判方式,可采用如下定性原則進(jìn)行評(píng)判。

2.4.1 基本判斷標(biāo)準(zhǔn)

在滿足如下條件下采用或部分采用地源熱泵系統(tǒng)是適宜的：

1)政府投融資的民用建筑項(xiàng)目及新建建筑面積在2萬m2以上的酒店、醫(yī)院等公共建筑；

2)項(xiàng)目全面或部分設(shè)置空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(分體空調(diào)系統(tǒng)除外)；

3)室外場(chǎng)地能滿足地埋管換熱器按熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)所需面積要求(按土壤埋管考慮)；

4)若室外場(chǎng)地不能滿足上述第3條要求,但項(xiàng)目有集中熱水供應(yīng),且建筑物無地下室或僅為一層地下室,可采用建筑物下敷設(shè)地埋管換熱器來滿足要求(按土壤埋管考慮)。

2.4.2 定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)的關(guān)系

在定量評(píng)價(jià)的公式中,根據(jù)前述E′值的推導(dǎo)過程可推算,對(duì)于地源熱泵系統(tǒng),E值均在1.1+(-0.05～0.3)范圍內(nèi)；而根據(jù)《民用建筑可再生能源應(yīng)用核算標(biāo)準(zhǔn)(DB33/1105—2014)》提供的地源熱泵節(jié)能量計(jì)算公式,在地源熱泵系統(tǒng)能滿足冬天熱負(fù)荷的情況下,T值均可滿足大于4.95的要求。因此,評(píng)判的關(guān)鍵就在于投資回收期的大小。

根據(jù)測(cè)算,在寧波地區(qū),當(dāng)室外場(chǎng)地為土壤,而且埋管面積足夠的情況下,投資回收期均小于8年,因此，計(jì)算出的A值均能滿足大于1的要求。

當(dāng)室外埋管面積不夠時(shí),若采用建筑物下埋管形式,初投資會(huì)增加,投資回收期可能會(huì)大于8年,導(dǎo)致A值小于1。但若項(xiàng)目有集中熱水需求,則系統(tǒng)的一次能源利用率及節(jié)能量均會(huì)提高,能夠彌補(bǔ)初投資的增加導(dǎo)致的A值減少,仍能滿足大于1的要求。

3 結(jié) 語

根據(jù)上述分析,可得出以下結(jié)論：

1)寧波地區(qū)土壤資源性條件對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)是適宜的。

2)根據(jù)評(píng)判公式A=(E/1.1)×0.548 5+(8/β)×0.210 6+(T/4.95)×0.240 9，當(dāng)綜合值A(chǔ)大于等于1.0時(shí),項(xiàng)目采用土壤源熱泵系統(tǒng)是合適的；否則,可不采用土壤源熱泵系統(tǒng)。

Discussion on the Evaluation Methodology of Suitability for the Ground Source Heat Pump System of Public Buildings in Ningbo Area

YANGAiming1,XIANGQingqing1,YANGShui2

2016-12-09

楊愛明(1971—),男,浙江寧波人,高級(jí)工程師,從事暖通設(shè)計(jì)工作。

TU111.19+5

A

1008-3707(2017)02-0056-05