嚴(yán)寒地區(qū)某辦公建筑空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與CO2減排率分析

宮 靜，王松慶

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，能源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題已經(jīng)成為我國重點(diǎn)關(guān)注的問題，能源是支持所有社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是最大的碳排放來源，對(duì)此我國積極制定了碳中和目標(biāo)[1]。建筑能源消耗作為我國三大重要耗能大戶“工業(yè)、建筑、交通”之一，其主要包括供暖以及電力等能源的消耗，并且供暖能耗一直占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。目前我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖仍主要通過燃燒煤炭、天然氣等傳統(tǒng)供暖方式，這種方式不但加劇了能源短缺，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[3]。因此將太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉磻?yīng)用于供暖制冷技術(shù)上，對(duì)我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型具有重要意義[4]。我國嚴(yán)寒地區(qū)地?zé)崮茉磧?chǔ)量巨大，相較于其他可再生能源更穩(wěn)定、高效。在能源緊張的形式下，利用地?zé)崮艿臒岜霉┡评浼夹g(shù)，近年逐步引起業(yè)內(nèi)人士關(guān)注[5]。

地源熱泵有著高效節(jié)能、環(huán)境效益顯著、運(yùn)行安全可靠、可一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)。但嚴(yán)寒地區(qū)供暖需求大、土壤平均溫度偏低，建筑的供暖負(fù)荷大于制冷負(fù)荷，單一地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行將使土壤取熱量大于蓄熱量，產(chǎn)生“冷堆積”現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤自身無法恢復(fù)熱平衡，從而使得單一地源熱泵系統(tǒng)無法高效運(yùn)行[6]。因此需引入輔助熱源，與地源熱泵組成復(fù)合式熱源熱泵系統(tǒng)來解決單一地源熱泵系統(tǒng)供暖季長期運(yùn)行引起的土壤熱不平衡現(xiàn)象。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究。Phetteplace等人根據(jù)實(shí)際工程，通過對(duì)建筑的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行為期22個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析研究后得出了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢，驗(yàn)證了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的可行性[7]。蔡晶晶等人設(shè)計(jì)了冷卻塔-土壤源熱泵混合系統(tǒng)，對(duì)混合系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論與分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行效果顯著提升，并有效改善夏熱冬冷地區(qū)建筑制冷季空調(diào)冷負(fù)荷和供暖季供熱負(fù)荷的不平衡問題[8]。於繼康等人以夏熱冬冷地區(qū)某辦公建筑為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)地埋管換熱能耗和耦合模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出當(dāng)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)中的空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行于地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，相較于單一熱源熱泵供暖方式，土壤熱失衡問題得到有效改善，并且地埋管換熱器性能得到提升[9]。隨著復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，其輔助熱源形式大多采用太陽能系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)等，對(duì)空氣源熱泵作為輔助熱源的研究也都集中在非嚴(yán)寒地區(qū)，而空氣源熱泵相比其他輔助熱源形式，其設(shè)備簡單、投資費(fèi)用低、維護(hù)方便，并且對(duì)于空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的相關(guān)研究較少。因此本研究以哈爾濱市某辦公建筑為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)建筑供熱制冷。利用DeST對(duì)建筑全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬，通過Trnsys對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，從系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排角度出發(fā)，分析空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用年值和CO2減排率，從而探究空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)辦公建筑最佳運(yùn)行策略工況。

1 建筑概況

本文以哈爾濱市某辦公建筑為研究對(duì)象,建筑高度23.3 m，建筑面積24 308.55 m2，房間功能主要有辦公室、休息室、會(huì)議室等，夏季與冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度分別為26℃和18℃，其設(shè)計(jì)參數(shù)等均依據(jù)現(xiàn)有規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)哈爾濱市氣候條件，通過DeST對(duì)建筑進(jìn)行全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷模擬，結(jié)果如下圖1所示，冬季逐時(shí)最大熱負(fù)荷885.3 kW，夏季逐時(shí)最大冷負(fù)荷為819 kW。根據(jù)觀察模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于全年累計(jì)冷負(fù)荷，全年累計(jì)冷負(fù)荷占全年累計(jì)熱負(fù)荷的19.5%。若使用單一地源熱泵系統(tǒng)則會(huì)導(dǎo)致土壤熱失衡問題，因此選用空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源,構(gòu)建空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)。

2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)Trnsys模型構(gòu)建

Trnsys是通過連接仿真系統(tǒng)里的各個(gè)模塊，通過調(diào)用系統(tǒng)里各個(gè)模塊并輸入所需設(shè)定的相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬。在利用DeST計(jì)算建筑全年逐時(shí)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，通過DeST將建筑逐時(shí)負(fù)荷導(dǎo)出，利用Type9e模塊導(dǎo)入到Trnsys中，不僅可以對(duì)建筑逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行更加全面的分析，同時(shí)節(jié)省了Trnsys在建筑負(fù)荷上的模擬時(shí)間。所構(gòu)建的空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型如下圖2所示。

圖中仿真模型主要由地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)構(gòu)成。地源熱泵系統(tǒng)主要由Type225土壤源熱泵機(jī)組模塊、Type557地埋管換熱器模塊、Type114水泵模塊以及Type682建筑末端模塊等構(gòu)成，空氣源熱泵系統(tǒng)主要由Type941空氣源熱泵機(jī)組模塊、Type682建筑末端模塊、Type4c蓄熱水箱以及Type3b風(fēng)機(jī)等模塊構(gòu)成。整個(gè)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)內(nèi)通過Type9e建筑負(fù)荷讀取模塊讀取DeST計(jì)算出的建筑全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷，連接哈爾濱市典型年氣象參數(shù)數(shù)據(jù)模塊，并對(duì)各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的模塊加入溫差控制以及時(shí)間控制，在輸入邏輯控制計(jì)算方程后，從而將空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的模擬運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行輸出與分析。

3 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略

3.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略

為了維持土壤取熱量與放熱量平衡和避免造成過多能源浪費(fèi)，根據(jù)建筑累計(jì)冷負(fù)荷占建筑累計(jì)熱負(fù)荷的19.5%，本研究在冬季供暖運(yùn)行模式下選取了在土壤熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷到20%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)對(duì)應(yīng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷到80%冬季供暖熱負(fù)荷的區(qū)間內(nèi)五種不同策略下對(duì)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行Trnsys模擬來探究運(yùn)行情況，系統(tǒng)策略如表1所示。

表1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略

3.2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式

考慮目標(biāo)建筑所處地區(qū)的氣候條件以及地理因素等情況，建筑冬季累計(jì)熱負(fù)荷過大，冬季供暖時(shí)單獨(dú)運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)會(huì)造成土壤取熱量大于蓄熱量，從而導(dǎo)致土壤熱不平衡，單獨(dú)運(yùn)行空氣源熱泵系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的結(jié)霜現(xiàn)象，因此由空氣源熱泵系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)共同承擔(dān)冬季供暖熱負(fù)荷進(jìn)行冬季供暖。由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷較低，夏季制冷時(shí)單獨(dú)運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)利于增加土壤蓄熱量。

本研究選定夏季由2臺(tái)地源熱泵機(jī)組平均承擔(dān)夏季空調(diào)冷負(fù)荷，空氣源熱泵機(jī)組不投入使用，此時(shí)運(yùn)行地源熱泵機(jī)組有利于增加土壤蓄熱量。冬季加入空氣源熱泵輔助供熱，根據(jù)冬季供暖熱負(fù)荷分擔(dān)比例，由地源熱泵機(jī)組1和地源熱泵機(jī)組2平均承擔(dān)地源熱泵系統(tǒng)所需熱負(fù)荷比例，由一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組承擔(dān)空氣源熱泵系統(tǒng)所需熱負(fù)荷比例，不同運(yùn)行策略下土壤源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組與空氣源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組容量配置如表2所示。

表2 機(jī)組容量配置

4 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與CO2減排率分析

4.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

本文選取費(fèi)用年值來分析熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。費(fèi)用年值主要包括項(xiàng)目多的初投資費(fèi)用和系統(tǒng)在運(yùn)行年限內(nèi)的年平均運(yùn)行費(fèi)用，其計(jì)算公式如下

(1)

式中AW——費(fèi)用年值/萬元;

i——折現(xiàn)率/%，本研究中取10%;

m——系統(tǒng)運(yùn)行周期/年,本研究中取10年;

C0——初投資/萬元;

C——年平均運(yùn)行費(fèi)用/萬元。

初投資費(fèi)用主要為購買系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的購買費(fèi)。這些設(shè)備主要包括：水泵、風(fēng)機(jī)、熱泵機(jī)組以及地埋管施工費(fèi)用等，本研究中空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)備有地源熱泵機(jī)組2臺(tái)；空氣源熱泵機(jī)組1臺(tái)；水泵與風(fēng)機(jī)共計(jì)6臺(tái)；地埋管若干，設(shè)備估算價(jià)格：空氣源熱泵機(jī)組516元/kW；土壤源熱泵機(jī)組602元/kW；水泵及風(fēng)機(jī)500元/kW；地埋管換熱器50元/m。系統(tǒng)年平均運(yùn)費(fèi)用主要是系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生能耗所需的電費(fèi)，哈爾濱市電價(jià)政策得出本研究電價(jià)取0.75元/kWh[10]。通過對(duì)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)5個(gè)工況下進(jìn)行為期十年的Trnsys模擬，經(jīng)模擬和計(jì)算5個(gè)運(yùn)行策略下初投資和總運(yùn)行費(fèi)用如表3所示。

表3 不同策略下初投資和總運(yùn)行費(fèi)用

根據(jù)表3，得到策略1至策略5運(yùn)行條件下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在十年內(nèi)的年平均運(yùn)行費(fèi)用分別為24.95萬元、25.57萬元、25.86萬元、28.98萬元、34.38萬元。通過Trnsys模擬得出系統(tǒng)的年運(yùn)行能耗分別為332 683 kWh、340 965 kWh、344 747 kWh、386 430 kWh、458 413 kWh。根據(jù)式(1)費(fèi)用年值的計(jì)算方法，可得出空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行十年內(nèi)的費(fèi)用年值，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在不同運(yùn)行策略下，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值隨著地源熱泵所承擔(dān)建筑冷熱負(fù)荷比例的降低而降低。當(dāng)在策略5運(yùn)行條件下，此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)逐年運(yùn)行總能耗最高，為458 413 kWh，此時(shí)系統(tǒng)費(fèi)用年值最低，為51.43萬元；當(dāng)在策略1運(yùn)行條件下，此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行總能耗最低，為332 683 kWh，此時(shí)系統(tǒng)費(fèi)用年值最高，為72.18萬元。策略5相比策略1、策略2、策略3、策略4的費(fèi)用年值分別減少了28.74%、10.43%、3.50%、1.19%。

由此可以看出空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用年值受項(xiàng)目初投資的影響較大，受運(yùn)行費(fèi)用的影響較小，這是因?yàn)殡S著地源熱泵機(jī)組承擔(dān)的供暖制冷負(fù)荷比例越高，地源熱泵系統(tǒng)需要安置的地埋管數(shù)量增多，地埋管施工費(fèi)用也隨之增加，因此在經(jīng)濟(jì)性角度下考慮實(shí)際工程應(yīng)用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)，則策略5的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

4.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率分析

《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[11]指出，采用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)時(shí)可將系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的電能折算為標(biāo)準(zhǔn)煤從而與傳統(tǒng)鍋爐供暖方式進(jìn)行比較，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的熱源為空氣能和地?zé)崮苓@兩種可再生能源，比傳統(tǒng)鍋爐供暖方式對(duì)環(huán)境的影響要低。通過計(jì)算空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行十年的能源替代量，對(duì)比分析在五種運(yùn)行策略下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的CO2減排率，CO2減排率定義式如下

(2)

QCO2=ΔQ×VCO2

(3)

ΔQ=Qt-Qag

(4)

(5)

(6)

式中ηCO2——CO2減排率/%；

QCO2——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)減排量/kg·年-1；

Qt——傳統(tǒng)鍋爐供熱系統(tǒng)總能耗/kg標(biāo)準(zhǔn)煤；

VCO2——標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放因子，該標(biāo)準(zhǔn)中取2.47；

ΔQ——常規(guī)能源替代值/kg標(biāo)準(zhǔn)煤；

Qag——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)供熱總能耗/kg標(biāo)準(zhǔn)煤；

Q——空氣土壤源熱泵系統(tǒng)全年累計(jì)制熱量/kJ；

η——以傳統(tǒng)熱源時(shí)的運(yùn)行效率/%，在《生活鍋爐熱效率及熱工實(shí)驗(yàn)方法》[12]，該值取84%；

q——標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值/kJ·kg-1，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取q=2.93×104 kJ/kg；

D——每kWh電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量/kg·(kWh)-1，本研究中根據(jù)哈爾濱市標(biāo)準(zhǔn)，火力發(fā)電率D=0.36 kg/kWh；

COP——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能效系數(shù)。

根據(jù)式(2)～(6)，計(jì)算空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，得到空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在五種不同策略下CO2的減排率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在策略1運(yùn)行條件下，此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率最高，為74.2%；當(dāng)在策略5運(yùn)行條件下，此時(shí)地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率最低，為51.2%。隨著地源熱泵系統(tǒng)所承擔(dān)的冬季供暖熱負(fù)荷比例逐漸降低，空氣源熱泵系統(tǒng)所承擔(dān)的冬季供暖熱負(fù)荷比例逐漸升高，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排效果逐漸減弱。由此可以看出與傳統(tǒng)能源相比，使用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)供暖制冷效果更好，當(dāng)系統(tǒng)中地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)80%冬季供暖熱負(fù)荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)20%冬季供暖熱負(fù)荷時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的能耗最低，節(jié)能減排效果最好，此時(shí)的CO2減排率主要受熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能耗影響。

綜上所述，在夏季空調(diào)冷負(fù)荷全部由地源熱泵承擔(dān)、冬季供暖熱負(fù)荷由空氣源熱泵和地源熱泵共同承擔(dān)的情況下，在本研究設(shè)定的空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行年限內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗越高，其費(fèi)用年值則越低，但CO2減排率越低，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗越低，其費(fèi)用年值則越高，但CO2減排率越高。

5 結(jié)論

(1)本文根據(jù)DeST對(duì)哈爾濱市某辦公建筑的負(fù)荷特性分析，得出建筑供暖制冷負(fù)荷的冷熱不平衡率為19.5%。

(2)本文利用Trnsys建立了嚴(yán)寒地區(qū)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)模型，設(shè)定了夏季制冷和冬季供暖兩種運(yùn)行模式，同時(shí)在冬季供暖運(yùn)行模式下設(shè)置了五種運(yùn)行策略，對(duì)本文研究案例進(jìn)行了為期十年的模擬運(yùn)行并開展經(jīng)濟(jì)性和CO2減排率研究。

(3)本文通過對(duì)五種不同策略下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值和CO2減排率計(jì)算，得出在模擬運(yùn)行年限內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)在策略1情況下，費(fèi)用年值最高，平均為72.18萬元，CO2減排率最高，為74.2%，此時(shí)節(jié)能性最好；當(dāng)系統(tǒng)在策略5情況下，費(fèi)用年值最低，平均為51.43萬元，CO2減排率最低，為51.2%，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好。