公共建筑空气源热泵系统经济性与节能性分析

王 丽 辉

(石家庄职业技术学院 建筑工程系,河北 石家庄 050081)

0 引言

为了减少冬季供暖燃煤污染,改善空气质量,国家推广“煤改清洁能源”政策,为此各地政府纷纷启动了“煤改电”工程.“煤改电”有两种方式:一是“煤改电热”,这种方式利用电锅炉、电热膜、发热电缆等设备设施将电能转换为热能,供用户使用,据测算,三份煤才能出一份电,这种方式的效率极低;二是利用电能驱动空气源热泵,因空气源热泵节能环保,可替代传统供热形式,能有效地降低能源消耗,减少空气污染,实现清洁供暖,是“煤改电”的较佳选择.空气源热泵技术已在我国长江流域、华北地区及中西部地区应用,且多应用于生活热水、泳池加热、低温环境供热等方面,尤其在公共建筑中应用广泛.2014年以来,我国多个省市相继将空气源热泵纳入清洁能源范畴[1].

本文以石家庄市第十五中学新校区(以下简称“十五中”)这一典型公共建筑的空气源热泵空调系统为例,介绍该建筑冷热负荷概况及空气源热泵参数如何选择,通过对两种冷热源方案的分析,来确定系统的经济性和节能减排潜力.

1 空气源热泵的工作原理

空气源热泵是一种利用空气实现热量从低位热源流向高位热源的节能装置,其以空气为低温热源,在电动机驱动下,根据蒸汽压缩式制冷循环的工作原理,利用空调系统的冷凝器或蒸发器进行热交换,通过制冷或制热循环释放或提取热能,完成热量离开或进入建筑物的转移,冬季制取热水或热风,夏季制取冷水或冷风,从而满足用户对冬季供暖、夏季空调、四季生活热水等方面的需求.空气源热泵的工作原理图见图1.

空气源热泵的优势有:用途广泛,四季无忧;安全运行,保护环境;使用灵活;科技节能、省电省心;安装方便,不受场地的限制;高效节能,运行费用低;使用方便,运行稳定[2].

2 石家庄地区的气象条件

石家庄地区位于河北省南部,属华北平原的一部分.该区属暖温带半湿润季风气候.冬季寒冷干燥,夏季炎热潮湿,年平均气温13℃,七月份温度最高,平均气温26.8℃,一月份最冷,平均气温-2.8℃.供暖期从11月15日至翌年3月15日,共4个月,最大冻土深度为54 cm.根据地理位置和建筑气候区划分,石家庄地区属于寒冷地区,需要冬季供暖、夏季空调.石家庄地区空调室外计算气象参数见表1-2,建筑物空调冬季、夏季室内设计参数[3]见表3.

图1 空气源热泵的工作原理图

表1 石家庄地区冬季空调室外计算气象参数

表2 石家庄地区夏季空调室外计算气象参数

表3 建筑物空调冬季_、夏季室内设计参数

3 十五中建筑物的冷热负荷及空气源热泵的选用情况

十五中位于长安区高营镇南高营村南,规划用地256亩(170 752 m2),按84个班,在校生4 200人全寄宿制规模设置,总建筑面积120 391.77 m2,取暖面积104 108.11 m2.学校冬季供暖和夏季空调的特点是:每年执行政府规定的寒暑假政策,一般为7-8月学生放假60 d,1-2月学生放假30 d.十五中为全寄宿制全日制学校,早7点至晚10点学生宿舍基本为全空状态,其余时间教室为全空状态,所以整个校区的冷热负荷全天均按照部分负荷考虑.依据学校各建筑暖通专业施工图纸得到的各建筑的冷热负荷情况见表4.由于宿舍和教学楼不会同时满负荷运行,考虑各栋楼运行时间的差异,计算得出全校的总冷负荷为7 400 k W,总热负荷为5 135 k W.

根据总冷热负荷及空气源热泵机组的参数,见表5,选用17台RHAE125HA 型空气源热泵机组进行冬季供暖和夏季制冷.单台制冷量为440 k W,制热量为465 k W.总制冷量为7 480 k W,总制热量为7 905 k W.该空气源热泵机组制冷名义工况为:水侧换热器出水温度7℃,水流量75.68 m3/h,环境干球温度35℃;制热名义工况为:水侧换热器出水温度45℃,水流量79.98 m3/h,环境干球温度7℃,环境湿球温度6℃.使用环境的制冷工况为0℃～48℃,制热工况为-15℃～21℃;冷水出水温度为5℃～15℃,热水出水温度为35℃～50℃;冷冻水侧工作压力为1.0 MPa(水侧压力损失ΔP≤0.05 MPa);水侧换热器污垢系数为0.086 m2·℃/k W.

表4 十五中各建筑的冷热负荷统计表

表5 RHAE125HA型空气源热泵机组参数

冬季制热负荷校核时需要分析石家庄市的气候.根据石家庄地区的室外空气计算参数可知,石家庄冬季最冷环境平均温度为-5.5℃,机组出水温度为45℃时,RHAE125 HA 型空气源热泵机组的制热量为319.9 k W,因本工程总热负荷为5 135 k W,因此共需要16台RHAE125 HA 型空气源热泵机组,参照《全国民用建筑工程设计技术措施》[4],考虑本工程冬季气候参数可知,17台机组可以满足冬季采暖的需求.考虑本工程所处地理位置,冬季设置一台制热量为500 k W 的辅助电加热设备,即可确保在极端恶劣情况下的正常供暖.

4 空气源热泵空调系统效益分析

中央空调系统冬季供暖应用广泛的热源主要包括热电厂城市集中供热、燃气热水锅炉、燃油热水锅炉等.夏季制冷应用广泛的冷源主要包括电力或热力驱动的螺杆式冷水机组.此外,还有冷热源组合的热泵、直燃型溴化锂吸收式冷热水机组等一体化设备.所以,中央空调系统冷热源的选择可以有很多方案.工程上选用不同的空调冷热源方案的初投资、运行费用和能耗差别很大.本文通过实际采用的方案一(空气源热泵空调系统方案)与假设的方案二(螺杆式冷水机组+燃油热水锅炉)进行初投资和运行费用的比较分析,以确定空气源热泵作为中央空调系统冷热源的经济性和节能性.

4.1 经济性分析

4.1.1 初投资分析

初投资主要包括设备购置费、设备和空调系统安装工程费(含材料费)、与安装工程配合的土建施工费.安装工程费按设备费折算,按照经验数据,方案一按12%计算,方案二按20%计算[5].

4.1.1.1 方案一:空气源热泵中央空调系统

十五中空调系统采用的是直接蒸发式空气源热泵风管式集中空调分体机.初投资主要是空气源热泵机组(包含机组及主要末端设备)及机组的安装费,室外机组安装在屋顶,节省了土建施工费.该工程选用17台RHAE125 HA 型空气源热泵机组,单台制冷量为440 k W,制冷输入功率为141 kW,制热量为465 k W,制冷输入功率为145 k W.空气源热泵机组的单价为10.8万元/台,设备费用为17×10.8=183.6万元,安装工程费为183.6×12%=22.03万元.经实际核算,该方案的初投资包括设备购置费183.6万元、安装工程费22.03 万元、土建施工费0元,所以空气源热泵中央空调系统的初投资费用合计为205.63万元.

4.1.1.2 方案二:螺杆式冷水机组+燃油热水锅炉初投资分析

该空调冷热源方案是目前技术上比较成熟,且在工程中应用较多的方案.十五中中央空调系统若采用该方案,风机盘管、新风机组等主要末端设备的购置费用也要列入初投资中.

根据该工程的冷热负荷情况,需要4台制冷量为2 000 k W、功率为500 k W 的螺杆式冷水机组,4台制热量为1 400 k W、功率为100 k W 的燃油热水锅炉.为了保证系统正常运行,需要建设不小于400 m2的机房,同时该系统需要冷冻水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔、热水泵、风机盘管、新风机组等设备.结合工程具体情况与设备厂家进行沟通询价,最终确定制冷量为2 000 k W 的螺杆式冷水机组40万元/台,制热量为1400 k W 的燃油热水锅炉10万元/台,其他设备费用约60万元,所有设备费用约40×4+10×4+60=260万元.根据经验数据,安装工程费为设备费的20%,即260×20%=52万.建设400 m2的制冷机房约需要400×0.2=80万元.所以,本工程若采用方案二初投资费用合计为392万元.

4.1.2 运行费用分析

系统的年运行费包括固定费和运行费.固定费是指设备的折旧费、利息和税金等,固定费在本次计算中暂不考虑.运行费主要指在中央空调系统运行过程中所消耗的能源费用,即耗电、耗水、耗燃料及运行中维修所产生的费用.空调系统的能耗约占整个建筑能耗的60%～70%,而冷热源的能耗就占整个空调系统能耗的50%～60%[6].衡量和评价中央空调节能状况常用的指标是空调系统全年(或季节)总耗能量,该指标计算方法主要有度日法、当量满负荷运行时间法、负荷频率表法、电子计算机模拟计算法[7].根据这4种计算方法的适用场合,结合该工程空调系统是在部分负荷下运行且运行的记录参数不易获得的实际情况,选择当量满负荷运行时间法计算空调系统全年(或季节)的总耗能量.

当量满负荷运行时间法是指全年空调冷负荷(或热负荷)的总和与制冷机(或锅炉)最大制冷量(或产热量)的比值,计算公式为:

其中,tp.l为夏季当量满负荷运行时间,单位为h;tp.r为冬季当量满负荷运行时间,单位为h;ql为全年空调冷负荷,单位为kJ/a;qr为全年空调热负荷,单位为kJ/a;qz和qg分别为制冷机的最大制冷量、锅炉的最大产热量,单位为kJ/h.

当量满负荷运行时间与建筑物的性质、功能、空调系统节能方式等因素有关.计算时,参考日本尾岛俊雄整理出来的经验数据,见表6.该工程中主楼、教学楼等按照办公楼进行选择,即冬、夏两季当量满负荷运行时间为480 h和560 h.河北省石家庄的学校用水为3.75 元/m3,非居民用电为0.564 4元/(k W·h) ,0号柴油(标准品)为7 495 元/t.两种方案的运行费用见表7.

表6 当量满负荷运行时间

表7 两种冷热源方案的运行费用

由表7可知,第一种方案运行费用较低.

4.1.3 两种空调冷热源方案的比较

由两种空调冷热源方案的初投资和运行费用可以看出,在公共建筑中使用空气源热泵作为中央空调系统的冷热源,其初投资低于传统的螺杆式冷水机组+燃油热水锅炉的方案,且在后续运行中没有二次能源消耗,运行费用也相对较低.空气源热泵机组可以安装在屋顶,不占用建筑面积,节约室内空间.方案二根据螺杆式冷水机组和燃油热水锅炉两种大型设备的台数和外形尺寸,需要配置约400 m2的机房,占用建筑面积,另外由于燃油锅炉需要设置储油罐,在消防方面也有更高的要求.如果满负荷运行,方案二比方案一的空调系统年运行费用低,但学校这类公共建筑基本上都在部分负荷下运行,所以相比较而言方案一运行费用较低.因此,从工程总投资的角度来说,选用空气源热泵系统为公共建筑的冷热源较为经济.

4.2 节能减排分析

4.2.1 节能量分析

为了便于对比分析,将空气源热泵供暖系统和热电厂燃煤锅炉集中供暖系统的能耗量均转化为标准煤能耗量进行对比.

(1)空气源热泵供暖系统的年标准煤能耗量按照公式(2)计算。

公式(2)中,mASHP为空气源热泵供暖系统年标准煤耗量,单位为kg/年;Q为空气源热泵供暖系统供热量,单位为GJ/年,根据建筑物供暖时间和热负荷为5 135 k W,确定空气源热泵供暖系统供热量为39 929.76 GJ/年;COP为空气源热泵供暖系统平均制热性能系数,为2.7;ηf 为电厂发电效率,取0.35;ηs为电网输送效率,取0.925;M为标准煤低位发热量,取29 308 kJ/kg.

年标准煤能耗量的计算结果为1 558.61 t/年

(2)燃煤锅炉集中供暖系统的年标准煤能耗量按照公式(3)计算。

公式(3)中,mc为燃煤锅炉集中供暖系统年标准煤耗量,单位为kg/年;ηc为燃煤锅炉的热效率,取0.7;M为标准煤低位发热量,取29 308 kJ/kg;Qe为燃煤锅炉集中供暖系统的耗电量,取1 500 GJ/年.参考石家庄地区同类型燃煤锅炉的年耗电量及空气源热泵供暖系统中风机盘管、循环泵等其他设备的耗电量,集中供暖系统的年标准煤能耗量的计算结果为2 104.74 t/年.

(3)通过对比分析可知,在年供热量为5 000 k W的公共建筑中,冬季采用空气源热泵作为供暖系统的热源折合成年标准煤的能耗量,低于传统热电厂燃煤锅炉集中供暖系统年标准煤的能耗量,按节能率公式(4)计算,节能率为25.95%.因此,在石家庄地区应用空气源热泵供暖系统的节能潜力较大.

公式(4)中,η为节能率.

4.2.2 减排量分析

参考《可再生能源建筑应用工程评价标准》(GB/T 50801-2013)[8],对空气源热泵供暖系统的减排量进行计算分析.减排量的计算采用标准煤排放系数法,以传统的热电厂燃煤锅炉集中供暖系统的标准煤消耗量为基础,通过能耗量的差值和空气污染物的排放系数,计算应用空气源热泵供暖系统的减排量.

空气源热泵供暖系统CO2的减排量按照公式(5) 计算,结果为1 348.94 t/年.

公式(5)中,VCO2为空气源热泵供暖系统CO2的减排量,单位为t/年;μCO2为标准煤CO2的排放系数,取2.47.

空气源热泵供暖系统SO2的减排量按照公式(6) 计算,结果为10.92 t/年.

公式(6)中,VSO2为空气源热泵供暖系统SO2的减排量,单位为t/年;μSO2为标准煤SO2的排放系数,取0.02.

空气源热泵供暖系统粉尘的减排量按照公式(7) 计算,结果为5.46 t/年.

公式(7)中,Vfc为空气源热泵供暖系统粉尘减排量,单位为t/年 ;μfc 为标准煤粉尘排放系数,取0.01.

通过计算可知,与传统的热电厂燃煤锅炉集中供暖系统相比,同等规模的公共建筑采用空气源热泵系统每年减少排放CO2约1 348.94 t、SO2约10.92 t、粉尘约5.46 t.因此,在石家庄地区采用空气源热泵系统为公共建筑进行冬季供暖,有利于降低多种空气污染物的排放量,减排潜力大.

5 结论

(1)在石家庄地区类似十五中的公共建筑中,使用空气源热泵中央空调系统的经济性好.

(2)空气源热泵供暖系统与同规模的燃煤锅炉集中供暖系统相比,节能率达到25.95%,节能潜力很大.

(3)空气源热泵供暖系统能够有效地减少CO2、粉尘、SO2等空气污染物的排放量,从而减少环境污染.