丁 德 吴佳艳 宁太刚 张蔚琳△ 陈泓蓓
(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司,杭州;2.浙江大学,杭州)
我国建筑领域的碳排放量约占全社会碳排放量的50.9%,其中建筑运行阶段碳排放量约占全社会碳排放量的21.7%[1],建筑运行过程中,暖通空调运行碳排放量约占建筑运行碳排放量的30%~40%。建筑领域碳排放控制越来越受到社会重视,在GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(以下简称《通用规范》)中明确提出建设项目可行性研究报告、建设方案和初步设计文件应包含建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放分析报告。为了配合建筑碳排放分析工作的开展,依据浙江省住房和城乡建设厅要求,浙江省启动编制工程建设标准《民用建筑碳排放计算标准》(以下简称《省标》)并即将发布,《省标》编制过程中对GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》作了补充与完善,旨在提高在浙江省范围内实施国家标准的可操作性。本文就暖通空调运行的碳排放量计算在编制过程中的探索与特点进行介绍。
目前二氧化碳排放量的计算方法主要概括为3种:排放因子法、质量平衡法、实测法。排放因子法是适用范围最广、应用最为普遍的一种碳核算方法。建筑运行的碳排放量主要是建筑用能设备运行过程中的能源消耗量,碳排放因子为相应能源类型的碳排放因子。计算公式分别为
(1)
(2)
式(1)、(2)中C为建筑运行碳排放量,t/a;Em为第m类能源年消耗量,运行阶段采用能源账单法核算,设计阶段则采用预测法计算,化石能源以能源热值表达,电力能源以用电量表达,市政热力以热量值表达,根据能源类别确定单位;Fm为第m类能源的碳排放因子,根据能源类别确定单位;Em,n为第n类系统的第m类能源年消耗量,包括电力、燃气、石油、市政热力等,根据能源类别确定单位;Rm,n为第n类系统年消耗的由可再生能源系统或建筑分布式自发电装置提供的第m类能源量,根据能源类别确定单位。
其中,电力的碳排放因子统一采用由生态环境部公布的区域电网平均碳排放因子,市政热力碳排放因子根据国家发展和改革委员会的《公共建筑运营企业温室气体排放核算方法和报告指南(试行)》确定,化石能源的碳排放因子按式(3)计算。
Fm=3.67Cm∂m
(3)
式中 3.67为二氧化碳与碳的摩尔质量之比;Cm为第m类化石能源单位热值含碳量,t/TJ;∂m为不同化石能源燃烧的碳氧化率。
常用化石能源的单位热值含碳量、碳氧化率及碳排放因子见表1。
表1 常用化石能源的单位热值含碳量、碳氧化率及碳排放因子
需要说明的是,对于建筑分布式自发电装置(如冷热电联供设施)提供的能源,在计算碳排放量时,建筑用电的碳排放因子依然采用生态环境部公布的电网平均碳排放因子,但是建筑能耗计算中的计算结果应扣除冷热电联供设施生产及提供的电量及余热量。同时,冷热电联供设施发电所消耗的化石能源计入建筑化石能源的用量。
通过分析2010—2019年浙江省民用建筑运行碳排放的全省能源平衡表,民用建筑运行过程中,直接碳排放量平均占比为22%,间接碳排放量平均占比为78%,如图1所示。浙江省民用建筑运行的直接碳排放主要发生在燃气(油)锅炉及炊事化石燃料的使用中。
图1 浙江省2010—2019年直接碳排放量与间接碳排放量占比
鉴于建筑最终碳排放账单数据以统计局能源平衡表数据为依据,能源平衡表数据对建筑碳排放量计算边界进行全覆盖,因此《省标》通过比较国内现有相关能耗及碳排放量标准计算边界,对民用建筑运行碳排放量的计算边界相较GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》作了扩展。浙江省民用建筑运行碳排放量计算边界包括暖通空调系统、给排水系统、电气系统、炊事燃料、可再生能源系统在建筑运行期间的碳排放量。表2给出了民用建筑碳排放量计算与应用边界。
表2 民用建筑碳排放计算与应用边界
由于建筑实际运行管理过程中存在较大差异,碳排放预测模拟的模型不可能完全与所有建筑物的实际运行使用一致,只能无限接近实际运行使用状态。预测模拟的模型越接近实际使用状态,预测模拟结果越能对建筑设计的减碳优化具备指导意义。如果将建筑视同定制化“产品”,为了比较“产品”的“出厂碳效”,统一碳排放的分析比较基础,《省标》借鉴了能耗产品的能效标识做法,规定了浙江省内民用建筑运行碳排放的“建筑运行名义工况”,即在进行碳排放量的预测模拟计算时,建筑的标准使用运行模式包括建筑物的标准使用模式和建筑设备的标准运行模式。
1.3.1建筑物的标准使用模式
建筑物的标准使用模式边界条件包括建筑运行时间、空调和供暖系统的日运行时间、供暖空调区室内外温度、不同类型房间人均占有的建筑面积、人员在室率,以及照明、电气设备、新风的使用率等。不同的建筑运行碳排放量计算方法对于建筑物标准使用模式的边界要求不同。例如逐时法的室外气象参数、不同类型房间的人员在室率及照明、电气设备、新风的使用率按时平均确定;而逐月法按月平均确定。《通用规范》采用逐时计算的方法,浙江省节能标准体系已具有完整的逐时气象数据库,原有的建筑节能计算方法体系也采用逐时计算的方法,因此《省标》延续逐时计算的方法,建筑物的标准使用模式边界条件基本与《通用规范》保持一致。
1.3.2暖通空调设备(建筑设备)的标准运行模式
作为建筑设备的暖通空调设备的标准运行模式包括:
1) 蒸气压缩循环冷水(热泵)机组、溴化锂吸收式机组、热水锅炉等集中冷热源空调系统,各冷热源机组部分负荷运行时采用运行机组负载率最大的“台数优先”控制;多联机系统、分体空调系统等分散冷热源系统,由于1台(套)空调冷热源设备对应1个(或1组)房间,建筑运行名义工况中每个房间使用时间等标准使用模式边界条件均已确定,不存在1个系统中局部房间不使用或无负荷状态,因此部分负荷运行时不考虑冷热源、输配设备的台数控制。
2) 由于建筑运行名义工况确定了各房间逐时运行状态,因此部分负荷时,空调末端处理设备不考虑台数控制,多联机系统不考虑室内负荷不均匀指数[2]的影响。
3) 部分负荷运行时,启动的设备按相同负载率,即负荷分摊方式运行。
4) 对于使用侧或用户侧变流量系统,为统一与简化计算模型,计算时忽略末端表冷器或热盘管流量变化引起的换热能力变化,制冷与供热的水温按设计工况供水温度定温差控制,末端流量与冷热负荷呈线性关系。定频循环冷水泵与冷水(热泵)机组通过水系统的压差旁通保持定流量定速运行。变频循环冷水泵根据供回水管压差变速运行。为保护低频低流量下的冷水机组与水泵电动机的安全,变频循环水泵转速变化下限按工频的50%计算,即变流量下限为50%额定流量,低于50%额定流量时,按50%额定流量定转速运行,冷水(热泵)机组根据所承担负荷通过调节离心机叶轮开度或螺杆机滑阀开度等方式调节供冷量匹配负荷,计算逐时能耗。对于源侧变流量系统,冷水(热泵)机组的冷却水采用定温差控制,冷却水流量与冷负荷呈线性关系。变频循环水泵根据冷却水供回水运行温差反馈值变速运行,转速变化下限按50%额定流量确定,低于50%额定流量时,按50%额定流量定转速运行。冷水(热泵)机组根据所承担的负荷计算逐时能耗。
根据逐时空调冷热负荷、空调冷热源主机运行效率及运行时间进行能耗计算,根据不同能耗类型的碳排放因子核算其碳排放量。能耗计算公式为
(4)
Li,j=Qjζi
(5)
(6)
式(4)~(6)中EC为建筑单体空调冷热源年能耗,kW·h,化石能源以能源热值表达,电力能源以用电量表达,市政热力以热力提供热量值表达;Li,k为第i时刻第k幢建筑的主机承担的总冷(热)负荷,kW;Li为第i时刻主机承担的总冷(热)负荷,kW;Li,k/Li为第i时刻区域冷热源下单幢建筑的冷热源能耗占比,对于单幢建筑独立冷热源系统,Li,k=Li,下文输配系统的能耗分摊同;Yi,j为第i时刻第j台主机的启停状态,取1或0;Li,j为第i时刻第j台主机承担的冷(热)负荷,kW;εi,j为第i时刻第j台主机运行效率;Qj为第j台主机规定工况下的制冷(供热)量,kW;ζi为第i时刻主机的负载率,建筑运行名义工况按所有启动主机的负载率相等计算。
在计算空调冷热源碳排放量时,考虑免费冷热源利用、主机台数控制、主机运行效率变化的影响。
设备承担的总冷(热)负荷与建筑计算冷(热)负荷不同。建筑计算冷(热)负荷与建筑本身的围护结构热工特性、建筑的室外坏境、建筑的标准使用模式有关,一部分由空调设备承担,当设置了免费冷热源利用措施时,计算空调设备承担的总冷(热)负荷应将免费冷热源承担的冷(热)负荷从建筑计算冷(热)负荷中扣除。因此空调冷热源承担的总冷(热)负荷为
Li=LAi-LFi
(7)
式中LAi为第i时刻建筑冷(热)负荷,kW;LFi为第i时刻免费冷热源承担的冷(热)负荷,kW。
2.1.1全新风免费冷源
当设置了过渡工况全新风免费冷源时,第i时刻全新风免费冷源承担的冷负荷为
(8)
式中hni,j为第i时刻第j台空调末端机组服务的室内空气的比焓,kJ/kg;hoi为第i时刻机组新风入口的空气比焓,kJ/kg,取典型气象年中第i时刻室外空气比焓;Gi,j为第i时刻第j台设置了过渡工况全新风免费冷源利用措施的空调机组总送风量,kg/s;Gxi,j为第i时刻第j台空调机组的设计新风量,kg/s。
2.1.2排风热回收
当设计采用排风热回收措施时,若新风系统利用排风热回收承担冷负荷,则
(9)
式中c为比热容,kJ/(kg·℃)。
若新风系统利用排风热回收承担热负荷,则
(10)
式(9)、(10)中Gpi,j为第i时刻第j台排风热回收机组的排风量,kg/s;ηh为排风热回收机组全热交换效率;toi为第i时刻排风热回收机组新风入口空气温度,℃,取典型气象年中第i时刻室外空气温度;tni,j为第i时刻第j台排风热回收机组排风入口空气温度,℃,取第j台排风热回收机组服务的室内空气温度;ηt为排风热回收机组显热交换效率。
2.1.3凝结水热回收
当设计采用蒸汽凝结水热回收措施时,凝结水热回收承担的热负荷为
(11)
式中c为水的比热容,4.2 kJ/(kg·℃);th为蒸汽换热后的凝结水温度,℃,一般取80 ℃[3];tc为凝结水热回收后温度,℃,对于仅回收热量的间接换热系统按凝结水换热后的设计值确定,对于同时回收凝结水热量与水量的系统按20 ℃取值;q为蒸汽汽化潜热,kJ/kg,按设计饱和蒸汽压力取值。
集中冷热源的空调系统部分负荷运行时,各冷热源机组采用“台数优先”控制。例如对于设计工况冷负荷L0,配置4台相同规格制冷机组,单机制冷量为0.25L0,相应配置4套相同规格的冷水循环泵、冷却水循环泵及冷却塔,在部分负荷运行时,不同台数控制对应的负载率见表3。
表3 冷热源主机台数控制策略
表3中70%负荷率时,主机可以启动4台运行(负载率70%),也可以启动3台运行(负载率93%)。实际运行时,冷热源机组往往采用最高效率寻优算法控制,台数控制未必是所有机组最高效运行的方式。台数控制优先还是主机效率优先,需要综合考虑机组效率、输配能耗、冷却设备能耗进行判断。在碳排放计算时,为简化模型统一计算边界,建筑运行名义工况下各冷热源机组采用运行机组“台数优先”控制策略。
台数控制时,第i时刻第j台主机启停状态Yi,j判定逻辑为:从大到小累加第1~j台主机制冷(供热)量,当累加制冷(供热)量小于第i时刻空调冷热源承担的负荷时,第j台主机开启,继续依次累加下一台主机制冷(供热)量并作判定;当累加制冷量大于第i时刻空调冷热源承担的负荷,并且该台主机制冷(供热)量小于等于剩余末开启主机中能单独承担所需剩余负荷的制冷(供热)量时,该主机开启;其余情况下该主机停止运行。
因此,Yi,j的数学表达式为
(12)
对于分散冷热源的空调系统,不考虑分散冷热源空调系统的主机台数控制,即分散冷热源空调系统的Yi,j=1。
民用建筑冷热源主机的运行效率受主机制冷(供热)温度、散热(取热)温度、负载率等多因素影响。《省标》通过对浙江省各类常用冷热源主机运行效率的产品软件计算数据的采集汇总与分析,形成各类冷热源主机通用的运行效率拟合数学模型。预测计算以所采用的产品检测报告数据为准,当没有明确的产品检测报告数据时,则以《省标》中相应类型的冷热源主机模型计算。《省标》冷热源主机运行效率模型见表4。
以水冷冷水机组制冷、热水锅炉供热的常规冷热源系统为例,《省标》编制组对蒸气压缩循环冷水机组建立主机效率数学模型的步骤如下:
1) 对浙江省市场各主要品牌份额较大的主流产品在不同运行工况下采用选型软件计算得出的性能数据进行计算、汇总。样本包含离心机组22台,螺杆机组25台,磁悬浮机组8台,涡旋机组3台;变频机组30台,定频机组28台;额定制冷量127~7 000 kW。对样本机组冷水温度范围4~14 ℃(步长1 ℃)、冷却水温度范围18~35 ℃(步长1 ℃)、负载率范围10%~100%(步长10%)的性能数据进行统计。
2) 分析影响单台主机效率的自变量。根据文献[4],蒸气压缩循环冷水机组运行效率与冷源的冷凝温度、蒸发温度、主机负载率、压缩机类型、变流量等因素相关。逐一对单台主机单自变量构建数学模型,以矫正拟合优度作为拟合度评价,利用Origin软件对模型求解并分析和检验单个因素的影响规律。对主流机型与产品的数值拟合曲线分析,冷水(热泵)机组的效率与机组的负载率呈二次幂多项式关系,与使用侧供水温度、热源侧或放热侧温度呈线性关系,且矫正拟合优度均大于0.9。
3) 根据2)计算分析的自变量与因变量关系结果,构建同一类型冷水(热泵)机组的多自变量数学模型如下:
εi,j=ε0j[1+k1(tC0-tCi)+k2(tE-tE0)]×
[k3(100%-ζi)2+k4(100%-ζi)+1]
(13)
式中ε0j为第j台主机规定工况下的运行效率;k1~k4为主机性能拟合系数;tC0为与ε0j对应规定工况下主机热源侧(或放热侧)温度,℃;tCi为第i时刻主机运行工况下热源侧(或放热侧)温度,℃;tE为运行工况下主机使用侧供水温度,℃;tE0为与ε0j对应规定工况下主机使用侧供水温度,℃。
不同类型机组各项温度取值见表5。
表5 不同类型机组各项温度取值
2) 水环热泵式、地下水热泵式、地埋管热泵式、地表水热泵式机组的规定工况数据来自于GB/T 19409—2013《水(地)源热泵机组》。
3) 双工况(乙二醇)单冷式机组的规定工况数据来自于JGJ 158—2018《蓄能空调工程技术标准》。
4)tWi为典型气象年第i时刻室外湿球温度。
5)tDi为典型气象年第i时刻室外干球温度。
4) 将冷水机组按表6分类,不同品牌、不同规格、相同类型机组的所有数据代入式(13),以均方根误差RMSE作为拟合度评价,利用Origin软件对模型求解以获取同一类型主机不同品牌的相对平均的运行效率拟合公式,并进行分析与检验,使同一类型主机各产品的RMSE相对最小。RMSE反映了数据与拟合线之间的离散程度,其数据越小,表示拟合的模型离散程度越小。
表6 水冷冷水机组拟合模型分类
拟合得到不同类型机组的k1~k4,如表7所示,负载率、冷却水温度、冷水温度、主机运行工况与规定工况下的效率比的关系如图2所示。
图2 水冷冷水机组运行效率变化趋势
表7 部分水冷冷水机组制冷k1~k4
采用同样方法对燃气与燃油热水锅炉数据进行处理,锅炉运行工况的计算效率受燃烧空气进风温度、锅炉负载率、进出水温度影响。民用建筑供暖锅炉的燃烧空气经过锅炉房内锅炉与烟囱的辐射加热,温度影响相对较小;且民用建筑名义运行工况的供暖供回水温度按设计工况温度运行,因此锅炉运行工况的计算效率仅考虑供暖负载率变化的影响。对于多段火调节锅炉与比例调节锅炉,其运行效率的计算式为
(14)
式中η0j为第j台锅炉规定工况下的运行效率;m1~m4为热水锅炉效率拟合系数,见表8;z为锅炉运行效率分段曲线交点所对应的负载率。
表8 热水锅炉制热m1~m4及z
锅炉负载率、运行工况与规定工况下的效率比的关系如图3所示。
图3 热水锅炉运行效率变化趋势
输配系统碳排放包括暖通空调使用侧循环泵、热源侧(或放热侧)循环泵、油泵等的能源消耗造成的碳排放。
空调循环泵包括使用侧冷热水循环泵、使用侧乙二醇泵、热源侧(或放热侧)循环泵等,循环泵的能耗根据泵的实际运行功率、运行时间进行计算。
(15)
(16)
式(15)、(16)中Ep为建筑单体循环泵年运行能耗,kW·h;Ypi,j为第i时刻第j台循环泵启停状态,取1或0;Npi,j为第i时刻第j台循环泵的运行输入功率,kW;Gp0,j为第j台循环泵设计工况流量,m3/h;Hp0,j为第j台循环泵设计工况扬程,m;ρr为循环流体密度,kg/m3,水的密度取103kg/m3,乙二醇密度取1.03×103kg/m3;g为自由落体加速度,m/s2,取9.8 m/s2;φpi为第i时刻循环泵有效功率的负载率修正系数;ηpi,j为第i时刻第j台循环泵的效率。
在计算空调使用侧循环泵碳排放量时,需考虑循环泵台数控制、负载率、运行效率的影响。
3.1.1考虑循环泵台数控制
与冷热源主机碳排放计算一样,集中冷热源空调系统在部分负荷运行时,循环泵采用“台数优先”控制策略。Ypi,j的数学表达式为
(17)
当循环泵与冷热源主机对应配置时,Ypi,j=Yi,j,即主机停止运行,相应循环泵也同样停止运行。
式(17)中,使用侧与热源侧(或放热侧)循环水泵承担的冷(热)负荷不同。使用侧循环泵承担的冷(热)负荷为
Lpi=Li
(18)
对于热源侧(或放热侧)循环泵则需要考虑压缩机运行放热量,因此热源侧(或放热侧)循环泵承担的冷(热)负荷为
(19)
式中μj为第j台主机冷凝热回收量与总冷凝散热量的比值,若未设置冷凝热回收系统,则μj取0。
相应地,设置冷凝热回收系统的热水循环泵承担的热负荷为
(20)
3.1.2考虑循环泵的负载率影响
循环泵的有效功率计算式为
(21)
式中N′为循环泵有效功率,kW;G为循环泵流量,m3/h;H为循环泵扬程,m。
1) 循环泵定频运行。
定频循环泵的输配水量及转速不会随着末端负荷的改变而变化,整个运行过程中,循环泵的有效功率均为设计工况有效功率,即有效功率的负载率修正系数φpi=1。
2) 循环泵变频运行。
当采用变频水泵时,运行控制策略可以采用定静压与变静压控制。定义水泵的负载率为
(22)
式中ξpi为第i时刻循环泵的负载率,考虑到冷热源系统最小流量要求及循环泵电动机保护的需要,ξpi低于50%时按50%运行。
当循环泵在定静压控制策略下运行时,理想定静压控制策略下,循环泵扬程H不变,因此循环泵的轴功率与水泵流量呈线性关系,有效功率的负载率修正系数为
(23)
式中N′pi,j为第i时刻第j台循环泵的有效功率,kW;N′p0,j为第j台循环泵的设计工况有效功率,kW;Gpi,j为第i时刻第j台循环泵的运行流量,m3/h。
当循环泵在变静压控制策略下运行时,理想变静压控制策略下H=SG2(其中S为管道阻抗),因此当S不变时,循环泵的轴功率与水泵流量呈三次幂关系,有效功率的负载率修正系数为
(24)
3.1.3考虑循环泵变频的效率变化
循环泵运行效率包含循环泵工作点效率、电动机效率、传动效率。对于变频循环泵,工作点效率与传动效率不变,基本与设计工况一致;但是电动机效率与变频器效率随转速变化,文献[5]给出了电动机效率及变频器效率与电动机转速的关系曲线,文献[6]通过曲线拟合得出了利用电动机转速计算电动机效率及变频器效率的公式。因此,循环泵效率为
ηpi,j=ηbjηdjηei,jηci,j
(25)
ηei,j=0.941 87(1-e-9.04ξpi)
(26)
(27)
式(25)~(27)中ηbj为第j台循环泵设计工况工作点效率;ηdj为第j台循环泵传动效率,取0.98;ηei,j为第i时刻第j台循环泵电动机效率;ηci,j为第i时刻第j台循环泵变频器效率。
民用建筑的供油泵主要用于燃油锅炉的油输配系统中。供油量属于消耗量,不属于循环量,供油泵全年能源消耗量按锅炉总耗油量计算。供油泵间歇运行时,将室外油罐储油泵向室内日用油箱,因此运行时扬程和效率均维持与设计工况一致。
(28)
式中Eo为建筑单体油泵年运行能耗,kW·h/a;Ec为燃油锅炉年能耗,kW·h/a,按式(4)计算;Ho为油泵设计扬程,m;σ为燃油低位发热值,kJ/kg,取42 705 kJ/kg;ηo为油泵效率,设计文件未明确时,取0.4。
民用建筑暖通空调的风系统碳排放包括空调末端处理设备、通风系统的能源消耗造成的碳排放。其中,通风系统中不考虑消防防排烟、事故通风等涉及人民生活安全的应急通风专用系统。
风机能耗根据实际运行功率、运行时间进行计算。
(29)
式中Ef为风机总能耗,kW·h;φfi为第i时刻风机有效功率的负载率修正系数;Nf为所有风机设备的输入功率之和,kW,对于电压220 V的风机,如风机盘管、多联机的室内机、换气扇等,采用产品方提供的输入功率,对于电压380 V的风机,根据式(30)计算:
(30)
式中Gf0,j为第j台风机的设计风量,m3/h;pf0,j为第j台风机的设计风压,Pa;ηfdj为设计工况下第j台风机的效率;ηfej为第j台风机的电动机及传动效率,取0.855。
与输配系统循环泵类似,在计算空调末端处理设备的能耗时,需要考虑负载率对能耗的影响。末端空调设备风机定频运行时的负载率修正系数φfi取1;当末端空调设备风机变频运行时,若采用定静压变风量控制策略时,负载率修正系数为
(31)
式中ξfi为第i时刻末端空调设备风机的负载率;Gfi,j为第i时刻第j台末端空调设备风机的运行风量,m3/h;LA0为设计工况下的建筑冷(热)负荷,kW。
考虑到风机电动机保护的需要,ξfi低于40%时按40%运行。
当末端空调设备风机变频运行时,若采用变静压变风量控制策略,负载率修正系数为
(32)
建筑冷却塔风机能耗按每170 kW(制冷量)1 kW计算[7]。因此,全年冷却塔风机能耗为
(33)
式中Efc为建筑单体冷却塔风机年运行能耗,kW·h。
《省标》具有以下特点:
1) 相比现行国家标准,对民用建筑运行碳排放量的计算边界作了扩展与延伸,民用建筑碳排放计算覆盖了全寿命周期的全边界。
2) 将建筑视同定制化用能“产品”,定义了建筑运行名义工况,统一了民用建筑运行碳排放边界条件。
3) 补充了暖通空调各系统的详细算法,给出空调冷热源、输配、末端空气处理设备及通风风机的运行能耗与碳排放量计算公式,为碳排放量计算软件化提供了依据。
《省标》对碳排放量计算边界的延展与计算方法的深化,提高了在浙江省范围内建筑碳排放量计算的可操作性,也配套用于衔接国家即将编制发布的《零碳建筑计算标准》,能更好地贯彻国家碳达峰碳中和的战略方针。