宁波地区公共建筑土壤源热泵系统适宜性评价方法探讨

2017-05-11杨爱明向青青

浙江建筑 2017年2期

关键词：回收期标煤源热泵

杨爱明,向青青,杨水

(1.宁波大学建筑设计研究院有限公司,浙江宁波 315000；2.宁波东源节能科技有限公司,浙江宁波 315000)

宁波地区公共建筑土壤源热泵系统适宜性评价方法探讨

杨爱明1,向青青1,杨水2

(1.宁波大学建筑设计研究院有限公司,浙江宁波 315000；2.宁波东源节能科技有限公司,浙江宁波 315000)

从资源性条件和系统性条件两方面构建了土壤源热泵适宜性评价体系,采用层次分析法推导了综合评价判断公式,给出了公式中各基准值的确定方法,明确了评价标准,提供了定性化评价原则及方法。

适宜性评价体系;层次分析法;资源性条件；系统性条件

土壤源热泵系统是以土壤作为热泵机组的低温热源,而传热介质通过地下换热器，冬季从土壤中吸热,夏季向岩土中排热,从而实现为建筑物供热、制冷。由于地下一定深度处土壤温度较为恒定,作为热泵机组的低温热源,可使机组达到较高的运行效率,并且运行较为稳定。

中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院院长徐伟针对地源热泵在中国的适宜性研究表明：土壤源热泵适宜区集中在黄河到华北一带,较适宜区在长城气候带、严寒、寒冷过渡区一带,而夏热冬冷的长江流域沿线一带是一般适宜区,华南是不适宜区。适宜性主要考虑两大条件：资源性条件和系统性条件。资源性条件主要包括岩土的平均温度和岩土综合导热系数,系统性条件主要包括节能性、经济性、环保性和平衡性,平衡性也就是岩土冷热的平衡问题。

宁波属于夏热冬冷区域,属于地源热泵应用一般适宜区。由于地源热泵系统的节能性主要体现在供热效率相对较高,而宁波地区夏季冷负荷远远大于冬季热负荷,因此，在宁波地区应采用土壤源与其他冷热源相结合的复合式系统。

1 土壤源热泵适宜性

1.1评价体系的建立

分析土壤源热泵系统的适宜性,首先要给出适宜性评价指标,建立起评价体系。这里从资源性条件和系统性条件两方面进行评价,评价体系见图1。本评价体系参照《地源热泵技术手册》中地源热泵资源状况及适宜性评价方法,并结合宁波本地实际状况进行评价。

1.2 土壤资源性条件

土壤资源性条件主要包含土壤综合导热系数和土壤的初始温度。

土壤初始温度是计算竖直埋管长度的重要参数,虽然在一定区域内相对恒定,但对单个项目而言,仍然存在个体差异。土壤综合导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数,如果综合导热系数不准确,则设计的系统可能不能满足负荷要求,也可能规模过大,从而大大增加了初投资。表1给出了宁波市部分区域采用土壤热响应试验测试出的土壤初始温度及土壤综合导热系数情况,土壤初始温度平均值为19.4℃,土壤综合导热系数为1.67 W/(m·K)。该表可以看出各区域热物性参数的个体差异。

图1 地源热泵系统适宜性评价指标体系

表1 宁波市部分区域土壤综合导热系数情况表

1.3 土壤资源性条件评价

根据《宁波市地源热泵系统建筑应用指南》第4.2 条建议：一般情况下,土壤的导热系数为1.6 W/(m·K)以上时系统的性价比较高；尽量避免在土壤导热系数低于1.2 W/(m·K)的场合使用地埋管换热器,因为土壤的传热效果太差会使得系统的初投资过高。

通过实测,虽然土壤的初始温度及土壤综合导热系数在本区域有一定的变化,但差别不显著,对评价结果影响不大,可直接判定为较适宜,不进行定量比较。

1.4 系统性条件

系统性条件主要包括节能效益、经济效益和环境效益。节能效益采用一次能源利用率来评价,经济效益采用投资回收期进行评价,环境效益采用标煤替代量作为评价标准。

1.4.1 一次能源利用率

系统全年一次能源利用率采用下式进行计算:

一次能源利用率=(系统供热量+系统供冷量)/系统全年消耗的一次能耗

对于以电能驱动的热泵系统和水冷冷水机组制冷系统：

E=∑Q/[P/(η1·η2)]

式中:∑Q为全年总的供热(冷)量(kW·h),若有热回收,应加上热回收热量；P为地源热泵系统全年消耗的电能(kW·h)，即主机全年耗功+循环水泵全年耗功+冷却塔耗功；η1为发电效率,采用火电发电效率,取35%；η2为输配电效率,取90%。

该值是个绝对值,反映了不同系统能源利用的效率。

1.4.2 投资回收期

土壤源热泵系统的投资回收期采用下式计算：

β=(IHP-IB)/(CB-CHP)

式中：IHP为土壤源热泵系统的初投资(元)；IB为对比冷热源系统的初投资(元)；CHP为土壤源热泵系统的年运营费用(元/年)；CB为对比冷热源系统的年运营费用(元/年)。

该值是个相对值,反映了两个比较系统相对经济性。

1.4.3 标煤替代量

供热季节,土壤源热泵消耗的是电能,而燃煤锅炉、燃气锅炉消耗的是一次能源,将土壤源热泵系统的耗电量转化为一次能耗进行比较,可以得出可替代标煤量。

供热季节标煤替代量：

Thce=(H1-H2)/Hce

式中:H1为常规系统供热季的一次能耗(kJ)；H2为土壤源热泵系统供热季的一次能耗(kJ)；Hce为标准煤的发热值,29 307 kJ。

供冷季节,土壤源热泵系统与常规系统消耗的都是电能,可以直接比较耗电量,然后利用电能与标准煤的折标系数来计算可替代标煤量。

供冷季节标煤替代量：

Tcce=(C1-C2)×φ

式中:C1为常规系统供冷季的耗电量(kW·h)；C2为土壤源热泵系统供冷季的耗电量(kW·h)；φ为电能折标准煤的系数,取0.330kg/kW·h。

该值是个相对值,反映了两个比较系统相对节能性。

2 评价方法及标准

2.1 层次分析法

层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,简称AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出的一种层次权重决策分析方法。AHP是一种能将定性分析与定量分析相结合的系统分析方法,把要解决的问题分层系列化,即根据问题的性质和要达到的目标,将问题分解为不同的组成因素,按照各因素之间的项目影响和隶属关系将其分层组合,形成一个递阶的、有序的层次结构模型；然后对模型中每一层次因素的相对重要性,依据人们对客观现实的判断给予定量表示,利用数学方法确定每一层次全部因素相对重要性次序的权值,通过逐层比较各种关联因素的重要性来为分析、决策提供定量的依据。

针对复合式土壤源热泵系统,对节能性、经济性、环境性相对重要性的打分,建立该指标层的判断矩阵B。

采用列和法计算出该层各子指标的权重向量ω。

ω=(0.548 5,0.210 6,0.240 9)

对判断矩阵进行一致性检验,经计算,CR=0.026<0.1,通过一致性检验,说明计算得出的权重向量ω有效。

2.2 评价判断公式

根据上述计算出的各指标的权重值,确定综合判断指标公式为：

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

式中：E为土壤源热泵系统全年一次能源利用率；E′为E的基准值;β为土壤源热泵系统与对比系统的差额静态投资回收期；β′为β的基准值;T为土壤源热泵系统与对比系统的标煤替代量；T′为T的基准值。

2.2.1E′值的确定

以案例的形式来推导E′值的确定过程,案例参数的选取及基本计算方式参照《民用建筑项目节能评估技术导则》的要求。

某建筑面积为Sm2的政府办公楼,空调负荷估算指标：夏季冷负荷ql=110 W/m2,冬季热负荷qr=70 W/m2计算。夏季运行时间tl=180 d,冬季运行时间tr=80 d,每天运行时间h=12 h。拟采用复合式地源热泵系统,为简化计算,仅考虑设置1台螺杆式地源热泵主机及相应水泵、辅助冷源。

(1)全年累计制冷量及制热量的计算

宁波地区办公建筑空调主机全年制冷及制热性能系数计算见表2。宁波地区办公建筑负荷率及冷热负荷率频数参照民用建筑项目节能评估技术导则选取，热泵机组制冷EER按螺杆式冷水机组选取，制热COP在满足热泵机组标况ACOP值为2级的情况下，按照EER的部分荷载参考值的比例计算得出。

表2 宁波地区办公建筑空调主机全年制冷及制热性能系数计算表

故全年累计制冷量∑Ql=Sqltlh∑εiζli;

全年累计制热量∑Qr=Sqrtrh∑εiζri;

全年累计机组制冷耗电量

∑Nl=Sqltlh∑(εiζli/EERi);

全年累计机组制热耗电量

∑Nr=Sqrtrh∑(εiζri/COPi);

主机制冷全年

EER=∑εiζli/∑(εiζli/EERi)=5.18;

主机制热全年

COP=∑εiζri/∑(εiζri/COPi)=3.61。

2)系统能效的确定

根据《水(地)源热泵机组能效限定值及能效等级(GB 30721—2014)》要求,机组的节能评价值为能效等级2级,即需满足ACOP=0.56EER+0.44COP=5.0(CC>150)的要求。

根据《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2015)》,采用电机驱动的蒸气压缩循环冷水(热泵)机组时,夏热冬冷地区在名义制冷工况和规定条件下的性能系数为5.2(528

考虑到制冷状况下热泵机组与单冷机组能效的一致性,确定热泵机组EER=5.2,从而计算出COP=4.75。

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准(GB/T50801—2013)》第6.4.3条的规定,对地源热泵系统级别的划分见表3。

表3 地源热泵系统级别划分

根据前述计算,主机全年EER=5.18, COP=3.61,当COPsys=3.0, EERsys=3.4时,相当于制冷时水泵及辅助冷却能耗占主机能耗的52%,制热时水泵能耗占主机能耗的20%,对于正常设计的地源热泵系统是完全可以满足的,因此确定COPsys=3.0, EERsys=3.4。

3)系统全年累计消耗电量的确定

系统制冷状况下机组及水泵、辅助冷源全年累计消耗电量

∑Pl=∑Ql/EERsys

系统制热状况下机组及水泵全年累计消耗电量

∑Pr=∑Qr/COPsys

4)一次能源利用率E′的确定

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,当建筑类型为酒店、医院及商业时,计算所得E′均大于1.06,同时,考虑到实际设计时负荷指标的范围,因此,确定E′=1.1。

2.2.2 β′值的确定

根据《可再生能源建筑应用工程评价标准(GB/T50801—2013)》第6.1.1第5条的规定：地源热泵系统的静态投资回收期应符合项目立项可行性报告等相关文件的要求。当无文件明确规定时,地源热泵系统的静态回收期不应大于10年。通过对宁波市已运行地源热泵系统项目的调查及分析,投资回收期以8年为基准应是相对合理的。

2.2.3 T′值的确定

T′为每年每平米标煤替代量。根据财政部和住房城乡建设部关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知(财建[2011]61号)的规定：切实提高太阳能、浅层地热能、生物质能等可再生能源在建筑用能中的比重,到2020年,实现可再生能源在建筑领域消费比例占建筑能耗的15%以上。公共建筑单位面积年平均能耗约为100kW·h/m2,于是可再生能源设备年理论节能量应不小于按建筑面积的15kW·h/m2,则其每平方米节标煤量为15×0.33=4.95kg方能符合政策的要求,因此,此处标煤替代量以4.95kg为基准。

2.3 评价标准

因此,判断公式变为

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

由于上述基准值的选取均是最低值,因此当公式中参数均等于基准值时,A值为1,为最小值。因此,在资源性条件满足的基础上,当计算指标A≥1.0时,该项目采用地源热泵系统是适宜的;反之,则不宜采用。

2.4 定性化评价标准

采用上述方法对地源热泵系统进行适宜性评价相对较为复杂,特别是在项目初期,相关参数的选取会有一定的随意性,因此,根据A值的评判方式,可采用如下定性原则进行评判。

2.4.1 基本判断标准

在满足如下条件下采用或部分采用地源热泵系统是适宜的：

1)政府投融资的民用建筑项目及新建建筑面积在2万m2以上的酒店、医院等公共建筑；

2)项目全面或部分设置空气调节系统(分体空调系统除外)；

3)室外场地能满足地埋管换热器按热负荷进行设计所需面积要求(按土壤埋管考虑)；

4)若室外场地不能满足上述第3条要求,但项目有集中热水供应,且建筑物无地下室或仅为一层地下室,可采用建筑物下敷设地埋管换热器来满足要求(按土壤埋管考虑)。

2.4.2 定性评价与定量评价的关系

在定量评价的公式中,根据前述E′值的推导过程可推算,对于地源热泵系统,E值均在1.1+(-0.05～0.3)范围内；而根据《民用建筑可再生能源应用核算标准(DB33/1105—2014)》提供的地源热泵节能量计算公式,在地源热泵系统能满足冬天热负荷的情况下,T值均可满足大于4.95的要求。因此,评判的关键就在于投资回收期的大小。

根据测算,在宁波地区,当室外场地为土壤,而且埋管面积足够的情况下,投资回收期均小于8年,因此，计算出的A值均能满足大于1的要求。

当室外埋管面积不够时,若采用建筑物下埋管形式,初投资会增加,投资回收期可能会大于8年,导致A值小于1。但若项目有集中热水需求,则系统的一次能源利用率及节能量均会提高,能够弥补初投资的增加导致的A值减少,仍能满足大于1的要求。