高速公路沿线房建冷热源方案综合对比研究

刘亚军 朱洪发 刘炜 张肖敏 张明创

1高速集团宝汉公司汉中建设管理处

2西安建筑科技大学环境与市政工程学院

0 引言

长期以来， 高速公路沿线房建设施大多采用燃煤锅炉实现供暖， 对空气的污染非常严重。随着国家和省政府对环保方面的政策和执行力度逐渐加强， 使得改造站点燃煤锅炉成了亟待解决的问题， 为此， 高速公路沿线房建设施需寻求节能环保性强的冷热源方案。地源热泵和多联机等节能性空调系统在住宅和办公建筑中得到了较快的发展与应用， 目前也逐步应用到高速公路房建中 [1] 。本文采用综合模糊评判法， 对某一高速房建站点实例进行经济性和节能性的综合评价， 以期选择适合该站点的冷热源方案。

1 高速公路沿线房建设施的特点

按照 《陕西省高速公路网规划》， 目前陕西路网总规模达 8080 公里[2]， 总体呈 “米” 字形框架， 高速公路覆盖全省所有的县 （市、 区）， 具体站点如图1。

1） 房建类型。按使用功能分类， 高速公路沿线房建设施可分为匝道收费站，高速管理所和高速服务区。按服务对象分类， 房建设施可分为对内型建筑， 对外型建筑。对内型建筑主要是为高速公路管理和服务人员服务的， 建筑区包括管理分公司， 高速公路管理所，主线收费站和匝道收费站。对外型建筑主要是为高速来往车辆与旅客服务的， 主要包括高速服务区和停车区。

2） 建筑规模。不同的房建类型其建筑面积不同。收费站和停车区等房建站点，建筑面积主要集中在150～4000m2， 服务区和管理所等房建站点， 建筑面积主要集中在 4000～20000m2。由于收费站内的收费人员和路政执法人员流动性强，这些人员采用轮班制，负责站外的收费棚和该管辖区域间的路面及安全设施的养护工作， 因此建筑规模较其他房建类型相比小很多。

3） 既有采暖形式及特点。陕西高速集团公司目前采暖设备共有燃煤锅炉 165 台， 燃气锅炉 12 台， 燃油锅炉2台， 空调2组。主流采暖形式为燃煤锅炉系统，然而其能源利用率低， 小型燃煤锅炉的燃烧效率仅有60%左右， 设备使用寿命短， 大约在 5～6 年 [3] ， 对环境的污染严重， 因此高速房建站点采暖需进行燃煤锅炉的改造。

图1 陕西省高速公路途经城市站点分布

2 冷热源方案分析

由于高速公路房建设施占地面积大，容积率小，拥有着丰富的地下水资源， 可考虑使用地下水源热泵系统。建筑类型多样， 存在负荷错峰性， 因此考虑多联机系统。而建筑规模小， 其传统冷热源方式为燃煤锅炉加分体空调系统， 出于改造的方便性， 可以将燃煤锅炉替换成燃油锅炉。因此， 高速公路沿线房建设施供暖空调系统备选可用的冷热源方案有： 地下水源热泵系统， 多联机系统和燃油锅炉加分体空调系统。三种冷热源方案运行可靠性分析对比结果见表1。

表1 三种备选冷热源方案运行可靠性分析对比

在运行风险方面， 地下水源热泵主要包括热贯通和回灌堵塞问题 [4-5] ， 出现热贯通现象会导致机组的性能下降， 回灌堵塞问题严重时会出现溢井现象[6]， 系统无法正常运行。多联机系统运行风险主要是机组维护不到位导致机组性能下降严重。而燃油锅炉在运行过程中本体易出现腐蚀现象， 存在一定的安全隐患， 分体空调机使用已经非常成熟， 风险出现的几率较低。

在运行维护方面， 地下水源热泵系统需定期洗井与回扬， 同时要解决结垢问题， 管理运行较为复杂， 需培训专门的技术人员进行管理。多联机系统基本不需要专门的技术人员来管理， 其自带自控系统就可以满足机组运行的要求。燃油锅炉加分体空调器系统， 运行管理主要在于锅炉系统， 锅炉系统的技术人员需持特种设备操作证上岗 [7] 。

在运行调控方面， 地下水源热泵运行时通过机组，水泵和末端的协同调控，系统自动化程度高。多联机系统具有部分负荷下的自动调控能力， 通过其自带的控制系统可实现变负荷调控， 室内末端空调房间可根据自身负荷需求自行选择空调的启停。燃油锅炉具有自动化的燃烧与控制系统， 燃烧器电子自动点火， 然而冬季供暖锅炉全天24小时开放， 室内末端无法调控。

3 综合性评价

3.1 工程概况

以陕西高速集团汉川分公司管理分中心为例作为建筑模型， 分析不同地区各冷热源系统的具体参数。该管理分中心建筑面积为 5345m2，主体房建有办公楼， 宿舍楼和餐厅。其中， 办公楼 2888m2， 宿舍楼1842m2， 餐厅390m2。经DeST软件模拟计算后可得，该站点所需供冷量为 222007 kW· h，所需供热量为158327 kW · h。

该管理分中心地处汉江北岸， 褒河东岸， 地貌属褒河二级阶梯， 地表水和地下水较为丰富， 满足地下水源热泵系统应用的条件， 同时站点地处夏热冬冷地区， 冬季温度一般在0 ℃以上，冬季不会影响多联机运行效率，因此多联机也是可行的。燃油锅炉加分体空调系统应用不受限制。

3.2 经济性分析

采用寿命周期费用成本法LCC（Life Cycle Cost）对各比选方案的经济性进行评价 [8] 。寿命周期成本法是把供暖空调系统在寿命周期内所有的成本， 包括初投资、 运行能耗费用等通过选择贴现率， 把未来的成本价值贴现为与之等值的现值累加起来。考虑到地下水地源热泵系统与常规的冷热源系统寿命不相同， 因此采用费用年值法对工程所选用的冷热源方案进行对比分析。费用年值是指项目在寿命期内的年费用值， 按给定的折现率折算的平均值， 记作AC。具体计算公式如下：

式中：AC为费用年值，元 /年；Cr为年运行费用，元 /年；(A/P,i,n) 为资金回收系数；(A/F,i,n) 为偿债基金系数；Co为初投资，元；S为净残值（设备净残值率取5%），元 ；i为折现率；n为寿命周期，年 。

各系统初投资主要包括冷热源，室 外管网和室内末端设备三部分的初投资。根据项目管理人员提供的资料，包 括设备价格，安 装费用和建筑工程费用等，计算得各系统的初投资。其中，地 下水源热泵初投资还包括打井费用。

运行费用包括系统运行能耗费用，运 行管理费和设备维护保养费等。地下水源热泵和多联机全年的动力来源为电，当 地电价为0.6元/kW· h 。燃油锅炉加分体空调夏季耗电，冬季除循环水泵消耗少量电之外，其余能耗花费主要来源于柴油。依据市场调研，柴 油价格为 6000 元 /t。表 2 给出了各系统的能耗计算结果，为 使结果具有可比性，将 不同系统的总能耗折算成标煤消耗量。

表2 各系统能耗计算结果

表3 不同系统初投资和运行费用及费用年值统计表

表 3给出了各系统的初投资和运行费用， 经计算得出各系统的费用年值。费用年值越低，表示系统的经济性越好。

由图2可知，以地下水源热泵的各经济指标作为1， 发现地下水源热泵初投资最大， 然而其运行费用小且寿命长， 费用年值最小， 经济性最优。燃油锅炉虽初投资仅为地下水源热泵的0.62，而其运行费用却又高出了0.96， 总体费用年值最高， 经济性最差。多联机的经济性介于两者之间。

图2 各系统费用指标比例示意图

3.3 节能性分析

由于各系统运行消耗的能源类型不同， 为保证可在同一平台上进行比较， 常常将系统能耗折算成一次能源进行比较，即换算成标煤的形式。节能性评价一般以节能率作为节能性评价的指标， 节能率的计算公式如下：

式中：SEP为节能率；CEc为传统燃煤锅炉加分体空调系统一次能源消耗量，tce；CEg为待评价系统的一次能源消耗量， tce。

若该工程项目使用燃煤锅炉加分体空调系统， 燃煤锅炉效率为0.6， 无烟煤热值为 25.09 MJ/kg， 经计算冬季消耗47.33 t无烟煤， 折合标煤量为80.49 tce。 表4给出了各系统的节能量和节能率， 发现地下水源热泵的节能率最高， 达 36.97%， 燃油锅炉的节能率最低， 为16.81%。

表4 各系统节能量和节能率计算结果

3.4 模糊综合评判

模糊综合评判方法在处理各种难以用精确数学方法描述的复杂系统问题方面有着独特的优越性。该方法的主要步骤详见文献[9]。本文引入无量纲数—— —优度， 表示定量因素和定性因素在分析各种供暖方式中的相对优势， 其值介于0到1之间。 确定出各因素的权重后， 计算各因素的优度的加权和， 便得出综合优度， 综合优度最大即为最优。这里选取经济效益和社会效益作为评价因素， 则综合优度计算公式如下：

式中：M为综合优度；MCj、MEj分别代表第j种供暖空调方式的经济效益优度，社会效益优度；α1、α2分别为MCj、MEj的权重值。

图 3 给出了不同决策类型下各系统的综合优度值，经济效益主导型表示决策者更看重经济效益，α1与α2之比为2:1，社会效益主导型则相反，均衡型α1与α2之比为1:1。结果可知，不 论在哪种决策形式下，地下水源热泵系统均为最优，表 明该管理所最适宜的冷热源方案为地下水源热泵系统。

图3 不同决策类型下各系统的综合优度值

4 结论

1） 三种冷热源方案中， 地下水源热泵系统初投资较高， 而其运行费用却较低， 总体费用年值最小， 经济性最优， 同时其节能率最高， 在高速公路房建设施中可优先考虑该节能高效系统。

2） 地下水源热泵系统综合性最好， 然而其使用要受到当地水文地质的限制， 在水文地质条件不适宜地下水源热泵系统时， 可优先考虑多联机空调系统。多联机系统由于运行维护简单，风险小且调控能力较强， 其运行可靠性程度高。

参考文献

[1] 任龙江,刘坤,张发如.浅谈地源热泵技术在高速公路房间区的应用[J].青海交通科技,2013,(1):24-28.

[2] 王非.打造陕西高速公路网[J]. 西部大开发,2009,(2):51-52.

[3] 张云龙.高速公路沿线房建设施利用地下水源热泵适宜性研究[D].西安:西安建筑科技大学,2015.

[4] 胡继华,张延军,于子望.水源热泵系统中地下水流贯通及其对温度场的影响[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2008,(6):992-998.

[5] Steaphanie Rinck-Pfeiffer.Interrelationships between Biological,Chemical,and Physical processes as an analog to clogging in aquifer storage and recovery(ASR)wells[J].Aquifer Storage and Recovery,2000,34(7):2110-2118.

[6] 张群力,王晋.地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题分析[J].流体机械,2003,(5):50-54.

[7] 李惠, 张剑. 锅炉的安全运行管理与维护保养[J].山东工业技术,2016,5(15):78-79.

[8] 房华荣.基于寿命周期成本 （LCC） 的暖通空调方案选择的应用研究[D].西安:长安大学,2008.

[9] 李丽王乐乐.基于模糊综合评价的集中供热方案选择[J].区域供热,2013,(4):83-88.