張敏

（蘇州經貿職業(yè)技術學院，江蘇蘇州 215009）

【自然科學研究與應用】

利用可再生能源的空調系統(tǒng)的效益比較分析

張敏

（蘇州經貿職業(yè)技術學院，江蘇蘇州 215009）

通過土壤源熱泵、水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調方案的比較，從初投資、年運行費、減少一次能源消耗量、CO2排放量、大氣污染物排放等角度考慮，表明采用可再生能源的空調方案在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，特別是水源熱泵系統(tǒng)，其經濟效益和環(huán)境效益尤為顯著，在有條件的情況下，推薦優(yōu)先選用。

可再生能源；熱泵；經濟性分析

我國建筑能耗約占全國能源消耗總量的27%，而每年中央空調能耗約占建筑能耗的40%～50%[1]。在我國相對發(fā)達的長江中下游地區(qū)，中央空調幾乎成為現(xiàn)代公共建筑的標配，空調能耗問題可想而知。因此，可再生能源的開發(fā)利用顯得愈發(fā)迫切。

可再生能源是風能、太陽能、水能、生物質能、地熱能和海洋能等非化石能源的統(tǒng)稱，是可以不斷利用、循環(huán)再生的能源。這些能源的使用，已成為各國可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。土壤源熱泵、水源熱泵，因分別使用了地熱能和水能等可再生能源，已成為夏熱冬冷地區(qū)中央空調選擇新寵。

本文以江蘇省蘇州市某辦公樓為例，將同樣制冷量、制熱量的土壤源熱泵、水源熱泵（由于制冷、制熱量相對較大，故不選用風冷熱泵系統(tǒng)進行比較）與常規(guī)的冷水機組加燃氣鍋爐系統(tǒng)進行初投資、運行費用及節(jié)能減排的比較，綜合考慮可再生能源空調系統(tǒng)運用的效益。

一、計算氣象資料

由于缺乏蘇州市的歷年氣象資料，先考慮采用2015年5月—2016年5月室外溫度的實測數(shù)據(jù)作為室外氣象參數(shù)，以2℃溫差作為一個溫差頻段確定蘇州市的BIN氣象參數(shù)?？照{系統(tǒng)運行時間為7：00—18：00，夏季運行120d，冬季運行90d（見表1）。

表1 空調運行期BIN氣象參數(shù)

二、空調方案說明

（一）空調設備選用情況

以蘇州市的一個制冷量850kW、制熱量900 kW的辦公樓空調系統(tǒng)為例?？紤]到通用性和適用性，根據(jù)制冷量、制熱量及《公共建筑節(jié)能設計標準》的COP要求，分別選用常規(guī)的冷水機組加燃氣鍋爐設備與土壤源熱泵、水源熱泵。為了便于比較，選用同一生產廠家的產品，均選用標準型。其中，冷水機組選擇藍德CTSC-0836，土壤源熱泵、水源熱泵選用藍德0948D系列，燃氣鍋爐選用迪寶CWNS0.93系列，性能參數(shù)如表2所示。

表2 各空調系統(tǒng)設備的性能參數(shù)

（二）地源熱泵方案說明

地源熱泵系統(tǒng)，通過地埋管中的媒介（水）與周圍土壤沙石進行的熱交換，實現(xiàn)夏季制冷和冬季供暖。

以夏季向地下釋放熱量來計算地埋管數(shù)量：忽略水泵散熱、傳熱等因素的影響，夏季需要向地下釋放熱量為1050kW，按地埋管單位埋深放熱量為60w/m，則需要的地埋管米數(shù)為1050000/60= 17500m，按每孔埋深100m計，共需地埋管數(shù)175個。

以冬季從地下提取熱量來計算地埋管數(shù)量：忽略水泵散熱、傳熱等因素的影響，冬季需要從地下提取熱量為750kW，按地埋管單位埋深取熱量為40w/m，則需要的地埋管米數(shù)為750000/40=18750m，按每孔埋深100m計，共需地埋管數(shù)188個。

地埋管環(huán)路能量采集系統(tǒng)采用雙U型管形式，預留一定量地埋孔[2]，根據(jù)《地源熱泵工程技術規(guī)范》，本案例決定采用200個深度為100m、直徑為150mm的地埋管豎孔，每個豎孔中安裝單根長度100m的高強度PE管4根，組成雙U型管結構形式，以滿足工程冷熱量需要。

（三）水源熱泵方案說明

水源熱泵，是以地下水、地表水或江河湖泊水作為冷、熱源，進行能量交換（制冷供熱）的空調系統(tǒng)。本案例擬利用辦公樓周圍的景觀湖水建造一個地表水源熱泵系統(tǒng)，將湖水作為夏季冷源和冬季熱源[3]。如圖1所示，水源熱泵機組冬季制備溫水用于辦公樓供暖；夏季制備冷凍水用于制冷；過渡季節(jié)關閉熱泵主機，利用地下提供的13℃到19℃的一次冷水通過板式換熱器換熱，承擔室內冷負荷，詳見圖1。

圖1 水源熱泵方案原理圖

三、三種方案運行經濟性比較

（一）系統(tǒng)初投資比較

空調系統(tǒng)初投資主要包括機房土建建設費、冷熱源主機設備費、末端設備費、輔材費、安裝調試費以及增容費等。由于三種方案土建、增容情況一樣，在此不做比較。從初投資的角度，將土壤源、水源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調系統(tǒng)進行經濟性分析，結果見表3。

表3 不同空調系統(tǒng)的投資比較（單位：元）

三種方案比較，土壤源熱泵由于增加了地埋管的打井費用，導致其初投資高于常規(guī)方案約75%；水源熱泵由于增加了取水、回灌管路，導致其初投資高于常規(guī)方案約23%。

（二）年運行費用比較

系統(tǒng)的年運行費用受到能源特征、價格和系統(tǒng)運行特點等因素的影響，能否正確計算系統(tǒng)的運行費用，直接關系到系統(tǒng)的選擇與評價。冷熱源系統(tǒng)運行能耗的計算，需要根據(jù)空調運行期BIN氣象參數(shù)。同時，由于公共建筑空調系統(tǒng)滿負荷運行時間較短，多數(shù)時間處于部分負荷狀態(tài)，考慮采用負荷頻率法計算全年能耗。

能耗分析按如下設定：熱泵機組依據(jù)模擬運行工況，采用部分負荷調節(jié)運行，部分負荷率分別為100%、75%、50%、25%。借用綜合部分負荷性能系數(shù)（IPLV）[1]來進行耗能計算。

式（1）中，A表示100%負荷時的性能系數(shù)（W/ W），冷卻水進水溫度30℃/冷凝器進氣干球溫度35℃；B表示75%負荷時的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進水溫度26℃/冷凝器進氣干球溫度31℃；C表示50%負荷時的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進水溫度23℃/冷凝器進氣干球溫度28℃；D表示25%負荷時的性能系數(shù)（W/W），冷卻水進水溫度19℃/冷凝器進氣干球溫度24.5℃。

同時，電價按蘇州市商業(yè)用電價格0.84元/ kWh計，燃氣按蘇州市商業(yè)用氣價格2.29元/m3，計算得到3種方案的耗電量以及系統(tǒng)的運行費用[5]，見表4。

表4 不同空調系統(tǒng)的估算能耗與年運行費用對比表

由表4可以看出，土壤源熱泵、水源熱泵在運行費用方面，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)空調系統(tǒng)。

（三）投資回收期比較

投資回收期是指用方案的凈收益補償初始投資額所需要的時間。一般投資回收期最短者最佳?？紤]資金的時間價值，我們采用動態(tài)投資回收期模型，參照公式進行計算[6]：

式（2）中，△P表示不同方案初投資差值；A表示不同方案運行費用的差值；i表示年利率，取0.059；n表示投資回收期。

經計算，采用土壤源熱泵與常規(guī)冷水機組加熱水鍋爐相比，動態(tài)投資回收期為16年；采用水源熱泵與常規(guī)冷水機組加熱水鍋爐相比，動態(tài)投資回收期為5.6年。采用水源熱泵系統(tǒng)，從長遠考慮，最為節(jié)省。

四、環(huán)境效益分析

在消耗能源的同時，不可避免地會產生環(huán)境污染問題，包括大氣污染、水污染等。因此，在考慮經濟性的同時，還應考慮設備選擇對環(huán)境的影響。

故將這三個方案中消耗的不同品種、不同含熱量的能源按各自不同的含熱量折合成標準煤進行各方案的節(jié)能減排量的計算，進而比較對環(huán)境的影響。標準煤發(fā)熱量取29307.6kJ/kg，天然氣熱值取35.6MJ/m3；1 kWh電折合0.404kg標準煤；1Nm3天然氣折合1.33kg標準煤。根據(jù)上述資料，可以計算得到3種方案的耗電量、一次能源消耗量、折合二氧化碳排放量以及系統(tǒng)的運行費用[5]，見表5。

從環(huán)境效益來看，該項目空調冷熱源若采用土壤源、水源熱泵系統(tǒng)，因省去了燃氣鍋爐系統(tǒng)，每年大氣污染物減排效果明顯，如圖2所示。特別是采用水源熱泵系統(tǒng)，每年可少排放二氧化碳37000kg，二氧化硫606kg，氮氧化合物855kg，煙塵526kg。按照一棵樹每年可吸收110kg二氧化碳計算，每年減少的二氧化碳排放量相當于種植了377棵樹。由此可見，采用水源熱泵系統(tǒng)的環(huán)境效益更顯著。

表5 不同空調系統(tǒng)的估算能耗與年運行費用對比表

圖2 土壤源熱泵、水源熱泵相對于常規(guī)冷熱源的年污染物減排量

五、總結

通過以上比較計算不難發(fā)現(xiàn)，采用可再生能源的冷熱源方案對辦公樓進行制冷供熱，在減少運行費、一次能源消耗量、二氧化碳排放量及減少大氣污染、保護環(huán)境等方面有巨大的潛力。特別是水源熱泵系統(tǒng)，初投資相對增加不大，但其經濟效益和環(huán)境效益都特別顯著，在有條件的情況下，推薦優(yōu)先選用。同時也要注意，在選用土壤源、水源熱泵時，要根據(jù)工程的詳細勘察結果，評價其可行性；若采用水源熱泵，還應采取有效的過濾、滅藻、除垢、防腐等措施，保證供給水質，并應有可靠的回灌措施。

[1]國家住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB 50189-2015公共建筑節(jié)能設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2]國家建設部，國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50366-2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]呂楠.地表水水源熱聚空調系統(tǒng)的熱力性能仿真及節(jié)能運行研究[D].南京:東南大學，2016.

[4]張孝鼎，黃金美，劉以龍，貢太瑞.地源熱泵系統(tǒng)建筑應用能效測評案例分析[J].建筑節(jié)能，2016（3）：86-87.

[5]劉天偉，杜塏.水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)應用于綜合辦公建筑的節(jié)能性研究[J].暖通空調，2010（12）：51-54.

[6]安淑名，楊晶.工程經濟[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

（編輯：申小中徐永生）

Benefits of Air Conditioning System Using Renewable Energy:A Comparative Analysis

ZHANG Min
(Suzhou Institute of Trade and Commerce,Suzhou 215009,China)

By comparing the conventional air conditioning system with the ground source heat pump and water source heat pump in terms of initial investment,annual operating cost,amount of non-renewable energy consumption reduced,CO2 emission,and air pollutant emission,the paper comes to the conclusion that air conditioning system using renewable energy excels obviously in energy saving and emission reduction.Particularly,the water source heat pump system is more economic and environment-friendly,which is recommended to be the first option if possible.

renewable energy;heat bump;economic analysis

BT 657.2

A

1671-4806（2017）03-0084-04

2017-03-02

蘇州經貿職業(yè)技術學院中央財政支持建設項目

張敏（1980—），女，江蘇常熟人，講師，碩士，研究方向為制冷空調節(jié)能、計算機技術。