劉亞軍 朱洪發(fā) 劉煒 張肖敏 張明創(chuàng)

1高速集團(tuán)寶漢公司漢中建設(shè)管理處

2西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

長期以來， 高速公路沿線房建設(shè)施大多采用燃煤鍋爐實現(xiàn)供暖， 對空氣的污染非常嚴(yán)重。隨著國家和省政府對環(huán)保方面的政策和執(zhí)行力度逐漸加強(qiáng)， 使得改造站點燃煤鍋爐成了亟待解決的問題， 為此， 高速公路沿線房建設(shè)施需尋求節(jié)能環(huán)保性強(qiáng)的冷熱源方案。地源熱泵和多聯(lián)機(jī)等節(jié)能性空調(diào)系統(tǒng)在住宅和辦公建筑中得到了較快的發(fā)展與應(yīng)用， 目前也逐步應(yīng)用到高速公路房建中 [1] 。本文采用綜合模糊評判法， 對某一高速房建站點實例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的綜合評價， 以期選擇適合該站點的冷熱源方案。

1 高速公路沿線房建設(shè)施的特點

按照 《陜西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》， 目前陜西路網(wǎng)總規(guī)模達(dá) 8080 公里[2]， 總體呈 “米” 字形框架， 高速公路覆蓋全省所有的縣 （市、 區(qū)）， 具體站點如圖1。

1） 房建類型。按使用功能分類， 高速公路沿線房建設(shè)施可分為匝道收費(fèi)站，高速管理所和高速服務(wù)區(qū)。按服務(wù)對象分類， 房建設(shè)施可分為對內(nèi)型建筑， 對外型建筑。對內(nèi)型建筑主要是為高速公路管理和服務(wù)人員服務(wù)的， 建筑區(qū)包括管理分公司， 高速公路管理所，主線收費(fèi)站和匝道收費(fèi)站。對外型建筑主要是為高速來往車輛與旅客服務(wù)的， 主要包括高速服務(wù)區(qū)和停車區(qū)。

2） 建筑規(guī)模。不同的房建類型其建筑面積不同。收費(fèi)站和停車區(qū)等房建站點，建筑面積主要集中在150～4000m2， 服務(wù)區(qū)和管理所等房建站點， 建筑面積主要集中在 4000～20000m2。由于收費(fèi)站內(nèi)的收費(fèi)人員和路政執(zhí)法人員流動性強(qiáng)，這些人員采用輪班制，負(fù)責(zé)站外的收費(fèi)棚和該管轄區(qū)域間的路面及安全設(shè)施的養(yǎng)護(hù)工作， 因此建筑規(guī)模較其他房建類型相比小很多。

3） 既有采暖形式及特點。陜西高速集團(tuán)公司目前采暖設(shè)備共有燃煤鍋爐 165 臺， 燃?xì)忮仩t 12 臺， 燃油鍋爐2臺， 空調(diào)2組。主流采暖形式為燃煤鍋爐系統(tǒng)，然而其能源利用率低， 小型燃煤鍋爐的燃燒效率僅有60%左右， 設(shè)備使用壽命短， 大約在 5～6 年 [3] ， 對環(huán)境的污染嚴(yán)重， 因此高速房建站點采暖需進(jìn)行燃煤鍋爐的改造。

圖1 陜西省高速公路途經(jīng)城市站點分布

2 冷熱源方案分析

由于高速公路房建設(shè)施占地面積大，容積率小，擁有著豐富的地下水資源， 可考慮使用地下水源熱泵系統(tǒng)。建筑類型多樣， 存在負(fù)荷錯峰性， 因此考慮多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)。而建筑規(guī)模小， 其傳統(tǒng)冷熱源方式為燃煤鍋爐加分體空調(diào)系統(tǒng)， 出于改造的方便性， 可以將燃煤鍋爐替換成燃油鍋爐。因此， 高速公路沿線房建設(shè)施供暖空調(diào)系統(tǒng)備選可用的冷熱源方案有： 地下水源熱泵系統(tǒng)， 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)和燃油鍋爐加分體空調(diào)系統(tǒng)。三種冷熱源方案運(yùn)行可靠性分析對比結(jié)果見表1。

表1 三種備選冷熱源方案運(yùn)行可靠性分析對比

在運(yùn)行風(fēng)險方面， 地下水源熱泵主要包括熱貫通和回灌堵塞問題 [4-5] ， 出現(xiàn)熱貫通現(xiàn)象會導(dǎo)致機(jī)組的性能下降， 回灌堵塞問題嚴(yán)重時會出現(xiàn)溢井現(xiàn)象[6]， 系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險主要是機(jī)組維護(hù)不到位導(dǎo)致機(jī)組性能下降嚴(yán)重。而燃油鍋爐在運(yùn)行過程中本體易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象， 存在一定的安全隱患， 分體空調(diào)機(jī)使用已經(jīng)非常成熟， 風(fēng)險出現(xiàn)的幾率較低。

在運(yùn)行維護(hù)方面， 地下水源熱泵系統(tǒng)需定期洗井與回?fù)P， 同時要解決結(jié)垢問題， 管理運(yùn)行較為復(fù)雜， 需培訓(xùn)專門的技術(shù)人員進(jìn)行管理。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)基本不需要專門的技術(shù)人員來管理， 其自帶自控系統(tǒng)就可以滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。燃油鍋爐加分體空調(diào)器系統(tǒng)， 運(yùn)行管理主要在于鍋爐系統(tǒng)， 鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)人員需持特種設(shè)備操作證上崗 [7] 。

在運(yùn)行調(diào)控方面， 地下水源熱泵運(yùn)行時通過機(jī)組，水泵和末端的協(xié)同調(diào)控，系統(tǒng)自動化程度高。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)具有部分負(fù)荷下的自動調(diào)控能力， 通過其自帶的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)變負(fù)荷調(diào)控， 室內(nèi)末端空調(diào)房間可根據(jù)自身負(fù)荷需求自行選擇空調(diào)的啟停。燃油鍋爐具有自動化的燃燒與控制系統(tǒng)， 燃燒器電子自動點火， 然而冬季供暖鍋爐全天24小時開放， 室內(nèi)末端無法調(diào)控。

3 綜合性評價

3.1 工程概況

以陜西高速集團(tuán)漢川分公司管理分中心為例作為建筑模型， 分析不同地區(qū)各冷熱源系統(tǒng)的具體參數(shù)。該管理分中心建筑面積為 5345m2，主體房建有辦公樓， 宿舍樓和餐廳。其中， 辦公樓 2888m2， 宿舍樓1842m2， 餐廳390m2。經(jīng)DeST軟件模擬計算后可得，該站點所需供冷量為 222007 kW· h，所需供熱量為158327 kW · h。

該管理分中心地處漢江北岸， 褒河?xùn)|岸， 地貌屬褒河二級階梯， 地表水和地下水較為豐富， 滿足地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的條件， 同時站點地處夏熱冬冷地區(qū)， 冬季溫度一般在0 ℃以上，冬季不會影響多聯(lián)機(jī)運(yùn)行效率，因此多聯(lián)機(jī)也是可行的。燃油鍋爐加分體空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用不受限制。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

采用壽命周期費(fèi)用成本法LCC（Life Cycle Cost）對各比選方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價 [8] 。壽命周期成本法是把供暖空調(diào)系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)所有的成本， 包括初投資、 運(yùn)行能耗費(fèi)用等通過選擇貼現(xiàn)率， 把未來的成本價值貼現(xiàn)為與之等值的現(xiàn)值累加起來?？紤]到地下水地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的冷熱源系統(tǒng)壽命不相同， 因此采用費(fèi)用年值法對工程所選用的冷熱源方案進(jìn)行對比分析。費(fèi)用年值是指項目在壽命期內(nèi)的年費(fèi)用值， 按給定的折現(xiàn)率折算的平均值， 記作AC。具體計算公式如下：

式中：AC為費(fèi)用年值，元 /年；Cr為年運(yùn)行費(fèi)用，元 /年；(A/P,i,n) 為資金回收系數(shù)；(A/F,i,n) 為償債基金系數(shù)；Co為初投資，元；S為凈殘值（設(shè)備凈殘值率取5%），元 ；i為折現(xiàn)率；n為壽命周期，年 。

各系統(tǒng)初投資主要包括冷熱源，室 外管網(wǎng)和室內(nèi)末端設(shè)備三部分的初投資。根據(jù)項目管理人員提供的資料，包 括設(shè)備價格，安 裝費(fèi)用和建筑工程費(fèi)用等，計算得各系統(tǒng)的初投資。其中，地 下水源熱泵初投資還包括打井費(fèi)用。

運(yùn)行費(fèi)用包括系統(tǒng)運(yùn)行能耗費(fèi)用，運(yùn) 行管理費(fèi)和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)等。地下水源熱泵和多聯(lián)機(jī)全年的動力來源為電，當(dāng) 地電價為0.6元/kW· h 。燃油鍋爐加分體空調(diào)夏季耗電，冬季除循環(huán)水泵消耗少量電之外，其余能耗花費(fèi)主要來源于柴油。依據(jù)市場調(diào)研，柴 油價格為 6000 元 /t。表 2 給出了各系統(tǒng)的能耗計算結(jié)果，為 使結(jié)果具有可比性，將 不同系統(tǒng)的總能耗折算成標(biāo)煤消耗量。

表2 各系統(tǒng)能耗計算結(jié)果

表3 不同系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用及費(fèi)用年值統(tǒng)計表

表 3給出了各系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用， 經(jīng)計算得出各系統(tǒng)的費(fèi)用年值。費(fèi)用年值越低，表示系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性越好。

由圖2可知，以地下水源熱泵的各經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為1， 發(fā)現(xiàn)地下水源熱泵初投資最大， 然而其運(yùn)行費(fèi)用小且壽命長， 費(fèi)用年值最小， 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。燃油鍋爐雖初投資僅為地下水源熱泵的0.62，而其運(yùn)行費(fèi)用卻又高出了0.96， 總體費(fèi)用年值最高， 經(jīng)濟(jì)性最差。多聯(lián)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性介于兩者之間。

圖2 各系統(tǒng)費(fèi)用指標(biāo)比例示意圖

3.3 節(jié)能性分析

由于各系統(tǒng)運(yùn)行消耗的能源類型不同， 為保證可在同一平臺上進(jìn)行比較， 常常將系統(tǒng)能耗折算成一次能源進(jìn)行比較，即換算成標(biāo)煤的形式。節(jié)能性評價一般以節(jié)能率作為節(jié)能性評價的指標(biāo)， 節(jié)能率的計算公式如下：

式中：SEP為節(jié)能率；CEc為傳統(tǒng)燃煤鍋爐加分體空調(diào)系統(tǒng)一次能源消耗量，tce；CEg為待評價系統(tǒng)的一次能源消耗量， tce。

若該工程項目使用燃煤鍋爐加分體空調(diào)系統(tǒng)， 燃煤鍋爐效率為0.6， 無煙煤熱值為 25.09 MJ/kg， 經(jīng)計算冬季消耗47.33 t無煙煤， 折合標(biāo)煤量為80.49 tce。 表4給出了各系統(tǒng)的節(jié)能量和節(jié)能率， 發(fā)現(xiàn)地下水源熱泵的節(jié)能率最高， 達(dá) 36.97%， 燃油鍋爐的節(jié)能率最低， 為16.81%。

表4 各系統(tǒng)節(jié)能量和節(jié)能率計算結(jié)果

3.4 模糊綜合評判

模糊綜合評判方法在處理各種難以用精確數(shù)學(xué)方法描述的復(fù)雜系統(tǒng)問題方面有著獨特的優(yōu)越性。該方法的主要步驟詳見文獻(xiàn)[9]。本文引入無量綱數(shù)—— —優(yōu)度， 表示定量因素和定性因素在分析各種供暖方式中的相對優(yōu)勢， 其值介于0到1之間。 確定出各因素的權(quán)重后， 計算各因素的優(yōu)度的加權(quán)和， 便得出綜合優(yōu)度， 綜合優(yōu)度最大即為最優(yōu)。這里選取經(jīng)濟(jì)效益和社會效益作為評價因素， 則綜合優(yōu)度計算公式如下：

式中：M為綜合優(yōu)度；MCj、MEj分別代表第j種供暖空調(diào)方式的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)度，社會效益優(yōu)度；α1、α2分別為MCj、MEj的權(quán)重值。

圖 3 給出了不同決策類型下各系統(tǒng)的綜合優(yōu)度值，經(jīng)濟(jì)效益主導(dǎo)型表示決策者更看重經(jīng)濟(jì)效益，α1與α2之比為2:1，社會效益主導(dǎo)型則相反，均衡型α1與α2之比為1:1。結(jié)果可知，不 論在哪種決策形式下，地下水源熱泵系統(tǒng)均為最優(yōu)，表 明該管理所最適宜的冷熱源方案為地下水源熱泵系統(tǒng)。

圖3 不同決策類型下各系統(tǒng)的綜合優(yōu)度值

4 結(jié)論

1） 三種冷熱源方案中， 地下水源熱泵系統(tǒng)初投資較高， 而其運(yùn)行費(fèi)用卻較低， 總體費(fèi)用年值最小， 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)， 同時其節(jié)能率最高， 在高速公路房建設(shè)施中可優(yōu)先考慮該節(jié)能高效系統(tǒng)。

2） 地下水源熱泵系統(tǒng)綜合性最好， 然而其使用要受到當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)的限制， 在水文地質(zhì)條件不適宜地下水源熱泵系統(tǒng)時， 可優(yōu)先考慮多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)由于運(yùn)行維護(hù)簡單，風(fēng)險小且調(diào)控能力較強(qiáng)， 其運(yùn)行可靠性程度高。

參考文獻(xiàn)

[1] 任龍江,劉坤,張發(fā)如.淺談地源熱泵技術(shù)在高速公路房間區(qū)的應(yīng)用[J].青海交通科技,2013,(1):24-28.

[2] 王非.打造陜西高速公路網(wǎng)[J]. 西部大開發(fā),2009,(2):51-52.

[3] 張云龍.高速公路沿線房建設(shè)施利用地下水源熱泵適宜性研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2015.

[4] 胡繼華,張延軍,于子望.水源熱泵系統(tǒng)中地下水流貫通及其對溫度場的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)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] 張群力,王晉.地源和地下水源熱泵的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用過程中的問題分析[J].流體機(jī)械,2003,(5):50-54.

[7] 李惠, 張劍. 鍋爐的安全運(yùn)行管理與維護(hù)保養(yǎng)[J].山東工業(yè)技術(shù),2016,5(15):78-79.

[8] 房華榮.基于壽命周期成本 （LCC） 的暖通空調(diào)方案選擇的應(yīng)用研究[D].西安:長安大學(xué),2008.

[9] 李麗王樂樂.基于模糊綜合評價的集中供熱方案選擇[J].區(qū)域供熱,2013,(4):83-88.