杜賽賽,張 勇,劉 軒,薛 函,張學(xué)弟

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

中國地?zé)豳Y源豐富，0～3 km深度區(qū)間我國的地?zé)崮芰吭? 000～50 000億t標(biāo)煤[1]。在“碳達(dá)峰”、“碳中和”行動(dòng)目標(biāo)背景下，地?zé)崮茏鳛?1世紀(jì)能源開發(fā)戰(zhàn)略中重要的可再生能源之一，具有綠色、低碳、可循環(huán)利用等特點(diǎn)[2-4]。

中深層地?zé)崮芟噍^于傳統(tǒng)的淺層地?zé)崮?，熱流密度大、出水溫度高，具有較大的開發(fā)利用潛力，先后有眾多學(xué)者針對(duì)其開展研究[5-8]。但是利用中深層地?zé)崮芄┡?，初投資較高。為提高經(jīng)濟(jì)性及合理性，通常以中深層地?zé)崮転榛A(chǔ)熱源，其他輔助熱源作為調(diào)峰，因此中深層供暖設(shè)計(jì)負(fù)荷配比的確定至關(guān)重要。選擇陜西省西安市的某辦公建筑為研究對(duì)象，分析不同設(shè)計(jì)負(fù)荷比時(shí)中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)的運(yùn)行能耗、經(jīng)濟(jì)性及其所引起的環(huán)境污染物排放情況，探索西北半干旱氣候下地?zé)崮芘c燃?xì)忮仩t耦合供暖系統(tǒng)的合理構(gòu)建，為西北地區(qū)地?zé)崮艿暮侠砝锰峁┙梃b。

1 工程概況

西安市位于陜西省關(guān)中平原，屬于寒冷地區(qū)，海拔397.5 m，全年平均溫度13.7 ℃，冬季供暖室外計(jì)算溫度為-3.4 ℃，供暖期共121 d/a。以西安市2座典型6層辦公樓(供暖面積21 792 m2)及20萬m2辦公建筑群為研究對(duì)象進(jìn)行分析，建筑的外墻、外窗、外門和屋面的傳熱系數(shù)分別為0.483、2.5、2.5、0.435 W/(m2·K)。

2 主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算方法

2.1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測(cè)是建筑的供暖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通常，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷按照最不利即最冷時(shí)的熱負(fù)荷選取，以保證系統(tǒng)的有效運(yùn)行。但實(shí)際熱負(fù)荷是隨著室外環(huán)境參數(shù)的變化而逐漸變化的，大多數(shù)情況的熱負(fù)荷低于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，因此，動(dòng)態(tài)模擬建筑物的負(fù)荷變化情況對(duì)供暖方案設(shè)計(jì)具有重要的意義[9-10]。采用傳統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法及華電源HDY-SMAD負(fù)荷軟件動(dòng)態(tài)模擬，分別計(jì)算該辦公樓的熱負(fù)荷，對(duì)比分析得出建筑的年耗熱量。

2.2 運(yùn)行能耗計(jì)算

考慮熱源能耗為供暖系統(tǒng)的主要能耗，將熱源能耗作為供暖系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

設(shè)供暖系統(tǒng)每年向熱用戶提供的熱量為Q(kJ/a)。中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)主要耗能為電，燃?xì)忮仩t系統(tǒng)主要耗能為天然氣，計(jì)算方法如下：

(1) 中深層地?zé)崮芎碾娏?/p>

(1)

上式中：E為中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)的耗電量，kJ/a；COP為中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)的性能系數(shù)，取5.0。

(2) 燃?xì)忮仩t的天然氣耗量

(2)

上式中：F為燃?xì)忮仩t的天然氣耗量，(Nm3)/a；q為天然氣的低位發(fā)熱量，kJ/Nm3，取33 240 kJ/Nm3；η為燃?xì)忮仩t效率，取90%。

為方便比較中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)各方案的能耗，將電力、天然氣統(tǒng)一折算成標(biāo)準(zhǔn)煤。電力的折算系數(shù)為0.404 kg/kWh，天然氣的折算系數(shù)是1.214 kg/ Nm3[11]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

針對(duì)陜西省西安市的某典型6層辦公樓(供暖面積10 896 m2)，采用傳統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法及華電源軟件動(dòng)態(tài)模擬法分別計(jì)算該辦公樓的熱負(fù)荷，用傳統(tǒng)方法計(jì)算得該辦公樓的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為1 215 kW，華電源動(dòng)態(tài)計(jì)算得供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷變化情況如圖1所示，熱負(fù)荷頻率分布如圖2所示。由圖可知，供暖季熱負(fù)荷為逐時(shí)波動(dòng)，不斷變化的；負(fù)荷區(qū)間0～200 kW出現(xiàn)的總小時(shí)數(shù)為1 855 h，而負(fù)荷區(qū)間1 200～1 300 kW出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)僅為15 h，即設(shè)計(jì)熱負(fù)荷所占時(shí)間較短，供暖季熱負(fù)荷大多遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷，因此采用動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷計(jì)算供暖季耗熱量，進(jìn)而計(jì)算各種供暖方案的燃料耗量。假設(shè)辦公建筑的人員活動(dòng)時(shí)間為8:00-20:00，則計(jì)算辦公建筑全年耗熱量時(shí)僅計(jì)算8:00-20:00時(shí)段。6層辦公樓的全年耗熱量為2 965.2 GJ，20萬m2辦公建筑群的全年耗熱量為2 5941.8 GJ。

3.2 方案比較

針對(duì)陜西省西安市的2座典型6層辦公樓(供暖面積21 792 m2，設(shè)計(jì)負(fù)荷2 430 kW，全年耗熱量為5 930.4 GJ)，及辦公建筑群(供暖面積20萬m2，設(shè)計(jì)負(fù)荷12 000 kW，全年耗熱量為25 941.8 GJ)采用中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)，中深層地?zé)崮転橹饕┡療嵩?，燃?xì)忮仩t為輔助或調(diào)峰熱源。采用無干擾(同軸套管)地?zé)崛峒夹g(shù)，單井取熱量為400 kW，結(jié)合辦公建筑實(shí)際負(fù)荷，分別對(duì)中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為0、17%、33%、50%、67%、83%、100%這7種情況時(shí)系統(tǒng)的耗電量、耗氣量及折算標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，各燃料耗量變化趨勢(shì)如圖3、4所示。

由圖3、4可知， 2座6層辦公樓僅用燃?xì)忮仩t供暖時(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量為152.27 t，僅用中深層地?zé)崮芄┡瘯r(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量為107.50 t ，比燃?xì)忮仩t節(jié)省的標(biāo)煤占比約為29.40%；20萬m2辦公建筑群僅用燃?xì)忮仩t供暖時(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量為1 057.86 t，僅用中深層地?zé)崮芄┡瘯r(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量為582.16 t，比燃?xì)忮仩t節(jié)省的標(biāo)煤占比約為44.97%，即中深層地?zé)崮鼙热細(xì)忮仩t更加節(jié)能，且建筑規(guī)模越大，節(jié)能節(jié)省標(biāo)煤占比越大。

隨著中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加，耗電量逐漸增加，在設(shè)計(jì)負(fù)荷比增至0.5后變化逐漸趨于平緩；同樣，天然氣耗量隨著中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加而逐漸減小，增至0.5后天然氣耗量變化趨于平緩。將其折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，可得標(biāo)煤耗量隨中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加而逐漸減小，且在增至0.5后天然氣耗量變化趨于平緩。

綜合分析，對(duì)于辦公建筑，中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)中，各自承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為50%是可以接受的。此時(shí)，2座6層辦公樓標(biāo)煤耗量為117.48 t，相對(duì)于純?nèi)細(xì)忮仩t系統(tǒng)能耗節(jié)省了22.85%，而相對(duì)于能耗最小的純中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)僅增加了9.28%；20萬m2辦公建筑群標(biāo)煤耗量為619.50 t，相對(duì)于純?nèi)細(xì)忮仩t系統(tǒng)能耗節(jié)省了41.44%，而相對(duì)于能耗最小的純中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)僅增加了6.41%。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)西安市市場(chǎng)調(diào)研及以往工程的投資費(fèi)用估算，每口中深層地?zé)崮芫畬?duì)應(yīng)的初投資約為300萬元；1噸燃?xì)忮仩t的初投資約30萬元。為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)的初投資按各系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷比加權(quán)計(jì)算。西安市的能源價(jià)格為電價(jià)0.50元/kWh；天然氣2.2元/Nm3，辦公建筑供暖收費(fèi)：7.5元/m2。

針對(duì)上述2座6層辦公樓及20萬m2辦公建筑群，采用不同負(fù)荷配比的中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)，計(jì)算初投資、運(yùn)行費(fèi)用，采用投資內(nèi)部收益率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值及動(dòng)態(tài)投資回收期財(cái)務(wù)指標(biāo)評(píng)價(jià)各方案經(jīng)濟(jì)可行性，根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》(第三版)基準(zhǔn)收益率取6%，計(jì)算期21 a，其中建設(shè)期1 a，運(yùn)行期20 a。當(dāng)投資內(nèi)部收益率大于6%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值大于0；動(dòng)態(tài)投資回收期較短時(shí)，表明方案具有一定的盈利能力，財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)可行。不同能源配比經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果見表1～2。由表1、2可得，中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)占比越高，項(xiàng)目前期建設(shè)投資越大，年運(yùn)行所消耗的天然氣等成本越低，經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)越差。

表1 2座6層辦公樓經(jīng)濟(jì)性分析

表2 20萬m2辦公建筑群經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于2座6層辦公樓，當(dāng)中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比大于等于33%時(shí)，投資內(nèi)部收益率小于6%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為負(fù)值，動(dòng)態(tài)投資回收期大于20 a，方案在經(jīng)濟(jì)上不可行。對(duì)于20萬m2辦公建筑群，當(dāng)中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比大于等于67%時(shí)，投資內(nèi)部收益率小于6%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為負(fù)值，動(dòng)態(tài)投資回收期大于20 a，方案在經(jīng)濟(jì)上不可行。

綜合對(duì)比分析，當(dāng)辦公建筑規(guī)模較小(2座6層辦公樓)時(shí)，不宜采用中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)，當(dāng)辦公建筑規(guī)模較大(20萬m2辦公建筑群)時(shí)，適宜采用中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)，且中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為50%時(shí)是可接受的，此時(shí)的投資內(nèi)部收益率為7.57%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為568.35萬元，動(dòng)態(tài)投資回收期為17.19 a。

3.4 環(huán)境效益分析

針對(duì)20萬m2辦公建筑群，采用不同設(shè)計(jì)負(fù)荷配比的中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)時(shí)，每年的CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量如圖5所示[12]。由圖可得，中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為0時(shí)，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量為最大值，分別為：2 172 t、2 735 kg、1 101 kg、920 kg，隨著中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比的增加，CO2、SO2、NOX及PM2.5的排放量均逐漸減少，且在設(shè)計(jì)負(fù)荷比增至0.5后變化逐漸平緩。

從燃料耗量和引起的污染物排放情況分析，中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)中，各自承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為50%是可接受的，此時(shí)CO2、SO2、NOX及PM2.5年減排量分別為：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。

4 結(jié) 論

以上針對(duì)陜西省西安市的某典型辦公建筑，分析了中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)、燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的供暖運(yùn)行能耗、經(jīng)濟(jì)性分析及其所引起的環(huán)境污染物排放情況，具體結(jié)論如下：

(1) 對(duì)于辦公建筑，用傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷值在全年出現(xiàn)的時(shí)間較短，供暖季熱負(fù)荷大多為部分負(fù)荷，計(jì)算供暖季耗熱量時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷。

(2) 中深層地?zé)崮芄┡到y(tǒng)比燃?xì)忮仩t更節(jié)能，且建筑規(guī)模越大，節(jié)能節(jié)省標(biāo)煤占比越大，2座6層辦公樓僅用中深層地?zé)崮芄┡瘯r(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量比僅用燃?xì)忮仩t節(jié)省約29.40%；20萬m2辦公建筑群僅用中深層地?zé)崮芄┡瘯r(shí)，一個(gè)供暖季標(biāo)煤耗量比僅用燃?xì)忮仩t節(jié)省約44.97%。

(3) 當(dāng)辦公建筑規(guī)模較小時(shí)(2座6層辦公樓)，不宜采用中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)，當(dāng)辦公建筑規(guī)模較大時(shí)(20萬m2辦公建筑群)，適宜采用中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)，綜合考慮能耗、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等因素，中深層地?zé)崮艹袚?dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為50%時(shí)是可接受的。

(4) 對(duì)于20萬m2辦公建筑群分別從燃料耗量和引起的污染物排放情況分析，中深層地?zé)崮芎腿細(xì)忮仩t聯(lián)合供暖系統(tǒng)中，各自承擔(dān)設(shè)計(jì)負(fù)荷比為50%是可接受的，此時(shí)系統(tǒng)標(biāo)煤耗量相對(duì)于純?nèi)細(xì)忮仩t系統(tǒng)能耗節(jié)省了41.44%，而相對(duì)于能耗最小的純中深層地?zé)崮芟到y(tǒng)增加了6.41%；投資內(nèi)部收益率為7.57%，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為568.35萬元，動(dòng)態(tài)投資回收期/為17.19 a；CO2、SO2、NOX及PM2.5年減排量分別為：900 t、1 133 kg、456 kg、381 kg。