石宏巖

（赤峰學(xué)院 資源環(huán)境與建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

現(xiàn)今全世界各國高度重視二氧化碳排放的問題，2020年9月22日習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上講話時鄭重承諾，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。北方地區(qū)建筑行業(yè)取暖是二氧化碳排放的“主力軍”，合理的減排受到行業(yè)專家的普遍關(guān)注，本文基于赤峰學(xué)院供暖的實際運行參數(shù)，分析換熱站的平衡性，采用火用效率和火積耗散來對比兩個換熱站的優(yōu)劣，結(jié)合采暖熱指標(biāo)推導(dǎo)出學(xué)院南站可繼續(xù)擴容的面積，采用吸收式熱泵降低一次網(wǎng)回水溫度，可以最優(yōu)化利用好采暖熱源，減少碳排放。

1 供熱基本信息

赤峰學(xué)院是2003年經(jīng)教育部批準(zhǔn)組建的一所全日制普通本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)高校，現(xiàn)校內(nèi)占地面積1 112畝，共有29棟標(biāo)準(zhǔn)樓，部分附屬平房，建筑供暖面積23.38萬m2。赤峰位于內(nèi)蒙古東部地區(qū)，東經(jīng)118°，北緯42°，海拔610 m，冬季月歷史最低溫度達到零下27℃，供暖季為每年10月15日～次年4月15日，共計182 d，采暖期平均溫度-10～3℃，冬季較為寒冷。查閱《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》[2]，赤峰地區(qū)，冬季室內(nèi)采暖設(shè)計溫度18℃，設(shè)計熱指標(biāo)35 W/m2。學(xué)院自2018年將熱源校內(nèi)供熱鍋爐房取消，接入城市集中供熱熱源模式，現(xiàn)校內(nèi)建有兩座換熱站：學(xué)院北站和學(xué)院南站。其中學(xué)院北站，位于崇文樓、明雅樓和崇德樓中間，占地面積170 m2；學(xué)院南站，位于崇仁樓的西北角，占地面積170 m2。根據(jù)功能性將現(xiàn)今學(xué)校的標(biāo)準(zhǔn)樓分為教學(xué)、生活、行政3個大類，其具體建筑面積和年限見表1至表3。

表1 教學(xué)區(qū)域

表2 生活區(qū)域

表3 行政區(qū)域

教學(xué)樓總面積約為9.03萬m2，位置零散地分布于學(xué)院內(nèi)部，其中學(xué)院北站負責(zé)：崇文樓、明雅樓、博遠樓、和雅樓、崇實樓、綜藝館和綜合體育館，共計7棟教學(xué)樓，供熱總面積約為3.01萬m2。其余5棟教學(xué)樓由學(xué)院南站負責(zé)供熱，合計面積約為6.02萬m2。

生活（住宿）的建筑集中分布在學(xué)院內(nèi)部北面，共計10棟，全部由學(xué)院北站負責(zé)供熱，總供熱面積8.46萬m2，其中德園1-4號公寓樓后期改造增加了建筑保溫材料，德園8號和9號公寓樓為2014年投資建設(shè)的節(jié)能建筑。生活（餐飲）功能的建筑集中分布在學(xué)院西側(cè)，健體館旁建筑、觀止園和嘉禾園均由學(xué)院南站負責(zé)，供熱面積約為0.69萬m2。珍和園和大學(xué)生服務(wù)中心，由學(xué)院北站負責(zé)，供熱面積約為0.83萬m2。

行政功能的建筑位于學(xué)院內(nèi)東中部，其中崇德樓、博物館由學(xué)院北站負責(zé)，供熱面積約為0.81萬m2，其余樓由學(xué)院南站負責(zé)，供熱面積約為3.55萬m2。

對上述供熱面積做合計計算，學(xué)院南站負責(zé)供熱面積總計：10.27萬m2，學(xué)院北站負責(zé)供熱面積總計：13.11萬m2，學(xué)院總供暖面積23.38萬m2。

2 換熱站現(xiàn)狀

2.1 站內(nèi)設(shè)備基本參數(shù)

換熱器：型號（SUS316），換熱面積100 m2（三臺換熱器并聯(lián)），設(shè)計壓力1.6 MPa，試驗壓力2.0 MPa，設(shè)計最高承載溫度150℃。

變頻式循環(huán)水泵：學(xué)院北站型號（GLC1500-30kW/4），功率30 kW，額定流量375 T/h，水泵揚程20 m。學(xué)院南站型號（GLC150-250-18.5kW/4），功率18.5 kW，額定流量220 T/h，水泵揚程20 m，運行模式均為一備一用，在應(yīng)急預(yù)案中啟用。

站內(nèi)補水泵：型號MV20-4，揚程47 m，流量20 T/h，南站與北站均采用一備一用原則。

2.2 2018-2019年供暖季實測數(shù)據(jù)

兩個換熱站的熱水普通換熱器前后均安裝了測量溫度與流量的測試探頭，可在供熱時導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，以方便運行調(diào)試和數(shù)據(jù)分析。換熱站該供暖季的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表4。

表4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3 供熱平衡及潛能分析

3.1 流量分析

根據(jù)供暖面積熱指標(biāo)法來估算建筑的供暖熱負荷Qh，兩個換熱站的供暖面積參照前文數(shù)據(jù)。

學(xué)院南站熱負荷：Qh=10.27萬×35 J=359.45萬J

學(xué)院北站熱負荷：Qh=13.11萬×35 J=458.85萬J

依據(jù)上節(jié)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算流量，對于換熱器的換熱量可由以下公式進行計算[3-4]：

式中：Q是傳遞的熱量，單位W；M為質(zhì)量流量，單位kg/s；cp是工質(zhì)的定壓比熱容，單位kJ/（kg·K），本文工質(zhì)是水，其定壓比熱容具體隨溫度變化的數(shù)據(jù)可查閱參考文獻[5]；ΔT為計算換熱段口的進出口溫差，單位K。根據(jù)公式（1），同時進行單位的換算，得到關(guān)于G為質(zhì)量流量，單位T/h的計算公式：

分別計算一次網(wǎng)和二次網(wǎng)兩個換熱站的流量，cp采用線性插值（t1和t2的平均值作為工質(zhì)物性參數(shù)，查找參考文獻[4]的數(shù)據(jù)），結(jié)合上述數(shù)據(jù)帶入公式（2）進行計算，結(jié)果匯總見表5。

表5 流量計算

對比平均流量可得到，兩個換熱站的一二次網(wǎng)，采用熱指標(biāo)法換算出的數(shù)值全部都要比實際運行的參數(shù)大，這就說明設(shè)計的流量要大于實際運行的流量，從而留給了一二次管網(wǎng)的可調(diào)節(jié)和擴容的空間，現(xiàn)今的兩個換熱站能夠滿足樓宇的供熱需求。對于南站的流量最值而言，一次網(wǎng)的實際運行略小于換算結(jié)果，二次網(wǎng)實際運行比運行參數(shù)大一倍的流量，這表明南站的一次網(wǎng)具有過度的供熱能力，二次網(wǎng)由于不合理的調(diào)節(jié)和熱損失等原因，并沒有最大限度地用好一次網(wǎng)的供給熱量，在合理的調(diào)節(jié)二次管網(wǎng)、減少漏水、提高建筑保溫等的前提下，南站可以繼續(xù)提供新建樓宇的供熱。對比北站的流量最值結(jié)果，一次網(wǎng)實際運行比換算結(jié)果大6 T/h的流量，二次網(wǎng)實際運行比換算結(jié)果大120 T/h的流量，這表明在極端的天氣下，北站的一次網(wǎng)換熱略有不足，二次網(wǎng)換熱嚴(yán)重不足，考慮到在嚴(yán)寒期時學(xué)校學(xué)生有45 d左右的寒假，北站供暖的宿舍區(qū)并不會過多對熱量產(chǎn)生需求，這也是現(xiàn)今學(xué)生宿舍并沒有受到影響的原因所在，但是北站的供熱負荷可調(diào)節(jié)性遠不如南站的余量大，故而，以后對于北站的擴容需要進行更為詳細合理的計算校核，才能確定北站是否有繼續(xù)供熱新樓宇的可能。

3.2 換熱器分析

得到建筑熱負荷以后，結(jié)合換熱器參數(shù)就可以進行換熱面積的計算，根據(jù)參考文獻[5]熱量和換熱面積滿足如下關(guān)系：

式中：K為換熱器的傳熱系數(shù)，單位W/（m2·℃），本文采取K=2 000 W/（m2·℃）進行近似計算；A是換熱器的傳熱面積，單位m2；ΔT為對數(shù)平均溫差，單位K。其中ΔT的具體計算如下

式中：T′是一次網(wǎng)供回水的溫差，T″是二次網(wǎng)供回水的溫差。

由公式（3）可得到換熱器面積的計算式：

根據(jù)熱負荷結(jié)合公式（5）進行換熱器面積的計算：

上述只是粗算了換熱器的面積需求，并未考慮流動阻力、傳熱損失、污垢熱阻等影響因素。根據(jù)換熱器面積的計算結(jié)果，對于整個供暖季的平均值而言，采用兩臺換熱器即可滿足基本的熱負荷需求，兩個換熱站均可有一臺作為備用或者繼續(xù)為新建樓宇采暖。

3.3 火用分析

能量不僅有量的概念，還有品位的層次，“溫度對口、梯級利用”就顯得尤為重要。在能源轉(zhuǎn)換的過程中熱力學(xué)第二定律是不可違背的，而在熱力學(xué)中火用分析的方法可以作為能源品位的度量[6]。能質(zhì)系數(shù)λ作為能源地度量，即火用Ex與總能量Q的比值[7]：

能質(zhì)系數(shù)的具體物理意義可見參考文獻[7]，火用地計算可見參考文獻[6]，在此只給出能質(zhì)系數(shù)的計算式：

式中：T0為參考溫度，單位K，在熱力學(xué)分析時，常把0℃、20℃作為環(huán)境的參考溫度，本文取0℃，即273 K作為參考溫度。Ts是供水溫度，單位K。Tr是回水溫度，單位K。

熱交換過程的火用效率：

式中：λout為換熱器出口段能質(zhì)系數(shù)，λin為換熱器進口段能質(zhì)系數(shù)。

熱力站換熱器的火用損失計算。

比較兩個換熱站的火用效率，學(xué)院北站的火用效率72.3%要比學(xué)院南站火用效率71.4%略微大一點，也就是說學(xué)院北站的換熱效率更高，換熱器面積利用更充分一點。對于能質(zhì)系數(shù)而言，學(xué)院北站的λout=0.133更大，南站的λin=0.182更小，二者相比的火用效率可達到73.1%，這證明兩個換熱站都有提高火用效率的潛能。

3.4 火積耗散

火積是描述物體熱量傳遞能力的一種物理量，由清華大學(xué)過增元院士提出，物理意義是熱量傳遞的勢能[8]。熱量傳遞的過程是一個不可逆的過程，由熱力學(xué)第二定律可以得到這個結(jié)論，那么這種不可逆的度量就可以用火積耗散來表示，其數(shù)值的大小為熱量傳遞初狀態(tài)和終狀態(tài)的火積差值[9-10]。

以絕對零度為基準(zhǔn)時，火積的計算式為：

式中：En為工質(zhì)的火積，單位JK。Qvh是工質(zhì)的比熱容量，單位J/K。當(dāng)工質(zhì)的定壓比熱容cp為常數(shù)的時候，可將公式（9）化簡為：

式中：M是工質(zhì)的質(zhì)量，單位kg。

對于傳遞熱量為Q的傳熱網(wǎng)絡(luò)，其總的火積耗散En，dis可以整理為Q和等效溫差ΔT的乘積（具體推導(dǎo)過程見參考文獻[9]），即

對于逆流換熱器來說，應(yīng)用笛卡兒坐標(biāo)系表示出火積耗散，其橫坐標(biāo)為傳遞熱量Q，縱坐標(biāo)為溫度T，二者所圍成的面積就是火積耗散，如圖1所示。畫圖采用的是實際運行測量中的平均值數(shù)據(jù)，直接比較圖1中兩幅圖陰影部分面積的大小，就可以知道火積耗散的多少，可以得知，學(xué)院北站的換熱器比南站的換熱器耗散小一點，換熱效果更好，這也與火用分析相一致。

圖1 換熱器的火積耗散

3.5 擴容量計算

由上文可知，學(xué)院南站換熱量有富余部分，這部分熱量可以用來給新建樓宇擴容供熱。學(xué)院南站現(xiàn)今的實際測試一次網(wǎng)最大流量為52 T/h，采用熱指標(biāo)計算出的最大流量是57.41 T/h，也就是說有5.41 T/h的流量富余，結(jié)合熱指標(biāo)35 W/m2，取cp=4.174 kJ/（kg·K），ΔT=45K，根據(jù)公式（2），可以計算出富余的供暖面積為8.06萬m2，相當(dāng)于4.5個逸夫理工樓的供暖面積。在流量不變時，若增大一次網(wǎng)的供回水溫差，其換熱面積會顯著提高，呈現(xiàn)正相關(guān)性，而流量與采暖面積呈現(xiàn)負相關(guān)性，具體擴容采暖面積與溫差、流量關(guān)系的變化如圖2所示，溫差每提高1 K，采暖面積約增加0.18萬m2。

圖2 擴容量

3.6 熱泵應(yīng)用

對于學(xué)院北站而言供熱面積接近于飽和，如果想繼續(xù)擴容就要另辟蹊徑。以熱水為媒介的管網(wǎng)供熱，主要影響換熱能力的因素就是流量、溫差和定壓比熱容。水的定壓比熱容受溫度變化的影響不會太大，具體數(shù)據(jù)見參考文獻[5]或表5，相變工質(zhì)是可以在小溫差下改變定壓比熱容的材料，目前還處于實驗研發(fā)階段，并沒有得到應(yīng)用。當(dāng)一次網(wǎng)鋪設(shè)到學(xué)院北站以后，其管徑就已經(jīng)固定了，過大的流速必然會增大流動阻力，而且水泵的揚程有限制，所以一次管網(wǎng)能承載的流量也就受到了限制，那么就只有改變溫差以達到擴容的目的。一次網(wǎng)的供水受到熱源溫度的影響，過高的一次網(wǎng)溫度就需要更高品位的熱源，勢必會造成化石能源的過度消耗，二氧化碳排放量增加，現(xiàn)在國家在進行碳達峰、碳中和計劃，這與我國推出的政策不相符。那么就只剩下減小一次網(wǎng)回水溫度這一種方法了，吸收式熱泵技術(shù)的應(yīng)用就可以降低一次網(wǎng)回水溫度[10]，而且2021年10月24日國務(wù)院出臺的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中明確指出：因地制宜推進熱泵、燃氣、生物質(zhì)、地?zé)崮艿惹鍧嵉吞脊┡??？梢娫趪掖蠓较蛏?，熱泵供暖的計劃得到大力倡?dǎo)。對于學(xué)院北站，采用吸收式熱泵技術(shù)進行供暖，一次網(wǎng)回水目前最低可到25℃（298 K），在一次網(wǎng)供水溫度和二次網(wǎng)供回水溫度不變的前提下，重新計算火積耗散，如圖3所示。

圖3的火積耗散由兩部分組成：負面積如圖3中N所示，正面積如圖3中P所示。其中正面積是不可避免的火積耗散，而負面積則是通過降低一次網(wǎng)回水可以避免的耗散，負面積會抵消一部分正面積，這樣兩者構(gòu)成的面積之和就要比圖1（a）的常規(guī)換熱器小很多，可見采用吸收式熱泵供熱可以大幅度地降低火積耗散，進而提高供熱能力。由上文可知學(xué)院北站的火用效率是72.4%，現(xiàn)計算采用吸收式熱泵的火用效率為82.4%，直接提高了10%，可見吸收式熱泵的作用是很大的。所以在新建樓宇時建議采用吸收式熱泵進行采暖，不僅可以提高火用效率，而且可以降低碳排放。

圖3 熱泵的火積耗散

3.7 二氧化碳減排量計算

對于一次網(wǎng)而言，可將前文的學(xué)院北站減小的火積耗散換算為標(biāo)準(zhǔn)煤tce。由圖1中數(shù)據(jù)和公式（11），可以計算得到北站普通換熱器的火積耗散為：

計算采用吸收式熱泵的火積耗散，由圖3數(shù)據(jù)可知正負面積的交點溫度為313.65 K，熱量為0.725 Q，結(jié)合公式（11）進行計算，

正負面積的差值即為北站采用吸收式熱泵的火積耗散：

從上述的計算結(jié)果可得到，采用吸收式熱泵的火積耗散只有普通換熱器的0.42倍左右?？梢杂嬎愠霾捎梦帐綗岜脺p少的火積耗散量為：

又知道采用熱泵時一次網(wǎng)進水溫度355 K，回水溫度298 K，結(jié)合公式（11）可以得到減少的熱量：

將減少的熱量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤的轉(zhuǎn)換系數(shù)：1 t（tce）=2.93×1010J，可以換算減少煤量為：9.4×106/2.93×1010=3.21×10-4t。采暖季按182 d進行，進而得到整個采暖季減少煤量為：3.21×10-4×182×24×3600=5.05×103t。

如果熱源為工業(yè)鍋爐，那么每燃燒一噸tce，產(chǎn)生二氧化碳為2 660 kg，二氧化硫8.5 kg，氮氧化物7.4 kg。這樣整個采暖季減少排放量：

說明，上述計算沒有考慮鍋爐的燃燒效率、流動的熱損失等因素。

綜上所述，經(jīng)過火積耗散的計算，學(xué)院北站采用吸收式熱泵整個采暖季可減少二氧化碳排放量為1.34×107kg（0.134萬t），二氧化硫43 t，氮氧化物37 t。

4 結(jié)論

按設(shè)計熱指標(biāo)35 W/m2，估算兩個換熱站建筑的供暖熱負荷，學(xué)院南站熱負荷359.45萬J，學(xué)院北站熱負荷458.85萬J。

兩個換熱站的一二次網(wǎng)平均流量，實際運行的參數(shù)均小于熱指標(biāo)法換算出的流量，證明二次管網(wǎng)滿足樓宇的供熱需求，一次網(wǎng)擁有擴容的空間。

根據(jù)實際運行參數(shù)，計算得出學(xué)院北站的換熱效率更高，換熱面積利用更充分，能質(zhì)系數(shù)略大，火積耗散小于學(xué)院南站。

在碳減排方面，如果學(xué)院北站采用吸收式熱泵技術(shù)，初步估算整個采暖季可減少二氧化碳排放量為0.134萬t，二氧化硫43 t，氮氧化物37 t。

學(xué)院南站可以繼續(xù)為8.06萬m2新樓宇擴容供熱，如果采用吸收式熱泵供熱可降低火積耗散，火積耗散量只有普通換熱器的0.42倍，提高火用效率十個百分點，這項數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)學(xué)院的擴建面積，避免盲目擴建而導(dǎo)致供暖不達標(biāo)，為實際的工程應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。