張信榮 卞曉宇 劉佳
1 北京大學(xué)工學(xué)院 2 北京大學(xué)鄂爾多斯能源研究院
為助力國家早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),減緩全球氣候變暖的趨勢,近年來煤炭、化工、電力、冶金、建筑等行業(yè)都在積極探尋節(jié)能減碳的有效方法和途徑。我國民航業(yè)近年來蓬勃發(fā)展,但巨大的能耗也增加了機(jī)場的運(yùn)營成本,造成了大量的溫室氣體排放。目前民航業(yè)主要用能涉及煤油、柴油供能、天然氣取暖、氟利昂空調(diào)制冷等方面,面臨著傳統(tǒng)化石能源依存度高、冷熱制備分離、制冷取暖能耗高和二氧化碳排放量大的問題。以空調(diào)制冷為例,目前空調(diào)壓縮機(jī)常用的制冷劑R134a,其全球變暖潛值(GWP)為1300,遠(yuǎn)高于二氧化碳(GWP 值為1),而且沒有把制冷產(chǎn)生的余熱加以利用,卻要額外燃燒天然氣等能源來供暖,造成極大的能源浪費(fèi)。
跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)采用二氧化碳為工質(zhì),二氧化碳具有熱傳導(dǎo)性高、綠色環(huán)保、不易燃、無毒等特點(diǎn),且二氧化碳的GWP 值為1,臭氧損耗潛值(ODP)為零。在2022 年北京冬奧會期間,跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)成功應(yīng)用于國家速滑館制冰取暖,在人類冬奧史上首次用二氧化碳替代氟利昂和氨制冰,且將制冰余熱回收,用于冰場融冰、澆冰、地坪防凍、除濕、供暖等,整體節(jié)能50%以上,年節(jié)電200 萬kWh,為我國建筑長期冷熱分離造成的高能耗問題提供了良好的示范。
本文針對民航業(yè)暖通環(huán)節(jié)耗能大、效率低等問題,提出了以跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)為核心打造零碳機(jī)場的方案。
近些年民航業(yè)發(fā)展迅速,與此同時(shí)機(jī)場能耗不斷上升,反映出民航業(yè)節(jié)能減排潛力巨大。以我國西北地區(qū)某國際機(jī)場為例,通過對該機(jī)場進(jìn)行前期資料調(diào)研,得到該機(jī)場的總能耗構(gòu)成比例,如圖1 所示。
圖1 機(jī)場能耗構(gòu)成比例圖
從圖1 可以看出,該機(jī)場目前能耗組成主要由電力、天然氣、航空煤油、汽油和柴油組成。其中電力消耗占總能耗的45%,天然氣消耗占總能耗的35%。該機(jī)場夏季空調(diào)采用冷水機(jī)組制冷,冬季采暖全部采用天然氣鍋爐供熱。冷熱能耗主要是靠電力和天然氣,其中天然氣全部用于制暖。把電力消耗再拆分開來得到電力消耗拆分占比,如圖2 所示。
圖2 機(jī)場電力能耗占比圖
從圖2 可知,電力消耗中主要用于暖通空調(diào)、電梯、辦公設(shè)備、照明和其他方面。其中有40%的電力消耗用于暖通空調(diào)制冷,則空調(diào)制冷占到總能耗的18%。不難看出,機(jī)場在空調(diào)制冷和取暖方面的能耗占到了總能耗的53%,也就是說機(jī)場目前用于采暖和制冷的能耗已經(jīng)超過了機(jī)場總能耗的一半。因此,在此次零碳機(jī)場的技術(shù)改造方案中,空調(diào)制冷取暖節(jié)能是必須要放在首位考量的。通過對該機(jī)場較為詳細(xì)的能源結(jié)構(gòu)解析,可以看出該機(jī)場節(jié)能減排的重點(diǎn)在于降低供暖和空調(diào)制冷的能耗。
通過對該機(jī)場能耗分析,機(jī)場用于制冷和取暖方面的能耗占到機(jī)場總能耗的一半以上,降低這部分的能耗水平將助力機(jī)場降低能耗,節(jié)省運(yùn)營成本,同時(shí)降低碳排放。與國家速滑館制冰項(xiàng)目類似,我們提出采用以跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)為核心,結(jié)合地?zé)崂谩⒕G電輸入、蓄冷蓄熱技術(shù),打造一個(gè)全球首創(chuàng)的零碳機(jī)場系統(tǒng)。
二氧化碳冷熱一體化技術(shù)由兩點(diǎn)要素組成,一是不再采用天然氣供熱,制冷和采暖只用綠電;二是此技術(shù)制冷和取熱均采用天然工質(zhì)二氧化碳。由此提出將跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)應(yīng)用于零碳機(jī)場項(xiàng)目。原理如圖3 所示。
圖3 跨臨界二氧化碳冷熱一體化原理圖
跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)是利用環(huán)境中的低溫?zé)嵩矗ㄈ绲責(zé)?、空氣或水)將熱量輸送至高溫?zé)嵩矗ㄈ绻┡蛑评湎到y(tǒng))的一套設(shè)備。通過壓縮和膨脹循環(huán),二氧化碳冷熱一體化機(jī)組在吸收低溫?zé)崃康耐瑫r(shí),釋放高溫?zé)崃?,?shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和利用。
如圖3 二氧化碳儲存于二氧化碳儲罐中,經(jīng)過壓縮機(jī)等熵壓縮、氣冷器等壓冷凝、膨脹節(jié)流裝置絕熱膨脹、蒸發(fā)器等壓蒸發(fā)完成整個(gè)二氧化碳冷熱一體化循環(huán)。
傳統(tǒng)的零碳機(jī)場概念是指機(jī)場用太陽能、風(fēng)能等可再生能源代替石油、天然氣等化石能源,通過適度地減少二氧化碳排放和其他污染物的排放實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的最大保護(hù)。目前絕大多數(shù)的零碳機(jī)場強(qiáng)調(diào)使用太陽能、風(fēng)能發(fā)電等綠電資源,并沒有從根本上解決機(jī)場供暖、空調(diào)等高耗能問題。因此急需構(gòu)建一套新型的冷熱能源供應(yīng)體系,采用天然環(huán)保工質(zhì),能將冷熱分離的供能方式高效的結(jié)合起來,打造一個(gè)真正的零碳機(jī)場。
以西北地區(qū)某機(jī)場為例。該機(jī)場現(xiàn)有建筑總面積約20 萬m2,其中航站樓面積約10.03萬m2。年均旅客吞吐量為240 多萬人次,貨物吞吐量達(dá)到約9984t。
從圖4 可以看出,該機(jī)場大體可分為兩部分,一部分是以航站樓為主體建筑的區(qū)域一;另外一部分是在航站樓東側(cè)分散布置的辦公區(qū),生活區(qū)等區(qū)域二。
航站樓作為整個(gè)機(jī)場的核心建筑,因其代表所在城市地方形象,功能復(fù)雜,一般采用大型玻璃幕墻鋼結(jié)構(gòu)建筑工藝,而采用此種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致航站樓在采暖季不易聚熱,耗費(fèi)大量能源用于取暖,在夏季也相應(yīng)需要耗費(fèi)較多冷量用于制冷,這也間接導(dǎo)致在整個(gè)機(jī)場運(yùn)行期間,航站樓能耗最高。除航站樓外,剩余部分為機(jī)場辦公樓、宿舍樓、維修區(qū)、鍋爐房、停車場等民用建筑,零散分布于航站樓東側(cè),這些建筑布局緊湊,面積較小,能耗相對航站樓較低?;诖?,擬采取以航站樓為主體設(shè)計(jì)集中供暖供冷系統(tǒng),辦公區(qū)和生活區(qū)通過分散式的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。
經(jīng)測算,該機(jī)場冬季采暖負(fù)荷為21MW,據(jù)此設(shè)計(jì)8 套CO2跨臨界冷熱一體化機(jī)組,每套制熱量2.7MW,總計(jì)21MW,與原有負(fù)荷吻合。本次方案系統(tǒng)COP約4.2。由于該地區(qū)氣溫較低,設(shè)計(jì)方案采用二氧化碳地源和二氧化碳空氣源相結(jié)合的方式,在冬季室外溫度較低(-25℃至-30℃)時(shí),使用二氧化碳地源系統(tǒng)進(jìn)行采暖;當(dāng)環(huán)境溫度高于-10℃時(shí),使用二氧化碳空氣源系統(tǒng)。夏季制冷時(shí),二氧化碳冷熱一體化系統(tǒng)可運(yùn)行制冷工況。只需運(yùn)行3 臺CO2跨臨界冷熱一體化機(jī)組便可滿足空調(diào)箱和風(fēng)機(jī)盤管的制冷負(fù)荷,夏季制冷需求約6MW。在制冷過程中,二氧化碳冷熱一體化機(jī)組會產(chǎn)生熱量,這些熱量通過熱量回灌技術(shù)回到地源系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地源熱平衡,不破壞環(huán)境并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
通過對航站樓進(jìn)行測算和分析,我們對新的跨臨界二氧化碳冷熱一體化系統(tǒng)開展了經(jīng)濟(jì)效益評估,目前該機(jī)場燃?xì)忮仩t年消耗天然氣量為260 萬Nm3,制冷空調(diào)年耗電量為228 萬kWh。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)均價(jià),按照1 kWh 電耗0.8 元計(jì)算。在計(jì)算二氧化碳排放量時(shí),按照消耗1 Nm3的天然氣約產(chǎn)生2.19kg 的二氧化碳,消耗1kWh 電需要產(chǎn)生0.553kg 二氧化碳,每消耗1 kWh 綠電的二氧化碳生成量約為零來計(jì)算。根據(jù)以上數(shù)據(jù),從天然氣耗量、年運(yùn)行成本和年碳排放量三方面進(jìn)行對比估算,發(fā)現(xiàn)二氧化碳冷熱一體化技術(shù)與傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t加氟利昂空調(diào)系統(tǒng)相比,經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。
從圖5 可以看出,改造后天然氣耗量直接從原來的260 萬Nm3/年降為零消耗,年運(yùn)行成本從原來的1350 萬元/a 降為802 萬元/a,年運(yùn)行費(fèi)用比例降低40%。特別是每年的二氧化碳排放量從原來的5720t/年降為152t/a,二氧化碳排放比例下降了97.8%,跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)將顯著降低該機(jī)場對傳統(tǒng)化石能源的依賴。
圖5 經(jīng)濟(jì)效益對比柱狀圖
跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)打造零碳機(jī)場具有非常顯著的示范意義,這一舉措將在全國民航業(yè)首先開創(chuàng)綠色發(fā)展的先河,帶動(dòng)整個(gè)民航業(yè)提前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),提升該機(jī)場的國內(nèi)外知名度,同時(shí)也將為機(jī)場所在城市打造一張節(jié)能減碳名片,更是強(qiáng)有力的響應(yīng)了國家“雙碳”目標(biāo)與可持續(xù)綠色發(fā)展的理念。
本文通過分析西北某機(jī)場的能源結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)效益,發(fā)現(xiàn)該機(jī)場在制冷和取暖方面能耗高達(dá)53%,因此為該機(jī)場制定了利用跨臨界二氧化碳冷熱一體化技術(shù)代替該機(jī)場采用傳統(tǒng)化石能源制冷取暖的零碳機(jī)場方案,經(jīng)測算,使用該方案后年運(yùn)行費(fèi)用可下降40%。零碳機(jī)場方案打造了綠色、節(jié)能的新型機(jī)場能源供給系統(tǒng),將率先在機(jī)場樹立零碳、經(jīng)濟(jì)的能源利用典范,并將充分發(fā)揮機(jī)場對一個(gè)城市的窗口作用,通過零碳機(jī)場示范項(xiàng)目的成功落地,后續(xù)輻射到零碳社區(qū)、零碳酒店、零碳工廠等行業(yè)。二氧化碳跨臨界冷熱一體化未來將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其低碳、高效、經(jīng)濟(jì)的潛能,具有廣闊的發(fā)展前景。