丁 德 吳佳艷 寧太剛 張蔚琳△ 陳泓蓓

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州;2.浙江大學(xué),杭州)

0 引言

我國建筑領(lǐng)域的碳排放量約占全社會碳排放量的50.9%,其中建筑運(yùn)行階段碳排放量約占全社會碳排放量的21.7%[1],建筑運(yùn)行過程中,暖通空調(diào)運(yùn)行碳排放量約占建筑運(yùn)行碳排放量的30%～40%。建筑領(lǐng)域碳排放控制越來越受到社會重視,在GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(以下簡稱《通用規(guī)范》)中明確提出建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告、建設(shè)方案和初步設(shè)計(jì)文件應(yīng)包含建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放分析報(bào)告。為了配合建筑碳排放分析工作的開展,依據(jù)浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳要求,浙江省啟動編制工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《省標(biāo)》)并即將發(fā)布,《省標(biāo)》編制過程中對GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》作了補(bǔ)充與完善,旨在提高在浙江省范圍內(nèi)實(shí)施國家標(biāo)準(zhǔn)的可操作性。本文就暖通空調(diào)運(yùn)行的碳排放量計(jì)算在編制過程中的探索與特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 計(jì)算方法與邊界

1.1 計(jì)算方法

目前二氧化碳排放量的計(jì)算方法主要概括為3種:排放因子法、質(zhì)量平衡法、實(shí)測法。排放因子法是適用范圍最廣、應(yīng)用最為普遍的一種碳核算方法。建筑運(yùn)行的碳排放量主要是建筑用能設(shè)備運(yùn)行過程中的能源消耗量,碳排放因子為相應(yīng)能源類型的碳排放因子。計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式(1)、(2)中C為建筑運(yùn)行碳排放量,t/a;Em為第m類能源年消耗量,運(yùn)行階段采用能源賬單法核算,設(shè)計(jì)階段則采用預(yù)測法計(jì)算,化石能源以能源熱值表達(dá),電力能源以用電量表達(dá),市政熱力以熱量值表達(dá),根據(jù)能源類別確定單位;Fm為第m類能源的碳排放因子,根據(jù)能源類別確定單位;Em,n為第n類系統(tǒng)的第m類能源年消耗量,包括電力、燃?xì)?、石油、市政熱力?根據(jù)能源類別確定單位;Rm,n為第n類系統(tǒng)年消耗的由可再生能源系統(tǒng)或建筑分布式自發(fā)電裝置提供的第m類能源量,根據(jù)能源類別確定單位。

其中,電力的碳排放因子統(tǒng)一采用由生態(tài)環(huán)境部公布的區(qū)域電網(wǎng)平均碳排放因子,市政熱力碳排放因子根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會的《公共建筑運(yùn)營企業(yè)溫室氣體排放核算方法和報(bào)告指南(試行)》確定,化石能源的碳排放因子按式(3)計(jì)算。

Fm=3.67Cm?m

(3)

式中 3.67為二氧化碳與碳的摩爾質(zhì)量之比;Cm為第m類化石能源單位熱值含碳量,t/TJ;?m為不同化石能源燃燒的碳氧化率。

常用化石能源的單位熱值含碳量、碳氧化率及碳排放因子見表1。

表1 常用化石能源的單位熱值含碳量、碳氧化率及碳排放因子

需要說明的是,對于建筑分布式自發(fā)電裝置(如冷熱電聯(lián)供設(shè)施)提供的能源,在計(jì)算碳排放量時(shí),建筑用電的碳排放因子依然采用生態(tài)環(huán)境部公布的電網(wǎng)平均碳排放因子,但是建筑能耗計(jì)算中的計(jì)算結(jié)果應(yīng)扣除冷熱電聯(lián)供設(shè)施生產(chǎn)及提供的電量及余熱量。同時(shí),冷熱電聯(lián)供設(shè)施發(fā)電所消耗的化石能源計(jì)入建筑化石能源的用量。

1.2 計(jì)算邊界

通過分析2010—2019年浙江省民用建筑運(yùn)行碳排放的全省能源平衡表,民用建筑運(yùn)行過程中,直接碳排放量平均占比為22%,間接碳排放量平均占比為78%,如圖1所示。浙江省民用建筑運(yùn)行的直接碳排放主要發(fā)生在燃?xì)?油)鍋爐及炊事化石燃料的使用中。

圖1 浙江省2010—2019年直接碳排放量與間接碳排放量占比

鑒于建筑最終碳排放賬單數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)局能源平衡表數(shù)據(jù)為依據(jù),能源平衡表數(shù)據(jù)對建筑碳排放量計(jì)算邊界進(jìn)行全覆蓋,因此《省標(biāo)》通過比較國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)能耗及碳排放量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算邊界,對民用建筑運(yùn)行碳排放量的計(jì)算邊界相較GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》作了擴(kuò)展。浙江省民用建筑運(yùn)行碳排放量計(jì)算邊界包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、炊事燃料、可再生能源系統(tǒng)在建筑運(yùn)行期間的碳排放量。表2給出了民用建筑碳排放量計(jì)算與應(yīng)用邊界。

表2 民用建筑碳排放計(jì)算與應(yīng)用邊界

1.3 建筑運(yùn)行名義工況

由于建筑實(shí)際運(yùn)行管理過程中存在較大差異,碳排放預(yù)測模擬的模型不可能完全與所有建筑物的實(shí)際運(yùn)行使用一致,只能無限接近實(shí)際運(yùn)行使用狀態(tài)。預(yù)測模擬的模型越接近實(shí)際使用狀態(tài),預(yù)測模擬結(jié)果越能對建筑設(shè)計(jì)的減碳優(yōu)化具備指導(dǎo)意義。如果將建筑視同定制化“產(chǎn)品”,為了比較“產(chǎn)品”的“出廠碳效”,統(tǒng)一碳排放的分析比較基礎(chǔ),《省標(biāo)》借鑒了能耗產(chǎn)品的能效標(biāo)識做法,規(guī)定了浙江省內(nèi)民用建筑運(yùn)行碳排放的“建筑運(yùn)行名義工況”,即在進(jìn)行碳排放量的預(yù)測模擬計(jì)算時(shí),建筑的標(biāo)準(zhǔn)使用運(yùn)行模式包括建筑物的標(biāo)準(zhǔn)使用模式和建筑設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式。

1.3.1建筑物的標(biāo)準(zhǔn)使用模式

建筑物的標(biāo)準(zhǔn)使用模式邊界條件包括建筑運(yùn)行時(shí)間、空調(diào)和供暖系統(tǒng)的日運(yùn)行時(shí)間、供暖空調(diào)區(qū)室內(nèi)外溫度、不同類型房間人均占有的建筑面積、人員在室率,以及照明、電氣設(shè)備、新風(fēng)的使用率等。不同的建筑運(yùn)行碳排放量計(jì)算方法對于建筑物標(biāo)準(zhǔn)使用模式的邊界要求不同。例如逐時(shí)法的室外氣象參數(shù)、不同類型房間的人員在室率及照明、電氣設(shè)備、新風(fēng)的使用率按時(shí)平均確定;而逐月法按月平均確定?！锻ㄓ靡?guī)范》采用逐時(shí)計(jì)算的方法,浙江省節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系已具有完整的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)庫,原有的建筑節(jié)能計(jì)算方法體系也采用逐時(shí)計(jì)算的方法,因此《省標(biāo)》延續(xù)逐時(shí)計(jì)算的方法,建筑物的標(biāo)準(zhǔn)使用模式邊界條件基本與《通用規(guī)范》保持一致。

1.3.2暖通空調(diào)設(shè)備(建筑設(shè)備)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式

作為建筑設(shè)備的暖通空調(diào)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式包括:

1) 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組、溴化鋰吸收式機(jī)組、熱水鍋爐等集中冷熱源空調(diào)系統(tǒng),各冷熱源機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)采用運(yùn)行機(jī)組負(fù)載率最大的“臺數(shù)優(yōu)先”控制;多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、分體空調(diào)系統(tǒng)等分散冷熱源系統(tǒng),由于1臺(套)空調(diào)冷熱源設(shè)備對應(yīng)1個(gè)(或1組)房間,建筑運(yùn)行名義工況中每個(gè)房間使用時(shí)間等標(biāo)準(zhǔn)使用模式邊界條件均已確定,不存在1個(gè)系統(tǒng)中局部房間不使用或無負(fù)荷狀態(tài),因此部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)不考慮冷熱源、輸配設(shè)備的臺數(shù)控制。

2) 由于建筑運(yùn)行名義工況確定了各房間逐時(shí)運(yùn)行狀態(tài),因此部分負(fù)荷時(shí),空調(diào)末端處理設(shè)備不考慮臺數(shù)控制,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)不考慮室內(nèi)負(fù)荷不均勻指數(shù)[2]的影響。

3) 部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),啟動的設(shè)備按相同負(fù)載率,即負(fù)荷分?jǐn)偡绞竭\(yùn)行。

4) 對于使用側(cè)或用戶側(cè)變流量系統(tǒng),為統(tǒng)一與簡化計(jì)算模型,計(jì)算時(shí)忽略末端表冷器或熱盤管流量變化引起的換熱能力變化,制冷與供熱的水溫按設(shè)計(jì)工況供水溫度定溫差控制,末端流量與冷熱負(fù)荷呈線性關(guān)系。定頻循環(huán)冷水泵與冷水(熱泵)機(jī)組通過水系統(tǒng)的壓差旁通保持定流量定速運(yùn)行。變頻循環(huán)冷水泵根據(jù)供回水管壓差變速運(yùn)行。為保護(hù)低頻低流量下的冷水機(jī)組與水泵電動機(jī)的安全,變頻循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速變化下限按工頻的50%計(jì)算,即變流量下限為50%額定流量,低于50%額定流量時(shí),按50%額定流量定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,冷水(熱泵)機(jī)組根據(jù)所承擔(dān)負(fù)荷通過調(diào)節(jié)離心機(jī)葉輪開度或螺桿機(jī)滑閥開度等方式調(diào)節(jié)供冷量匹配負(fù)荷,計(jì)算逐時(shí)能耗。對于源側(cè)變流量系統(tǒng),冷水(熱泵)機(jī)組的冷卻水采用定溫差控制,冷卻水流量與冷負(fù)荷呈線性關(guān)系。變頻循環(huán)水泵根據(jù)冷卻水供回水運(yùn)行溫差反饋值變速運(yùn)行,轉(zhuǎn)速變化下限按50%額定流量確定,低于50%額定流量時(shí),按50%額定流量定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。冷水(熱泵)機(jī)組根據(jù)所承擔(dān)的負(fù)荷計(jì)算逐時(shí)能耗。

2 冷熱源運(yùn)行碳排放

根據(jù)逐時(shí)空調(diào)冷熱負(fù)荷、空調(diào)冷熱源主機(jī)運(yùn)行效率及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行能耗計(jì)算,根據(jù)不同能耗類型的碳排放因子核算其碳排放量。能耗計(jì)算公式為

(4)

Li,j=Qjζi

(5)

(6)

式(4)～(6)中EC為建筑單體空調(diào)冷熱源年能耗,kW·h,化石能源以能源熱值表達(dá),電力能源以用電量表達(dá),市政熱力以熱力提供熱量值表達(dá);Li,k為第i時(shí)刻第k幢建筑的主機(jī)承擔(dān)的總冷(熱)負(fù)荷,kW;Li為第i時(shí)刻主機(jī)承擔(dān)的總冷(熱)負(fù)荷,kW;Li,k/Li為第i時(shí)刻區(qū)域冷熱源下單幢建筑的冷熱源能耗占比,對于單幢建筑獨(dú)立冷熱源系統(tǒng),Li,k=Li,下文輸配系統(tǒng)的能耗分?jǐn)偼?Yi,j為第i時(shí)刻第j臺主機(jī)的啟停狀態(tài),取1或0;Li,j為第i時(shí)刻第j臺主機(jī)承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷,kW;εi,j為第i時(shí)刻第j臺主機(jī)運(yùn)行效率;Qj為第j臺主機(jī)規(guī)定工況下的制冷(供熱)量,kW;ζi為第i時(shí)刻主機(jī)的負(fù)載率,建筑運(yùn)行名義工況按所有啟動主機(jī)的負(fù)載率相等計(jì)算。

在計(jì)算空調(diào)冷熱源碳排放量時(shí),考慮免費(fèi)冷熱源利用、主機(jī)臺數(shù)控制、主機(jī)運(yùn)行效率變化的影響。

2.1 考慮免費(fèi)冷熱源利用

設(shè)備承擔(dān)的總冷(熱)負(fù)荷與建筑計(jì)算冷(熱)負(fù)荷不同。建筑計(jì)算冷(熱)負(fù)荷與建筑本身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性、建筑的室外壞境、建筑的標(biāo)準(zhǔn)使用模式有關(guān),一部分由空調(diào)設(shè)備承擔(dān),當(dāng)設(shè)置了免費(fèi)冷熱源利用措施時(shí),計(jì)算空調(diào)設(shè)備承擔(dān)的總冷(熱)負(fù)荷應(yīng)將免費(fèi)冷熱源承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷從建筑計(jì)算冷(熱)負(fù)荷中扣除。因此空調(diào)冷熱源承擔(dān)的總冷(熱)負(fù)荷為

Li=LAi-LFi

(7)

式中LAi為第i時(shí)刻建筑冷(熱)負(fù)荷,kW;LFi為第i時(shí)刻免費(fèi)冷熱源承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷,kW。

2.1.1全新風(fēng)免費(fèi)冷源

當(dāng)設(shè)置了過渡工況全新風(fēng)免費(fèi)冷源時(shí),第i時(shí)刻全新風(fēng)免費(fèi)冷源承擔(dān)的冷負(fù)荷為

(8)

式中hni,j為第i時(shí)刻第j臺空調(diào)末端機(jī)組服務(wù)的室內(nèi)空氣的比焓,kJ/kg;hoi為第i時(shí)刻機(jī)組新風(fēng)入口的空氣比焓,kJ/kg,取典型氣象年中第i時(shí)刻室外空氣比焓;Gi,j為第i時(shí)刻第j臺設(shè)置了過渡工況全新風(fēng)免費(fèi)冷源利用措施的空調(diào)機(jī)組總送風(fēng)量,kg/s;Gxi,j為第i時(shí)刻第j臺空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)新風(fēng)量,kg/s。

2.1.2排風(fēng)熱回收

當(dāng)設(shè)計(jì)采用排風(fēng)熱回收措施時(shí),若新風(fēng)系統(tǒng)利用排風(fēng)熱回收承擔(dān)冷負(fù)荷,則

(9)

式中c為比熱容,kJ/(kg·℃)。

若新風(fēng)系統(tǒng)利用排風(fēng)熱回收承擔(dān)熱負(fù)荷,則

(10)

式(9)、(10)中Gpi,j為第i時(shí)刻第j臺排風(fēng)熱回收機(jī)組的排風(fēng)量,kg/s;ηh為排風(fēng)熱回收機(jī)組全熱交換效率;toi為第i時(shí)刻排風(fēng)熱回收機(jī)組新風(fēng)入口空氣溫度,℃,取典型氣象年中第i時(shí)刻室外空氣溫度;tni,j為第i時(shí)刻第j臺排風(fēng)熱回收機(jī)組排風(fēng)入口空氣溫度,℃,取第j臺排風(fēng)熱回收機(jī)組服務(wù)的室內(nèi)空氣溫度;ηt為排風(fēng)熱回收機(jī)組顯熱交換效率。

2.1.3凝結(jié)水熱回收

當(dāng)設(shè)計(jì)采用蒸汽凝結(jié)水熱回收措施時(shí),凝結(jié)水熱回收承擔(dān)的熱負(fù)荷為

(11)

式中c為水的比熱容,4.2 kJ/(kg·℃);th為蒸汽換熱后的凝結(jié)水溫度,℃,一般取80 ℃[3];tc為凝結(jié)水熱回收后溫度,℃,對于僅回收熱量的間接換熱系統(tǒng)按凝結(jié)水換熱后的設(shè)計(jì)值確定,對于同時(shí)回收凝結(jié)水熱量與水量的系統(tǒng)按20 ℃取值;q為蒸汽汽化潛熱,kJ/kg,按設(shè)計(jì)飽和蒸汽壓力取值。

2.2 考慮冷熱源主機(jī)臺數(shù)控制

集中冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),各冷熱源機(jī)組采用“臺數(shù)優(yōu)先”控制。例如對于設(shè)計(jì)工況冷負(fù)荷L0,配置4臺相同規(guī)格制冷機(jī)組,單機(jī)制冷量為0.25L0,相應(yīng)配置4套相同規(guī)格的冷水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵及冷卻塔,在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),不同臺數(shù)控制對應(yīng)的負(fù)載率見表3。

表3 冷熱源主機(jī)臺數(shù)控制策略

表3中70%負(fù)荷率時(shí),主機(jī)可以啟動4臺運(yùn)行(負(fù)載率70%),也可以啟動3臺運(yùn)行(負(fù)載率93%)。實(shí)際運(yùn)行時(shí),冷熱源機(jī)組往往采用最高效率尋優(yōu)算法控制,臺數(shù)控制未必是所有機(jī)組最高效運(yùn)行的方式。臺數(shù)控制優(yōu)先還是主機(jī)效率優(yōu)先,需要綜合考慮機(jī)組效率、輸配能耗、冷卻設(shè)備能耗進(jìn)行判斷。在碳排放計(jì)算時(shí),為簡化模型統(tǒng)一計(jì)算邊界,建筑運(yùn)行名義工況下各冷熱源機(jī)組采用運(yùn)行機(jī)組“臺數(shù)優(yōu)先”控制策略。

臺數(shù)控制時(shí),第i時(shí)刻第j臺主機(jī)啟停狀態(tài)Yi,j判定邏輯為:從大到小累加第1～j臺主機(jī)制冷(供熱)量,當(dāng)累加制冷(供熱)量小于第i時(shí)刻空調(diào)冷熱源承擔(dān)的負(fù)荷時(shí),第j臺主機(jī)開啟,繼續(xù)依次累加下一臺主機(jī)制冷(供熱)量并作判定;當(dāng)累加制冷量大于第i時(shí)刻空調(diào)冷熱源承擔(dān)的負(fù)荷,并且該臺主機(jī)制冷(供熱)量小于等于剩余末開啟主機(jī)中能單獨(dú)承擔(dān)所需剩余負(fù)荷的制冷(供熱)量時(shí),該主機(jī)開啟;其余情況下該主機(jī)停止運(yùn)行。

因此,Yi,j的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(12)

對于分散冷熱源的空調(diào)系統(tǒng),不考慮分散冷熱源空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)臺數(shù)控制,即分散冷熱源空調(diào)系統(tǒng)的Yi,j=1。

2.3 考慮冷熱源主機(jī)的運(yùn)行效率變化

民用建筑冷熱源主機(jī)的運(yùn)行效率受主機(jī)制冷(供熱)溫度、散熱(取熱)溫度、負(fù)載率等多因素影響?！妒?biāo)》通過對浙江省各類常用冷熱源主機(jī)運(yùn)行效率的產(chǎn)品軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的采集匯總與分析,形成各類冷熱源主機(jī)通用的運(yùn)行效率擬合數(shù)學(xué)模型。預(yù)測計(jì)算以所采用的產(chǎn)品檢測報(bào)告數(shù)據(jù)為準(zhǔn),當(dāng)沒有明確的產(chǎn)品檢測報(bào)告數(shù)據(jù)時(shí),則以《省標(biāo)》中相應(yīng)類型的冷熱源主機(jī)模型計(jì)算?！妒?biāo)》冷熱源主機(jī)運(yùn)行效率模型見表4。

以水冷冷水機(jī)組制冷、熱水鍋爐供熱的常規(guī)冷熱源系統(tǒng)為例,《省標(biāo)》編制組對蒸氣壓縮循環(huán)冷水機(jī)組建立主機(jī)效率數(shù)學(xué)模型的步驟如下:

1) 對浙江省市場各主要品牌份額較大的主流產(chǎn)品在不同運(yùn)行工況下采用選型軟件計(jì)算得出的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、匯總。樣本包含離心機(jī)組22臺,螺桿機(jī)組25臺,磁懸浮機(jī)組8臺,渦旋機(jī)組3臺;變頻機(jī)組30臺,定頻機(jī)組28臺;額定制冷量127～7 000 kW。對樣本機(jī)組冷水溫度范圍4～14 ℃(步長1 ℃)、冷卻水溫度范圍18～35 ℃(步長1 ℃)、負(fù)載率范圍10%～100%(步長10%)的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2) 分析影響單臺主機(jī)效率的自變量。根據(jù)文獻(xiàn)[4],蒸氣壓縮循環(huán)冷水機(jī)組運(yùn)行效率與冷源的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、主機(jī)負(fù)載率、壓縮機(jī)類型、變流量等因素相關(guān)。逐一對單臺主機(jī)單自變量構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,以矯正擬合優(yōu)度作為擬合度評價(jià),利用Origin軟件對模型求解并分析和檢驗(yàn)單個(gè)因素的影響規(guī)律。對主流機(jī)型與產(chǎn)品的數(shù)值擬合曲線分析,冷水(熱泵)機(jī)組的效率與機(jī)組的負(fù)載率呈二次冪多項(xiàng)式關(guān)系,與使用側(cè)供水溫度、熱源側(cè)或放熱側(cè)溫度呈線性關(guān)系,且矯正擬合優(yōu)度均大于0.9。

3) 根據(jù)2)計(jì)算分析的自變量與因變量關(guān)系結(jié)果,構(gòu)建同一類型冷水(熱泵)機(jī)組的多自變量數(shù)學(xué)模型如下:

εi,j=ε0j[1+k1(tC0-tCi)+k2(tE-tE0)]×

[k3(100%-ζi)2+k4(100%-ζi)+1]

(13)

式中ε0j為第j臺主機(jī)規(guī)定工況下的運(yùn)行效率;k1～k4為主機(jī)性能擬合系數(shù);tC0為與ε0j對應(yīng)規(guī)定工況下主機(jī)熱源側(cè)(或放熱側(cè))溫度,℃;tCi為第i時(shí)刻主機(jī)運(yùn)行工況下熱源側(cè)(或放熱側(cè))溫度,℃;tE為運(yùn)行工況下主機(jī)使用側(cè)供水溫度,℃;tE0為與ε0j對應(yīng)規(guī)定工況下主機(jī)使用側(cè)供水溫度,℃。

不同類型機(jī)組各項(xiàng)溫度取值見表5。

表5 不同類型機(jī)組各項(xiàng)溫度取值

2) 水環(huán)熱泵式、地下水熱泵式、地埋管熱泵式、地表水熱泵式機(jī)組的規(guī)定工況數(shù)據(jù)來自于GB/T 19409—2013《水(地)源熱泵機(jī)組》。

3) 雙工況(乙二醇)單冷式機(jī)組的規(guī)定工況數(shù)據(jù)來自于JGJ 158—2018《蓄能空調(diào)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

4)tWi為典型氣象年第i時(shí)刻室外濕球溫度。

5)tDi為典型氣象年第i時(shí)刻室外干球溫度。

4) 將冷水機(jī)組按表6分類,不同品牌、不同規(guī)格、相同類型機(jī)組的所有數(shù)據(jù)代入式(13),以均方根誤差RMSE作為擬合度評價(jià),利用Origin軟件對模型求解以獲取同一類型主機(jī)不同品牌的相對平均的運(yùn)行效率擬合公式,并進(jìn)行分析與檢驗(yàn),使同一類型主機(jī)各產(chǎn)品的RMSE相對最小。RMSE反映了數(shù)據(jù)與擬合線之間的離散程度,其數(shù)據(jù)越小,表示擬合的模型離散程度越小。

表6 水冷冷水機(jī)組擬合模型分類

擬合得到不同類型機(jī)組的k1～k4,如表7所示,負(fù)載率、冷卻水溫度、冷水溫度、主機(jī)運(yùn)行工況與規(guī)定工況下的效率比的關(guān)系如圖2所示。

圖2 水冷冷水機(jī)組運(yùn)行效率變化趨勢

表7 部分水冷冷水機(jī)組制冷k1～k4

采用同樣方法對燃?xì)馀c燃油熱水鍋爐數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,鍋爐運(yùn)行工況的計(jì)算效率受燃燒空氣進(jìn)風(fēng)溫度、鍋爐負(fù)載率、進(jìn)出水溫度影響。民用建筑供暖鍋爐的燃燒空氣經(jīng)過鍋爐房內(nèi)鍋爐與煙囪的輻射加熱,溫度影響相對較小;且民用建筑名義運(yùn)行工況的供暖供回水溫度按設(shè)計(jì)工況溫度運(yùn)行,因此鍋爐運(yùn)行工況的計(jì)算效率僅考慮供暖負(fù)載率變化的影響。對于多段火調(diào)節(jié)鍋爐與比例調(diào)節(jié)鍋爐,其運(yùn)行效率的計(jì)算式為

(14)

式中η0j為第j臺鍋爐規(guī)定工況下的運(yùn)行效率;m1～m4為熱水鍋爐效率擬合系數(shù),見表8;z為鍋爐運(yùn)行效率分段曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的負(fù)載率。

表8 熱水鍋爐制熱m1～m4及z

鍋爐負(fù)載率、運(yùn)行工況與規(guī)定工況下的效率比的關(guān)系如圖3所示。

圖3 熱水鍋爐運(yùn)行效率變化趨勢

3 輸配系統(tǒng)運(yùn)行碳排放

輸配系統(tǒng)碳排放包括暖通空調(diào)使用側(cè)循環(huán)泵、熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵、油泵等的能源消耗造成的碳排放。

3.1 空調(diào)循環(huán)泵

空調(diào)循環(huán)泵包括使用側(cè)冷熱水循環(huán)泵、使用側(cè)乙二醇泵、熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵等,循環(huán)泵的能耗根據(jù)泵的實(shí)際運(yùn)行功率、運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

(15)

(16)

式(15)、(16)中Ep為建筑單體循環(huán)泵年運(yùn)行能耗,kW·h;Ypi,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵啟停狀態(tài),取1或0;Npi,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵的運(yùn)行輸入功率,kW;Gp0,j為第j臺循環(huán)泵設(shè)計(jì)工況流量,m3/h;Hp0,j為第j臺循環(huán)泵設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程,m;ρr為循環(huán)流體密度,kg/m3,水的密度取103kg/m3,乙二醇密度取1.03×103kg/m3;g為自由落體加速度,m/s2,取9.8 m/s2;φpi為第i時(shí)刻循環(huán)泵有效功率的負(fù)載率修正系數(shù);ηpi,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵的效率。

在計(jì)算空調(diào)使用側(cè)循環(huán)泵碳排放量時(shí),需考慮循環(huán)泵臺數(shù)控制、負(fù)載率、運(yùn)行效率的影響。

3.1.1考慮循環(huán)泵臺數(shù)控制

與冷熱源主機(jī)碳排放計(jì)算一樣,集中冷熱源空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),循環(huán)泵采用“臺數(shù)優(yōu)先”控制策略。Ypi,j的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(17)

當(dāng)循環(huán)泵與冷熱源主機(jī)對應(yīng)配置時(shí),Ypi,j=Yi,j,即主機(jī)停止運(yùn)行,相應(yīng)循環(huán)泵也同樣停止運(yùn)行。

式(17)中,使用側(cè)與熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)水泵承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷不同。使用側(cè)循環(huán)泵承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷為

Lpi=Li

(18)

對于熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵則需要考慮壓縮機(jī)運(yùn)行放熱量,因此熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵承擔(dān)的冷(熱)負(fù)荷為

(19)

式中μj為第j臺主機(jī)冷凝熱回收量與總冷凝散熱量的比值,若未設(shè)置冷凝熱回收系統(tǒng),則μj取0。

相應(yīng)地,設(shè)置冷凝熱回收系統(tǒng)的熱水循環(huán)泵承擔(dān)的熱負(fù)荷為

(20)

3.1.2考慮循環(huán)泵的負(fù)載率影響

循環(huán)泵的有效功率計(jì)算式為

(21)

式中N′為循環(huán)泵有效功率,kW;G為循環(huán)泵流量,m3/h;H為循環(huán)泵揚(yáng)程,m。

1) 循環(huán)泵定頻運(yùn)行。

定頻循環(huán)泵的輸配水量及轉(zhuǎn)速不會隨著末端負(fù)荷的改變而變化,整個(gè)運(yùn)行過程中,循環(huán)泵的有效功率均為設(shè)計(jì)工況有效功率,即有效功率的負(fù)載率修正系數(shù)φpi=1。

2) 循環(huán)泵變頻運(yùn)行。

當(dāng)采用變頻水泵時(shí),運(yùn)行控制策略可以采用定靜壓與變靜壓控制。定義水泵的負(fù)載率為

(22)

式中ξpi為第i時(shí)刻循環(huán)泵的負(fù)載率,考慮到冷熱源系統(tǒng)最小流量要求及循環(huán)泵電動機(jī)保護(hù)的需要,ξpi低于50%時(shí)按50%運(yùn)行。

當(dāng)循環(huán)泵在定靜壓控制策略下運(yùn)行時(shí),理想定靜壓控制策略下,循環(huán)泵揚(yáng)程H不變,因此循環(huán)泵的軸功率與水泵流量呈線性關(guān)系,有效功率的負(fù)載率修正系數(shù)為

(23)

式中N′pi,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵的有效功率,kW;N′p0,j為第j臺循環(huán)泵的設(shè)計(jì)工況有效功率,kW;Gpi,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵的運(yùn)行流量,m3/h。

當(dāng)循環(huán)泵在變靜壓控制策略下運(yùn)行時(shí),理想變靜壓控制策略下H=SG2(其中S為管道阻抗),因此當(dāng)S不變時(shí),循環(huán)泵的軸功率與水泵流量呈三次冪關(guān)系,有效功率的負(fù)載率修正系數(shù)為

(24)

3.1.3考慮循環(huán)泵變頻的效率變化

循環(huán)泵運(yùn)行效率包含循環(huán)泵工作點(diǎn)效率、電動機(jī)效率、傳動效率。對于變頻循環(huán)泵,工作點(diǎn)效率與傳動效率不變,基本與設(shè)計(jì)工況一致;但是電動機(jī)效率與變頻器效率隨轉(zhuǎn)速變化,文獻(xiàn)[5]給出了電動機(jī)效率及變頻器效率與電動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線,文獻(xiàn)[6]通過曲線擬合得出了利用電動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算電動機(jī)效率及變頻器效率的公式。因此,循環(huán)泵效率為

ηpi,j=ηbjηdjηei,jηci,j

(25)

ηei,j=0.941 87(1-e-9.04ξpi)

(26)

(27)

式(25)～(27)中ηbj為第j臺循環(huán)泵設(shè)計(jì)工況工作點(diǎn)效率;ηdj為第j臺循環(huán)泵傳動效率,取0.98;ηei,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵電動機(jī)效率;ηci,j為第i時(shí)刻第j臺循環(huán)泵變頻器效率。

3.2 供油泵

民用建筑的供油泵主要用于燃油鍋爐的油輸配系統(tǒng)中。供油量屬于消耗量,不屬于循環(huán)量,供油泵全年能源消耗量按鍋爐總耗油量計(jì)算。供油泵間歇運(yùn)行時(shí),將室外油罐儲油泵向室內(nèi)日用油箱,因此運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程和效率均維持與設(shè)計(jì)工況一致。

(28)

式中Eo為建筑單體油泵年運(yùn)行能耗,kW·h/a;Ec為燃油鍋爐年能耗,kW·h/a,按式(4)計(jì)算;Ho為油泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m;σ為燃油低位發(fā)熱值,kJ/kg,取42 705 kJ/kg;ηo為油泵效率,設(shè)計(jì)文件未明確時(shí),取0.4。

4 風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行碳排放

民用建筑暖通空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)碳排放包括空調(diào)末端處理設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗造成的碳排放。其中,通風(fēng)系統(tǒng)中不考慮消防防排煙、事故通風(fēng)等涉及人民生活安全的應(yīng)急通風(fēng)專用系統(tǒng)。

4.1 空調(diào)末端處理與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備

風(fēng)機(jī)能耗根據(jù)實(shí)際運(yùn)行功率、運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

(29)

式中Ef為風(fēng)機(jī)總能耗,kW·h;φfi為第i時(shí)刻風(fēng)機(jī)有效功率的負(fù)載率修正系數(shù);Nf為所有風(fēng)機(jī)設(shè)備的輸入功率之和,kW,對于電壓220 V的風(fēng)機(jī),如風(fēng)機(jī)盤管、多聯(lián)機(jī)的室內(nèi)機(jī)、換氣扇等,采用產(chǎn)品方提供的輸入功率,對于電壓380 V的風(fēng)機(jī),根據(jù)式(30)計(jì)算:

(30)

式中Gf0,j為第j臺風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量,m3/h;pf0,j為第j臺風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓,Pa;ηfdj為設(shè)計(jì)工況下第j臺風(fēng)機(jī)的效率;ηfej為第j臺風(fēng)機(jī)的電動機(jī)及傳動效率,取0.855。

與輸配系統(tǒng)循環(huán)泵類似,在計(jì)算空調(diào)末端處理設(shè)備的能耗時(shí),需要考慮負(fù)載率對能耗的影響。末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率修正系數(shù)φfi取1;當(dāng)末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí),若采用定靜壓變風(fēng)量控制策略時(shí),負(fù)載率修正系數(shù)為

(31)

式中ξfi為第i時(shí)刻末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)的負(fù)載率;Gfi,j為第i時(shí)刻第j臺末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)量,m3/h;LA0為設(shè)計(jì)工況下的建筑冷(熱)負(fù)荷,kW。

考慮到風(fēng)機(jī)電動機(jī)保護(hù)的需要,ξfi低于40%時(shí)按40%運(yùn)行。

當(dāng)末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí),若采用變靜壓變風(fēng)量控制策略,負(fù)載率修正系數(shù)為

(32)

4.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)

建筑冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗按每170 kW(制冷量)1 kW計(jì)算[7]。因此,全年冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗為

(33)

式中Efc為建筑單體冷卻塔風(fēng)機(jī)年運(yùn)行能耗,kW·h。

5 結(jié)論

《省標(biāo)》具有以下特點(diǎn):

1) 相比現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn),對民用建筑運(yùn)行碳排放量的計(jì)算邊界作了擴(kuò)展與延伸,民用建筑碳排放計(jì)算覆蓋了全壽命周期的全邊界。

2) 將建筑視同定制化用能“產(chǎn)品”,定義了建筑運(yùn)行名義工況,統(tǒng)一了民用建筑運(yùn)行碳排放邊界條件。

3) 補(bǔ)充了暖通空調(diào)各系統(tǒng)的詳細(xì)算法,給出空調(diào)冷熱源、輸配、末端空氣處理設(shè)備及通風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗與碳排放量計(jì)算公式,為碳排放量計(jì)算軟件化提供了依據(jù)。

《省標(biāo)》對碳排放量計(jì)算邊界的延展與計(jì)算方法的深化,提高了在浙江省范圍內(nèi)建筑碳排放量計(jì)算的可操作性,也配套用于銜接國家即將編制發(fā)布的《零碳建筑計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》,能更好地貫徹國家碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略方針。