孫宏偉，李法善 [.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 23000；2.中維建研（江蘇）設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 常州 23000]

實(shí)施能耗、碳排放的總量和強(qiáng)度調(diào)控，推動(dòng)能源低碳、高效利用是建筑領(lǐng)域轉(zhuǎn)型的重要途徑。在夏熱冬冷地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)作為能源低碳、高效利用的重要方式，在住宅、辦公、商業(yè)等類型建筑中得到推廣應(yīng)用。受建設(shè)條件有限、運(yùn)行維護(hù)水平不高等因素影響，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化的項(xiàng)目偏少，未能進(jìn)一步挖掘節(jié)能降碳的潛力。此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)地源熱泵的節(jié)能評(píng)價(jià)方法的研究多數(shù)局限于一次能源利用率等方面，未能從整體、分項(xiàng)和費(fèi)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究[1]。本文結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)某公辦學(xué)校地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“學(xué)校項(xiàng)目”），研究地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降碳優(yōu)化策略及評(píng)價(jià)方法。

1 項(xiàng)目概況

夏熱冬冷地區(qū)某公辦學(xué)校采用集中供冷供熱空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵供能總建筑面積約5萬(wàn)m2，冷熱源采用雙U地埋管420口，配置3臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，總制冷量約1.8 MW。根據(jù)學(xué)校建筑空調(diào)系統(tǒng)用能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)采用辦公樓與宿舍樓錯(cuò)峰供能方式，不僅有效降低了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)初投資，還提高了系統(tǒng)運(yùn)行利用水平。

2 節(jié)能降碳優(yōu)化策略

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

筆者認(rèn)為，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)需要進(jìn)行節(jié)能降碳設(shè)計(jì)優(yōu)化。在項(xiàng)目前期方案策劃、可行性研究階段，根據(jù)項(xiàng)目條件，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面考慮空調(diào)系統(tǒng)采用何種技術(shù)形式，將決定節(jié)能水平。如：低位熱源的選擇，是地表水源、土壤源還是空氣源；冷熱源設(shè)備的布置形式是集中式布置，還是分散式布置；建筑類型及建筑用能負(fù)荷是否錯(cuò)峰；等等。在項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)階段，滿足室內(nèi)溫度、濕度的條件下合理降低系統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷，同時(shí)考慮水泵變頻、風(fēng)機(jī)變頻和熱回收裝置應(yīng)用情況等[2]。

2.2 運(yùn)行優(yōu)化策略

學(xué)校項(xiàng)目在制定節(jié)能降碳運(yùn)行控制策略時(shí)，考慮地源熱泵機(jī)組根據(jù)用戶負(fù)荷側(cè)進(jìn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)及機(jī)組自身機(jī)頭調(diào)節(jié)、滑閥調(diào)節(jié)等。地埋管水循環(huán)系統(tǒng)為兩管制閉式一次泵水循環(huán)系統(tǒng)水泵定流量控制，二級(jí)泵變流量控制可根據(jù)末端負(fù)荷變化要求及時(shí)調(diào)整水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)或水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)水量，并保持水泵在高效區(qū)運(yùn)行達(dá)到最大節(jié)能效果[3]。風(fēng)輸送系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行主要是送風(fēng)、回風(fēng)及排風(fēng)中在達(dá)到調(diào)節(jié)和控制空調(diào)房間空氣參數(shù)要求的前提下，盡可能減小風(fēng)機(jī)電耗。綜合考慮學(xué)校寒暑假期、供冷供熱負(fù)荷變化等因素，地埋管冬季取熱量和夏季釋熱量的差別可能導(dǎo)致土壤源溫度場(chǎng)冷熱不平衡。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在地源側(cè)管道設(shè)置了能量計(jì)，在不同地埋深度分別設(shè)置5個(gè)土壤溫度監(jiān)測(cè)探頭，夏季釋熱量過(guò)高時(shí)采用冷卻塔輔助散熱調(diào)節(jié)，維持地埋管溫度場(chǎng)冷熱趨于平衡[4-5]。

3 節(jié)能降碳評(píng)價(jià)方法

筆者在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)有的各種評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，從用戶使用角度出發(fā)，并結(jié)合學(xué)校項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況，提出事先評(píng)估、事中控制和事后評(píng)價(jià)這3個(gè)節(jié)能降碳評(píng)價(jià)階段，并提出包含整體評(píng)價(jià)指標(biāo)、分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)的節(jié)能降碳評(píng)價(jià)體系。

3.1 評(píng)價(jià)階段

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降碳評(píng)價(jià)階段，主要包括事先評(píng)估、事中控制和事后評(píng)價(jià)。事先評(píng)估是在建筑能耗模擬軟件冷熱負(fù)荷模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同備選方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)作對(duì)比分析，在優(yōu)選方案中進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)，得到最終的設(shè)計(jì)方案?？照{(diào)系統(tǒng)因前期方案不合理、設(shè)計(jì)不科學(xué)等原因造成的高能耗很難通過(guò)后期的運(yùn)行管理來(lái)彌補(bǔ)，因此事先評(píng)估工作十分重要。事中控制是指對(duì)地源熱泵空調(diào)施工驗(yàn)收過(guò)程進(jìn)行控制，通過(guò)統(tǒng)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)信息與控制目標(biāo)作對(duì)比分析，及時(shí)做出糾偏措施，執(zhí)行有力，回查監(jiān)督，保證項(xiàng)目施工滿足設(shè)計(jì)目的和使用功能要求。事后評(píng)價(jià)要有針對(duì)性地采集能反映系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的參數(shù)，通過(guò)測(cè)定系統(tǒng)運(yùn)行中的特性參數(shù)才能確定系統(tǒng)的性能，比如溫濕度、流量、壓力、電力參數(shù)等。每個(gè)測(cè)試參數(shù)反映出的是系統(tǒng)設(shè)備各部分的特性狀況，可以將模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行工況水平，最終實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳的目的。

3.2 評(píng)價(jià)體系

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評(píng)價(jià)體系分為整體評(píng)價(jià)指標(biāo)、分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)3類，共9項(xiàng)（如表1所示）。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗高的主要原因包括設(shè)備運(yùn)行效率低和系統(tǒng)無(wú)用功耗大，該評(píng)價(jià)體系可全面地反映系統(tǒng)運(yùn)行能耗和運(yùn)行能效情況。業(yè)主和用戶更為關(guān)心的是費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)，COE和CCE指標(biāo)能夠準(zhǔn)確反映地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的費(fèi)用情況。

表1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2.1 整體評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）單位面積用電量CPC：整個(gè)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所有能耗（按不同供能季分類統(tǒng)計(jì)，折算成用電量）與系統(tǒng)供能建筑面積之比。

式中：ΣW——熱泵主機(jī)、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補(bǔ)水裝置、空氣處理機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、電動(dòng)閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計(jì)，折算成用電量），kW·h；

S——供能建筑面積，m2。

（2）單位面積碳排放量CTC：整個(gè)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所有碳排放量（按不同供能季分類統(tǒng)計(jì)）與系統(tǒng)供能建筑面積之比。

式中：ΣW——熱泵主機(jī)、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補(bǔ)水裝置、空氣處理機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、電動(dòng)閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計(jì)，折算成用電量），kW·h；

n——所在區(qū)域電網(wǎng)排放因子，無(wú)量綱；

S——供能建筑面積，m2。

（3）空調(diào)系統(tǒng)單位能量用電量CEC：評(píng)價(jià)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際能量利用效率的指標(biāo)，評(píng)價(jià)各種節(jié)能措施的綜合節(jié)能效果。CEC值越小表明系統(tǒng)能源利用率越高。

式中：W——熱泵主機(jī)、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補(bǔ)水裝置、空氣處理機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、電動(dòng)閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計(jì)，折算成用電量），kW·h；

Q——不同季節(jié)供能量，kW·h。

3.2.2 分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）熱泵主機(jī)制冷工況能效比SEER。SEER值越大表示制取單位冷量所需消耗的電量越少，機(jī)組運(yùn)行效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。

式中：Qs——熱泵主機(jī)在整個(gè)制冷季的制冷量，kJ；

Ws——熱泵主機(jī)在整個(gè)制冷季的耗電量，kJ。

（2）熱泵主機(jī)制熱工況能效比WEER。WEER值越大表示制取單位熱量所需消耗的電量越少，機(jī)組運(yùn)行效率越高，經(jīng)濟(jì)性越好。

式中：Qw——熱泵主機(jī)在整個(gè)供暖季的制熱量，kJ；

Ww——熱泵主機(jī)在整個(gè)供暖季的耗電量，kJ。

（3）水系統(tǒng)輸送能效比ER。測(cè)得水泵電機(jī)的實(shí)際電功率、供回水溫差、流量參數(shù)，即可確定水系統(tǒng)輸送能效比。ER值越小，表示單位能量所消耗的電量越少，水輸送系統(tǒng)越節(jié)能。

式中：ER——單位能量所消耗的電功率，W/J；

U——電壓值，V；

I——電流值，W；

cosφ——電機(jī)功率因數(shù)，無(wú)量綱；

V——水泵實(shí)際流量，m3/s；

ΔT——供回水溫差，℃。

（4）風(fēng)系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率Ws。測(cè)得風(fēng)機(jī)電機(jī)的實(shí)際電功率、風(fēng)量參數(shù)，即可確定風(fēng)系統(tǒng)單位風(fēng)量耗功率。Ws值越小，表示單位風(fēng)量所消耗的電量越少，風(fēng)系統(tǒng)就越節(jié)能。

式中：Ws——單位風(fēng)量實(shí)際耗功率，w/（m3/h）；

U——電壓值，V；

I——電流值，W；

cosφ——電機(jī)功率因數(shù)，無(wú)量綱；

Vs——實(shí)際風(fēng)量，m3/h。

3.2.3 費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）單位面積運(yùn)行用電費(fèi)用COE：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)年能源消耗費(fèi)用與系統(tǒng)供能建筑面積之比。

式中：M——年能源消耗總費(fèi)用，元；

S——系統(tǒng)供能建筑面積，m2。

（2）單位面積綜合費(fèi)用CCE：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)年綜合費(fèi)用與系統(tǒng)供能建筑面積之比。

式中：M——年能源消耗總費(fèi)用，元；

MT——地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)總投資，元；

n——地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)折舊使用年限，a；

MY——地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)年管理維修費(fèi)用，元；

S——系統(tǒng)供能建筑面積，m2。

4 結(jié) 論

（1）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳策略主要包括設(shè)計(jì)優(yōu)化策略和運(yùn)行優(yōu)化策略。在滿足室內(nèi)溫度、濕度的條件下，合理降低系統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷，維持地埋管溫度場(chǎng)冷熱趨于平衡等。

（2）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評(píng)價(jià)階段主要包括事先評(píng)估、事中控制和事后評(píng)價(jià)，其中事后評(píng)價(jià)的測(cè)試環(huán)節(jié)要有針對(duì)性地測(cè)試容易反映系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀的參數(shù)。通過(guò)測(cè)定系統(tǒng)運(yùn)行中的特性參數(shù)才能確定系統(tǒng)的性能。

（3）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評(píng)價(jià)體系主要包括整體評(píng)價(jià)指標(biāo)、分項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)和費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗高的主要原因包括設(shè)備運(yùn)行效率低和系統(tǒng)無(wú)用功耗大，該評(píng)價(jià)體系可全面地反映系統(tǒng)運(yùn)行能耗和運(yùn)行能效情況。業(yè)主和用戶更為關(guān)心的是費(fèi)用評(píng)價(jià)指標(biāo)。