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

實施能耗、碳排放的總量和強度調(diào)控，推動能源低碳、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、運行維護水平不高等因素影響，對地源熱泵系統(tǒng)進行運行優(yōu)化的項目偏少，未能進一步挖掘節(jié)能降碳的潛力。此外，國內(nèi)外對地源熱泵的節(jié)能評價方法的研究多數(shù)局限于一次能源利用率等方面，未能從整體、分項和費用等方面進行系統(tǒng)研究[1]。本文結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)某公辦學校地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)項目（以下簡稱“學校項目”），研究地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降碳優(yōu)化策略及評價方法。

1 項目概況

夏熱冬冷地區(qū)某公辦學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m2，冷熱源采用雙U地埋管420口，配置3臺螺桿式地源熱泵機組，總制冷量約1.8 MW。根據(jù)學校建筑空調(diào)系統(tǒng)用能特點，設(shè)計時采用辦公樓與宿舍樓錯峰供能方式，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)運行利用水平。

2 節(jié)能降碳優(yōu)化策略

2.1 設(shè)計優(yōu)化策略

筆者認為，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)需要進行節(jié)能降碳設(shè)計優(yōu)化。在項目前期方案策劃、可行性研究階段，根據(jù)項目條件，從技術(shù)經(jīng)濟層面考慮空調(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荷是否錯峰；等等。在項目初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段，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)計負荷，同時考慮水泵變頻、風機變頻和熱回收裝置應(yīng)用情況等[2]。

2.2 運行優(yōu)化策略

學校項目在制定節(jié)能降碳運行控制策略時，考慮地源熱泵機組根據(jù)用戶負荷側(cè)進行臺數(shù)調(diào)節(jié)及機組自身機頭調(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，二級泵變流量控制可根據(jù)末端負荷變化要求及時調(diào)整水泵運行臺數(shù)或水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)水量，并保持水泵在高效區(qū)運行達到最大節(jié)能效果[3]。風輸送系統(tǒng)節(jié)能運行主要是送風、回風及排風中在達到調(diào)節(jié)和控制空調(diào)房間空氣參數(shù)要求的前提下，盡可能減小風機電耗。綜合考慮學校寒暑假期、供冷供熱負荷變化等因素，地埋管冬季取熱量和夏季釋熱量的差別可能導(dǎo)致土壤源溫度場冷熱不平衡。因此，設(shè)計時在地源側(cè)管道設(shè)置了能量計，在不同地埋深度分別設(shè)置5個土壤溫度監(jiān)測探頭，夏季釋熱量過高時采用冷卻塔輔助散熱調(diào)節(jié)，維持地埋管溫度場冷熱趨于平衡[4-5]。

3 節(jié)能降碳評價方法

筆者在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)有的各種評價方法的基礎(chǔ)上，從用戶使用角度出發(fā)，并結(jié)合學校項目的實際運行情況，提出事先評估、事中控制和事后評價這3個節(jié)能降碳評價階段，并提出包含整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標的節(jié)能降碳評價體系。

3.1 評價階段

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降碳評價階段，主要包括事先評估、事中控制和事后評價。事先評估是在建筑能耗模擬軟件冷熱負荷模擬的基礎(chǔ)上，通過對不同備選方案的評價指標作對比分析，在優(yōu)選方案中進一步深化設(shè)計，得到最終的設(shè)計方案?？照{(diào)系統(tǒng)因前期方案不合理、設(shè)計不科學等原因造成的高能耗很難通過后期的運行管理來彌補，因此事先評估工作十分重要。事中控制是指對地源熱泵空調(diào)施工驗收過程進行控制，通過統(tǒng)計資料和現(xiàn)場活動信息與控制目標作對比分析，及時做出糾偏措施，執(zhí)行有力，回查監(jiān)督，保證項目施工滿足設(shè)計目的和使用功能要求。事后評價要有針對性地采集能反映系統(tǒng)運行現(xiàn)狀的參數(shù)，通過測定系統(tǒng)運行中的特性參數(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。每個測試參數(shù)反映出的是系統(tǒng)設(shè)備各部分的特性狀況，可以將模擬值和實測值進行對比，評估系統(tǒng)運行工況水平，最終實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳的目的。

3.2 評價體系

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評價體系分為整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標3類，共9項（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)備運行效率低和系統(tǒng)無用功耗大，該評價體系可全面地反映系統(tǒng)運行能耗和運行能效情況。業(yè)主和用戶更為關(guān)心的是費用評價指標，COE和CCE指標能夠準確反映地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的費用情況。

表1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評價指標體系

3.2.1 整體評價指標

（1）單位面積用電量CPC：整個地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)所有能耗（按不同供能季分類統(tǒng)計，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、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計，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）與系統(tǒng)供能建筑面積之比。

式中：ΣW——熱泵主機、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計，折算成用電量），kW·h；

n——所在區(qū)域電網(wǎng)排放因子，無量綱；

S——供能建筑面積，m2。

（3）空調(diào)系統(tǒng)單位能量用電量CEC：評價地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實際能量利用效率的指標，評價各種節(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、循環(huán)水泵、冷卻塔、水處理設(shè)備、定壓補水裝置、空氣處理機組、新風機組、風機盤管、電動閥等系統(tǒng)用電設(shè)備能耗之和（按不同供能季分類統(tǒng)計，折算成用電量），kW·h；

Q——不同季節(jié)供能量，kW·h。

3.2.2 分項評價指標

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

式中：Qs——熱泵主機在整個制冷季的制冷量，kJ；

Ws——熱泵主機在整個制冷季的耗電量，kJ。

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

式中：Qw——熱泵主機在整個供暖季的制熱量，kJ；

Ww——熱泵主機在整個供暖季的耗電量，kJ。

（3）水系統(tǒng)輸送能效比ER。測得水泵電機的實際電功率、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——電機功率因數(shù)，無量綱；

V——水泵實際流量，m3/s；

ΔT——供回水溫差，℃。

（4）風系統(tǒng)單位風量耗功率Ws。測得風機電機的實際電功率、風量參數(shù)，即可確定風系統(tǒng)單位風量耗功率。Ws值越小，表示單位風量所消耗的電量越少，風系統(tǒng)就越節(jié)能。

式中：Ws——單位風量實際耗功率，w/（m3/h）；

U——電壓值，V；

I——電流值，W；

cosφ——電機功率因數(shù)，無量綱；

Vs——實際風量，m3/h。

3.2.3 費用評價指標

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

式中：M——年能源消耗總費用，元；

S——系統(tǒng)供能建筑面積，m2。

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

式中：M——年能源消耗總費用，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)計優(yōu)化策略和運行優(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)計負荷，維持地埋管溫度場冷熱趨于平衡等。

（2）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評價階段主要包括事先評估、事中控制和事后評價，其中事后評價的測試環(huán)節(jié)要有針對性地測試容易反映系統(tǒng)運行現(xiàn)狀的參數(shù)。通過測定系統(tǒng)運行中的特性參數(shù)才能確定系統(tǒng)的性能。

（3）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降碳評價體系主要包括整體評價指標、分項評價指標和費用評價指標。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗高的主要原因包括設(shè)備運行效率低和系統(tǒng)無用功耗大，該評價體系可全面地反映系統(tǒng)運行能耗和運行能效情況。業(yè)主和用戶更為關(guān)心的是費用評價指標。