基于重慶辦公建筑的淺層地溫能開發(fā)效益研究

陳 攀 陳 靜

（重慶大學(xué) 重慶 400044）

0 引言

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在0～200m范圍以內(nèi)的淺層地表、溫度低于25℃的巖土體、地下水、地表水中具有開發(fā)利用價值的地溫能[1]，淺層地溫能具有開發(fā)利用不受地區(qū)、資源等條件限制的特點(diǎn)[2]。

開發(fā)利用淺層地?zé)崮茏钪饕男问骄褪堑卦礋岜孟到y(tǒng)。上世紀(jì)70年代地源熱泵開始真正意義上的商業(yè)應(yīng)用[3]；80年代初，土壤源熱泵的研究逐漸活躍，歐洲先后開展了多次大型的土壤源熱泵的專題國際學(xué)術(shù)會議[4]，這一時期主要是研究地埋換熱器的地下?lián)Q熱過程以及建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值仿真[5]；90年代末期，美國、歐洲等地對與地源熱泵系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境開展了研究[6]。在地源熱泵技術(shù)方面的研究，我國相對于西方發(fā)達(dá)國家起步較晚[7]；90年代后掀起了一波研究地源熱泵的熱潮；2005年以來，我國陸續(xù)對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，例如：地下埋管管路在工作期間土壤溫度的變化規(guī)律以及這種變化對換熱的影響；地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)值模擬等。目前，我國的淺層地溫能已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模的推廣應(yīng)用階段。但國內(nèi)外對于淺層低溫能的開發(fā)效益研究的不多，本文通過對重慶典型辦公建筑建立DeST能耗模型、效益計算等研究，分析其經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，得出在重慶地區(qū)利用淺層地溫能具有很大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。

1 典型辦公建筑建模

根據(jù)中國建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)、相關(guān)的規(guī)范、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)研數(shù)據(jù)等，利用DeST建立典型辦公建筑模型[8]，反映重慶普遍的辦公建筑的典型模型。圖1是所建典型建筑模型圖，圖2是房間逐時溫度設(shè)定圖，圖3是房間照明開關(guān)時間圖。取重慶空調(diào)制冷季節(jié)為5月1日到9月30日，制熱季節(jié)為12月1日到2月28日，則全年逐時空調(diào)負(fù)荷圖如圖4所示。即該某辦公建筑面積為41280m2，全年最大熱負(fù)荷為1792.75kW，全年最大冷負(fù)荷為4477.23kW，最大建筑熱負(fù)荷指標(biāo)為43.41W/m2，最大建筑冷負(fù)荷指標(biāo)為108.61W/m2。

圖1 某辦公建筑計算模型Fig.1 Calculation model ofAn office building

圖2 辦公建筑房間逐時溫度設(shè)定Fig.2 Hourly temperature setting of office building

圖3 辦公建筑房間照明設(shè)定Fig.3 Hourly lighting setting of office building

圖4 辦公建筑全年逐時空調(diào)負(fù)荷Fig.4 Year-round air conditioning load of office building

2 淺層地溫能應(yīng)用效益項目分類

環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益是淺層地溫能利用評價中的必備因素。《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》GBT50801-2013則規(guī)定了應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)項目的評價指標(biāo)，且規(guī)定了環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的計算方法。本文根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》將效益分析的計算項目分為全年常規(guī)能源替代量（噸標(biāo)煤）、二氧化碳減排量（噸/年）、二氧化硫減排量（噸/年）、粉塵減排量（噸/年）、年節(jié)約費(fèi)用（元/年）。其計算方法規(guī)定如下。

2.1 常規(guī)能源替代量

（1）地源熱泵系統(tǒng)常規(guī)能源替代量Qs應(yīng)按下式計算：

式中，Qs為常規(guī)能源替代量，kgce；Qt為傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗，kgce；Qr為地源熱泵系統(tǒng)的總能耗，kgce。

（2）對于采暖系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗應(yīng)按下式計算：

式中，Qt為傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗，kgce；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，MJ/kgce，取值29.307MJ/kgce；QH為供暖季累計熱負(fù)荷，MJ；ηt為以傳統(tǒng)能源為熱源時的運(yùn)行效率。

（3）對于空調(diào)系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗Qt應(yīng)按下式計算：

式中，Qt為傳統(tǒng)系統(tǒng)的總能耗，kgce；Qc為供暖季累計熱負(fù)荷，MJ；D為每度電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，kgce/kWh，本文取值0.404kgce/kWh；EERt為傳統(tǒng)制冷空調(diào)方式的系統(tǒng)能效比。

（4）整個供暖季（制冷季）地源熱泵系統(tǒng)年耗能量應(yīng)根據(jù)實(shí)測的系統(tǒng)能效比和地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)建筑累計冷熱負(fù)荷按下列公式計算：

式中，Qtc為地源熱泵系統(tǒng)年制冷總能耗，kgce；Qth為地源熱泵系統(tǒng)年制熱總能耗，kgce；D為每度電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，kgce/kWh，本文取值0.404kgce/kWh；QC為供暖季累計熱負(fù)荷，MJ；QH為供暖季累計熱負(fù)荷，MJ；EERsys為熱泵系統(tǒng)的制冷能效比；COPsys為熱泵系統(tǒng)的制熱能效比。

由式（1）-（5）可得常規(guī)能源替代量計算公式如下：

2.2 環(huán)境效益評價

（1）地源熱泵系統(tǒng)CO2減排量按下式計算：

式中，Qco2為二氧化碳減排量，噸/年；Qs為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量，噸/年；2.47為標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放因子，無量綱。

（2）地源熱泵系統(tǒng)SO2減排量按下式計算：

式中，Qso2為二氧化硫減排量，噸/年；Qs為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量，噸/年；0.02為標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化硫排放因子，無量綱。

（3）地源熱泵系統(tǒng)粉塵減排量按下式計算：

式中，Qft為粉塵減排量，噸/年；Qs為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量，噸/年；0.01為標(biāo)準(zhǔn)煤的粉塵排放因子，無量綱。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益評價

地源熱泵系統(tǒng)年節(jié)約費(fèi)用Cs應(yīng)按下式計算：

式中，Cs為地源熱泵系統(tǒng)的年節(jié)約費(fèi)用，元/年；Qs為常規(guī)能源替代量，kgce；Q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，MJ/kgce，本文按標(biāo)準(zhǔn)取q=29.307MJ/kgce；P為常規(guī)能源價格，元/kWh；M為每年運(yùn)行維護(hù)增加費(fèi)用，元。

3 辦公建筑淺層地溫能應(yīng)用效益計算

參照重慶市《地埋管地源熱泵技術(shù)規(guī)程》在選擇系統(tǒng)冷熱源的時候一般按照冬季熱負(fù)荷的大小來選擇地埋管熱泵機(jī)組，按照地埋管熱泵機(jī)組與項目總冷負(fù)荷的制冷能力差選擇常規(guī)冷水機(jī)組作為輔助冷源。選擇地埋管熱泵機(jī)組規(guī)格參數(shù)：制熱量為1880kW，制冷量為1730kW。

計算得到該建筑地埋管熱泵機(jī)組承擔(dān)累計熱負(fù)荷為809022kWh，累計冷負(fù)荷為896553kWh。

對該辦公樓建筑進(jìn)行集中熱水供應(yīng)設(shè)計小時耗熱量計算，計算結(jié)果如表1所示，計算熱水全年累計耗熱量時，每年工作日按照250天計算，另根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定及重慶大學(xué)實(shí)驗室實(shí)測數(shù)據(jù)重慶市冷水冬季取7℃，過渡季節(jié)取15℃，夏季取20℃。

表1 該辦公建筑集中熱水供應(yīng)耗熱量Table 1 Heating load of hot water the office building

取地源熱泵空調(diào)機(jī)組制冷性能系數(shù)為4.99，制熱性能系數(shù)為4.55；地源熱泵熱水機(jī)組性能系數(shù)為3.75，將地埋管熱泵機(jī)組運(yùn)行釋熱量及吸熱量計算如表2所示。

表2 該辦公建筑地埋管熱泵機(jī)組運(yùn)行釋熱量及吸熱量Table 2 Heat releasing and absorption of ground source heat pump the building

將上面所得累計冷熱量值代入上節(jié)所述效益計算公式，計算得到各項效益結(jié)果，再將淺層地溫能應(yīng)用效益進(jìn)行面積指標(biāo)化得到表3。

表3 該辦公建筑淺層地溫能應(yīng)用效益面積指標(biāo)Table 3 Benefits index from shallow geothermal energy for the office building

由表3可知，在無集中熱水、考慮熱平衡的情況下，每利用1m2淺層地?zé)崮芸梢蕴娲?.777kg標(biāo)煤，減排 6.859kg CO2、0.056kg SO2、0.028kg粉塵，年節(jié)約3.888元；在有集中熱水、不考慮熱平衡的情況下，每利用1m2淺層地?zé)崮芸梢蕴娲?.698kg標(biāo)煤，減排9.134kg CO2、0.074kg SO2、0.037kg粉塵，年節(jié)約5.178元；其他情況都介于這兩種情況之間。

4 結(jié)論

（1）利用DeST能耗模擬軟件對重慶市辦公樓模型進(jìn)行了模擬計算。由于對建筑大量簡化，導(dǎo)致最終能耗數(shù)據(jù)不是絕對準(zhǔn)確。

（2）從表3可以看出，4種應(yīng)用模式下利用淺層地溫能，大約每平米可以替代3kg標(biāo)煤，減少8kg CO2排放、0.06kg SO2排放、0.03kg粉塵排量，同時節(jié)約了4.6元。

（3）運(yùn)用DeST能耗模擬軟件模擬建筑是一種方便快捷的方法，雖然只是對實(shí)際情況的近似模擬，但是對于分析能耗以及研究淺層地溫能效益有較大的參考價值。

（4）由模擬得出的結(jié)果，可以估算得出整個地區(qū)的淺層地溫能的開發(fā)效益，激勵開發(fā)淺層地溫能。