浙江省建筑设计研究院 310000
摘要 本文介绍了供暖空调系面临的挑战 ——量化的“双碳”目标或将成为设计约束, 如何应对挑战 —— 转变设计理念,关注技术进步!供暖空调系统节能、低碳实现途径 —— 技术路线与适宜措施
关键词节能 低碳
引言:
自上世纪70年代出现能源危机以来,能源的利用从粗放转向节约,能源的开采从无节制转向集约型开采,可持续发展成为了新的经济发展常态,节能减排成了当前的环保重要方式。公共建筑在我国建筑中的占比较高,而公共建筑的能耗主要部分就是空调能耗,空调的能源利用率直接关系到公共建筑的能耗,因此研究空调系统低碳化问题直接关系到我国公共建筑的能耗问题。通过各种空调系统节能措施来降低空调的能耗可以节约公共建筑的资源消耗总量。
一、供暖空调系面临的挑战
1.建筑节能永远在路上
为应对气候变化,我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值努力争取2060年前实现碳中和”等庄严的目标承诺。
目前建筑能耗约占全社会总耗27%,很快会超过30% —— 对实现“双碳”目标,举足轻重!建筑对实现“双碳”目标的贡献主要体现在“碳达峰”,但对“碳中和”难有明显贡献。建筑对“碳达峰”的贡献,体现在建造与使用直至拆除的全过程,其中降低其使用过程的化石能源消耗最为重要,占全过程总碳排放量的60%以上,节能设计+节能运行。全社会建筑面积,较长时间维持增加趋势的背景下,建筑“碳达峰”如何实现?唯一途经 :持续降低新建与既有单位建筑面积能耗和终端能耗低碳化!
持续降低单位建筑面积能耗和终端能耗低碳化的可能性“毋庸置疑”建筑节能标准的不断提高、低能耗超低能耗建筑的实践、高效机房与系统的推动、热泵与太阳能光伏/光热技术水平与经济性的提高、基于物联网的智慧化运行、用“长期运行数据”说话的低能耗建筑节能案例不断涌现 ……。
2.节能建筑不节能
坚定信心的同时,不能忽视确有相当数量“节能建筑不节能” 的窘境。绿色建筑评价数据的启示:相当数量采用多项“节能技术”,且造价不菲的绿色建筑未能实现预期的节能效果 ,甚至高于非绿色标识建筑,国际国内均有此现象。自开展绿色建筑标识评价开始至2019年末,获得运行标识的占比仅为约 7.4%
城市 | 绿色建筑项目总数 | 设计标识数量 | 运行标识数量 |
北京 | 409 | 357 | 52 |
天津 | 318 | 303 | 15 |
上海 | 725 | 685 | 40 |
总计 | 1452 | 1345 | 107 |
原因1:设计阶段与运行阶段分离的评价模式,设计阶段评价好过,因为“措施导向”仅需根据设计文件评价 ;运行阶段不好过,因为“结果导向”,必须用实际能耗数据说话。显然前者只需“合规设计”——设计工况下的“节能措施合规”;后者必须“性能化设计”—— 全年工况下的“预测能耗满足限值规定”。
原因2:认知偏差与重视不够,主要体现在6个方面:1.“合规”而非“性能化”设计 —— 设计不对能耗负责!而仅关心节能措施是否“合规” 但“合规”≠节能,至少≠充分节能。2.堆砌“节能”技术与产品,轻视合理设计重要性 —— 合理设计体现在:到位的负荷分析、适宜的系统形式、基于长期高效运行的设备容量选择与匹配、基于系统能效的供冷(热)温度、换热能力的适度“放大”…… 设计合理时,不仅保证节能,且往往“事半功倍”。3.轻视高效设备与负荷调节技术的价值 —— 重设备投资节省,轻能源消耗节约“惯性思维”。而现实是,完全能做到采用高效设备与负荷调节技术,不仅节能,且“有利可图”。4.轻“调试” 无“调适”—— 高速建设阶段的通病,“病态系统+系统病态”。到位的“调试”与“调适”是降低暖通空调系统运行能耗的保障。5.“运维”低要求、低水平、无激励 —— 运维人员缺乏培训、对系统特点与用户需求知之甚少。良好的运维是性价比最好的节能。代价不低、效果不佳、重展示轻实效的自控系统 —— “权责”不清,环节较多(设计、采购、安装、联调、运维),工艺与自控“两张皮”。相当程度上,节能是“运行出来的”
二、如何应对挑战 —— 转变设计理念,关注技术进步!
转变设计理念:充分认识供暖空调系统特点,耦合性、时变性(非稳态)、复杂性、多路径。
(1),与其他建筑用能系统相比,构成复杂且相互动态耦合!
(2)影响因素复杂且时时变化 —— 气象参数、建筑围护结构热工特性、建筑外部与内部空间形状、内热扰的不确定性。
(3)丰富多彩的能源与冷热源系统形式:传统能源、可再生能统、复合能源。设冷、热调峰的土壤源热泵系统 :地源热泵+冷却塔+燃气锅炉设调峰的地源热泵复合冰蓄冷系统:地源热泵+冰蓄冷+冷却塔+热网/燃气锅炉设调峰的地源热泵水蓄能系统 :地源热泵+水蓄能+ 冷却塔+燃气锅炉设冷、热调峰的地热复合地源热泵系统: 深层地热梯级利用+地源热泵+冷却塔+燃气锅炉城市污水处理厂(水质一级A)污水源热泵复合水蓄能系统:水源热泵+水蓄能设调峰的海水源热泵复合水蓄能系统 :海水源热泵+水蓄能+燃气锅炉。
(4)空调末端类型丰富,相近的室内热舒适标准,不同的能耗与CO2排放。
三、供暖空调系统节能、低碳实现途径 —— 技术路线与适宜措施
1.低温供热
冷热负荷比为 1:0.7、冷热源为埋管地源热泵、初定冷水7℃/12℃、供热温度,顾问方主张60℃/50℃,设计方主张供热温度45℃/38℃ ,最终采用了45℃/38℃ 的供热参数。系统投资降低约25%,COP提高约26%。
2.优化冷热源形式与利用可再生能源
(1)不同供热热源,单位有效供热量((供暖建筑终端用户得到的供热量)的碳排放。
系统类型 | 耗电量(kWh) | 燃气量(Nm3) | 发电煤耗(kgce/kWh) | 天然气折标煤系数(kgce/Nm3) | 标煤碳排放因子(kgCO2/kgce) | CO2排放(kg) | |
区域 | 事实 | ||||||
燃气锅炉 | 0.003 | 0.11 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.36 | 0.37 |
燃气三联供供热 | -1.55 | 0.157 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.31 | -1.1 |
空气源热泵 | 0.333 | 0.00 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.00 | 0.27 |
地源热泵供热 | 0.222 | 0.00 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.00 | 0.18 |
燃气压缩式热泵 | 0.020 | 0.06 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.19 | 0.21 |
燃气吸收式空气源热泵 | 0.039 | 0.07 | 0.31 | 1.214 | 2.66 | 0.22 | 0.25 |
热电联产城市热网 | -- | -- | 0.31 | 1.214 | 2.66 | -- | -- |
2)燃气分布式能源利用流程改变,一次能源效率相差近4倍。
3) “刻意”适度放大源与末端的换热面积 → 往往不仅节能,而且寿命期成本还会降低!
以冷却塔冷却塔为例:室外空气湿球温度27℃,原冷却水设计工况进出水温度为37℃ /32℃放大额定容量选型,将设计工况进出水温度变为为36℃/31℃,冷却塔投资增加80元/吨(循环水量)↑ 20%; 37℃/32℃时冷机COP=5.6,冷却水温度每降低1℃,冷水机组COP约提高2.5%~3.0%,平均电价0.9元/kWh, 计算得每kWh制冷量节电0.0022~0.0024kWh,节约电费0.002元~0.0022元, 即冷却塔运行4000h~3400h(2~4个供冷季)可收回增量投资。
3. 采用高能效产品.
(1)以某冷水机组为例: 600RT机组COP由5.59提高到5.89,价格增加12%,即48元/kW制冷量;COP由5.59提高到5.89 → 节电0.0092kWh(耗电)/kWh制冷量,又电价0.9元/kWh →节约电费0.0082/kWh制冷量 → 冷机累计制冷量达到约5853kWh时,收回为“高COP”付出的增量投资,约2.5~4个供冷季.
(2)费0.0082/kWh制冷量 → 冷机累计制冷量达到约5853kWh时,收回为“高COP”付出的增量投资,约2.5~4个供冷季电机效率仅提高了1.2%,投资增加20%,但由于年运行时间长(3000h),所以静态回收期仅为1.344年。
负载 | 效率 | 小时耗电 | 年运行 | 电价 | 售价 | 年电费 | 回收期 | |
kW | % | kWh | 小时数 | 元/kWh | 元 | 万元 | 年 | |
75 | EFF2 | 93.6 | 80.13 | 3000 | 0.96 | 18000 | 23.08 | 3600/2 678 |
EFF1 | 94.7 | 79.2 | 3000 | 0.96 | 21600 | 22.81 | ||
差值 | 1.18 | 0.93 | 0 | 0 | 3600 | 2678 | 1.344 |
四、结束语:
综上:“双碳”背景下的供暖空调系统节能 —— 量化节能减排要求,确保“节能”建筑百分百“真正”节能、减排。正确的技术路线往往是最高“性价比”的节能、减排,永远不能轻视设计之于供暖空调系统“节能减排”的重要性。
参考文献:
[1] 《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》 GB50736-2012
[2] 陆耀庆《实用供热空调设计手册》第二版 中国建筑工业出版社