无锡英特宜家购物中心全生命周期能耗及碳排放研究分析

无锡英特宜家购物中心全生命周期能耗及碳排放研究分析

方向

上海东方延华节能技术服务股份有限公司 上海 200000

摘要：建筑投资回报形式主要来源于未来建筑使用过程中节省的能源费用，因此在公共建筑全生命周期运行研究中，对建筑用能系统能耗计算是必不可少的。本文针对无锡因特宜家购物中心（IICC）提出一系列节能运行策略，在一定假设条件下，简化全生命周期成本数学模型，通过能耗模拟软件对比不同用能系统全生命周期成本与碳排放。

关键词：全生命周期成本、节能策略、能耗模拟、碳排放

1 概述

根据美国Vet-erans Affairs机构调查显示，在对其负责的全国172家医疗中心共2000栋建筑的运营及维护，采用40年分析周期和5%的折现率进行生命周期成本分析，发现运营及维护费用是建造成本的7.7倍。据测算，现在建筑的运行和维护成本占到建筑全生命周期内总成本的35%以上，因此全生命周期成本分析越来越为人们所接受。

无锡因特宜家购物中心（IICC）项目共四层，建筑面积约21.9万m2，夏季冷负荷14550kW，冬季热负荷3316kW。本研究首先对该项目一次节能策略、二次节能策略以及可再生能源策略进行了技术可行性分析，然后结合不同的用能系统的能耗模拟结果，分析不同的用能系统全生命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）和碳排放。

2 全生命周期成本与碳排放分析法

全生命周期成本（LCC）是指一个建筑物或建筑系统在一段时期内的拥有、运行、维护和拆除的总成本，概括为初始化成本和未来成本。LCC理论，指导建设方自觉地、全面地从工程项目全生命周期出发，综合考虑项目或系统的建造成本和使用成本（运营与维护成本），选择最佳的投资方案，实现工程项目建设的最大经济效益与最大社会效益。全生命周期碳排放是指把一个产品的生命周期看成一个系统，该系统由于消耗能源、资源向外界环境排放的总的CO2当量。

2.1全生命周期成本函数

项目的全生命周期成本是通过把各种成本以净现值的方式体现并加和，同时减去例如残值等的现金注入的现值。根据这个概念可以得到一个通用公式:

                 (1)

式中C0为建筑用能系统初始建设成本，Ci为第i年系统运行维护费用，S为残值，T为生命周期，t为时间变量，d为折现率。

                             (2)

联立（1）式、（2）式，则用能系统全生命周期成本：

                       (3)

2.2碳排放

一个产品或服务的碳排放表示该产品或服务在全生命周期排放的CO2和其它温室气体的总量，通常所有温室其它排放量用CO2当量表示。

3 节能策略技术可行性分析

3.1 一次节能策略

无锡位于夏热冬冷地区，全年室外空气平均温度约为16.9℃，在过度季节室外平均气温约20℃，相对湿度较高。一次节能策略的可行性技术一般包括高效LPD（节能率3%～4%）、免费冷源（节能率3%高效水泵～4%）、CO2传感器（节能率0.5%～1%）、空气侧热回收（节能率1%～2%）、高效风机（节能率3%～5%）、高效水泵（节能率1%～2%）、一次泵变频（节能率1.5%～2%）、冷水机组变频（节能率2%～3%）、冷却塔变频（节能率0.5%）等。

3.2 二次节能策略

3.2.1 冰蓄冷

在无锡，针对蓄能系统，峰谷电价差2.3倍，高峰电价0.798 RMB/kWh，低谷电价0.346 RMB/kWh。建议针对本项目，采用部分负荷蓄冰系统，0:00~8:00双工况主机制冰，白天主机和冰槽联合供冷。

3.2.2 地/水源热泵

无锡购物中心项目位置远离地表水，考虑到一楼停车场，它有足够的面积来安排地下管道。在无锡在低于地面10m的地层，地标温度常年稳定在18.9℃，因此，地源热泵可用于无锡IICC项目。参考无锡其它项目，使用双U型埋管地源热泵，打孔间距4m，埋深60m，可实现埋管换热25W/m2。

3.2.3 热电联产

热电联产有两种设计方案：

·优先满足热负荷要求，热电联产系统产生的能量优先满足项目的供热需求，热电联产系统的电能满足项目的其它用电需求，如果电力不能满足项目需求，将电网作为补充能源；

·优先满足供电需求，热电联产系统优先满足供电需求，热电联产产生的热能将作为锅炉和吸收式制冷机的热源。

无锡IICC项目，第一个方案是最佳选择。在夏季，热电联产系统提供吸收式制冷剂所需热源，电动式冷水机组作为补充冷源；在冬季，热电联产系统提供热源和制冷机组所需电能。

3.3 可再生能源策略

3.3.1 生物质能

在无锡，可以从周边地区打包购买木屑和秸秆，生物质能锅炉的热效率可达80％以上，因此IICC项目选择生物质能在方案上是可行的。对于本项目，生物质能提供了空调供热和生活热水所需能量（27,054,367 kWh/年），按秸秆热值为17,500kJ/kg、秸秆消耗量6,957吨/年、秸秆采购单价350元/吨计算，生物质能初始投资估算为2,434,893元。

2.3.2 太阳能热水系统

在无锡，太阳年总辐射约为1250kWh/m2，由于受塔式建筑和周围建筑阴影效应的影响，太阳年辐射量约为900kWh/m2，考虑集热器的效率为0.95，管道的热损失为10％，由太阳能集热板产生的热量大约是每年770kWh/m2。根据国家的相关激励政策，太阳能热水系统适用于IICC项目。按生活热水用能2,482,920kWh、太阳能板年产热量770kWh/m2计算，太阳能热水系统初始投资估算为5,808,000元。

2.3.3 太阳能光伏系统

由于太阳能光伏系统产生的电量取决于太阳光照强度以及光伏面板的效率，无锡太阳能年辐射量可达900kWh/m2，根据制造商提供信息，可供两种类型光伏板，不透明BIPV(效率13％)，透明BIPV(效率8％)。根据建筑屋顶面积计算，太阳能光伏系统初始投资估算为292,997,600元。

4 不同用能系统全生命周期成本与碳排放对比分析

4.1 二次节能策略系统

表1给出10种不同组合的用能系统，其中包括：冷热电三联供、热电联产、地源热泵、冰蓄冷等二次节能策略，对不同的用能系统进行了全生命周期成本和碳排放分析。

表1 不同用能系统方案

不同系统LCC成本及碳排放如下图所示：

图1 不同系统LCC成本及碳排放

根据图1结果可以得出以下结论：

·由于蓄冷系统采用的峰谷电价差，SE06（冰蓄冷系统）运行成本和LCC成本最低；

·SE01初投资最低，选择集中供热代替锅炉供热使其有较低的LCC成本，紧高于SE06；

·对比SE02a~SE02d可以看出，对于CCHP系统，输出电量越大，选择的燃气轮机越大，初投资越大且LCC成本越高，碳排放也越高；

·SE05初投资和运行成本相对较高，但是突出的优势就是零碳排放，随着碳排放交易市场的不断成熟，减少碳排放经济效益将慢慢得以体现。

4.2 可再生能源策略系统

表2给出7种不同组合的可再生能源系统，其中包括：太阳能热水系统、太阳能光伏系统、生物质能系统等，对不同的用能系统进行了全生命周期成本和碳排放分析。

表2 不同可再生能源系统方案

由表3可以得出如下结论：

·对比RE01~RE01b，随着太阳能热水系统供水容量减小，供生活热水系统年运行成本越高，LCC成本不断增大，由于太阳能热水不足部分，由集中供热水补充，所以碳排放保持不变均为578吨；

·太阳能光伏系统碳排放高达4587吨，但是太阳能光伏项目比较依赖政府补贴，没有政府补贴政策，太阳能光伏系统LCC成本很高；

·相较于太阳能热水系统，生物质能系统有较高的运行成本，若生活用水系统和供暖均采用生物质能系统，其碳减排能力突出，达到6296吨。

5 结论

本论文采用全生命周期的方法，计算分析了无锡IICC采用不同二次技能策略和可再生能源策略情况下的全生命周期成本和碳排放。结果显示：

1)CCHP系统全生命周期成本和碳排放都是最高；

2)吸收式制冷+集中供热系统可以实现零碳排放，但是LCC成本相对传统基准方案高26.3％；

3)冰蓄冷系统由于峰谷电价差的原因，LCC成本最低，比基准方案低6.1％；

4)所有的可再生能源系统中，太阳能光伏系统过分依赖政府财政补贴政策，生物质能系统运行成本较高，太阳能热水系统LCC成本最低，项目适用性最高。

  LCC成本分析和碳排放一直是两个分析方向，但是随着碳排放交易市场的不断成熟，碳排放将以经济效益的形式体现出来，碳排放即可以体现在LCC成本分析中，LCC成本分析也真正能做到产品全生命周期的“绿色化”。

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