合肥某商业项目热源系统减碳设计方法

2022-09-23 09:31简亚婷华东建筑设计研究院有限公司
节能与环保 2022年8期
关键词:燃气锅炉热源源热泵

文_简亚婷 华东建筑设计研究院有限公司

1 项目概况

合肥某商业项目总建筑面积约23万m2,地上7层、地下3层,建筑总高度49m。地上建筑面积约13万m2,主要业态为餐饮、主力店等;地下约10万m2,B1层主要为商铺、B2~B3层主要为机动车库、非机动车库和人防工程。其室内外设计参数详见表1及表2。

表1 合肥室外计算参数

表2 商业区域空调室内设计参数①

2 全年逐时负荷模拟

采用eQUEST计算负荷,以全年8760h动态负荷结果为基础,进行各方案的设备选型。模拟时供暖设备设置的开启时间为12月5日至3月5日。

负荷计算结果见图1。项目的峰值热负荷为7302kW,单位空调面积热负荷指标为63.8W/m2,单位累计热指标为46.83kWh/m2。由图2和表3可知供暖设备在40%~70%负荷率下的运行时间最长,60%以下的空调热负荷时长占供热时段总时长67.4%,90%以下的空调热负荷时长占供热时段总时长96.4%。根据热负荷分布特点,合理分配空气源热泵承担设计负荷的比例,对减少热源系统碳排放量,避免不必要的初投资浪费,具有实际意义。

表3 合肥某商业项目空调热负荷分布表及对应室外平均温度

图1 合肥某商业项目全年8760h逐时冷热负荷

图2 合肥某商业项目热负荷率分布图

3 系统配置

空气源热泵可正常运行制热工况的室外温度为-10℃~30℃。经厂家咨询,当室外气温为-1.5℃以下时机组将启动融霜工况,但时间不超过总运行时间的20%。图6为市面上三个厂家提供的空气源热泵机组在表3对应的环境干球温度下45℃出水时的COP曲线图(考虑融霜修正后的COP)。随着室外干球温度下降,空气源热泵的制热COP逐渐降低 ,但即使室外温度为-10℃时,机组COP仍大于2.0。下文采用MD品牌的COP值进行计算。

燃气锅炉单价供热量计算见式(1):

式中U燃—燃气锅炉供热单价,MJ/元;Q燃—燃气锅炉天然气热值,取35MJ/Nm3;η—燃气锅炉热效率,取0.94;P燃—天然气单价,合肥为3.16 元/Nm3。

空气源热泵单价供热量计算见式(2):

式中U空—空气源热泵供热单价,MJ/元; COP—空气源热泵在不同室外温度下的COP值;P电—电单价,合肥工商业平均电价为 0.589元/kW·h。

联立公式(1)、(2),基于合肥的价格体系,经计算当COP=1.71时燃气锅炉及空气源热泵的运行费相等,此COP对应的室外温度下两系统运行费(不含水泵)相等。所选空气源热泵机组-10℃时对应的制热COP=2.23>1.71,合肥的冬季空调室外计算温为-4.2℃>-10℃,因此合肥冬季优先开启空气源热泵相较于燃气锅炉具有更好的经济性。

空气源热泵与燃气热水锅炉联合供热系统,空气源热泵机组的设计供回水温度为45℃/40℃,燃气热水锅炉的设计供回水温度为50℃/40℃。联合热源系统的运行控制策略如下:

①热水系统空气源热泵侧和真空燃气热水锅炉侧都为一次泵定流量系统,循环水泵定频运行;

②满负荷工况下,通过电动调节阀调节空气源热泵及燃气热水锅炉的供热比例,共同承担热负荷;

③部分负荷工况下,优先开启空气源热泵机组,系统为定流量、定供水温度运行,通过改变空气源热泵机组运行台数来控制供热量及电动阀开度,当回水温度低于设定温度40℃时,判定供热量不足时开启燃气锅炉。锅炉和热泵联合运行时,锅炉出水温度设定为50℃,空气源热泵供水温度设为45℃。

4 经济技术分析

初投资和运行费用这两个指标只能反映出各方案经济性的一面,要对各方案进行综合经济比较可以使用费用年值法。本项目采用费用年值法对联合供热系统进行比选。

设备初投资主要考虑热源机组及水泵,空气源热泵初投资按450元/W,对应水泵按18元/W;燃气锅炉初投资按120元/W,对应水泵按12元/W。由于燃气锅炉的初投资仅为空气源热泵的27%,且燃气锅炉具有在极端天气仍可稳定供热的特性,所以考虑热源设备70%的备用率后燃气锅炉的额定制热量取8400kw。

空气源热泵按照承担设计负荷的0%、10%、20%、30%、33%、40%、50%、60%、67%、70%、80%、90%、100%的条件下进行计算各方案的初投资、运行费及费用年值。其中33%及67%的取值主要考虑到原设计三台真空燃气锅炉后期改造为空气源热泵的可能性。

燃气锅炉运行费用计算见式(3):

式中Q—热负荷 kW;D—锅炉一年运行的天数;H—锅炉一天运行的小时数;Q燃—燃气锅炉天然气热值,取8600kcal/m3;η—燃气锅炉热效率,取0.94;P为天然气单价,合肥取值为3.16 元/Nm3。

空气源热泵运行费用计算见式(4):

式中Q—热负荷kW;D—空气源热泵一年运行的天数;H—空气源热泵一天运行的小时数;COP—热泵的效率值;P电—电单价,合肥按 0.589元/kW·h来计算。

动态费用年值的计算见式(5):

式中AW—费用年值(万元);Co—初投资,包括设备费等(万元);i—利率,取5%;m—使用寿命(年),空气源热泵机组15年,燃气锅炉、水泵10年;C—年运行费用(万元)。

由图3可知,空气源热泵承担设计负荷占比越多,设备总初投资越大,年运行费越小。水泵运行费仅占热源系统运行费的1%~3%。如图4当空气源热泵承担设计负荷占比为67%时,供热系统的费用年值最小,仅为159万元,其经济性最好。相较于单独使用燃气锅炉,可节约28%的费用年值。相较于单独使用空气源热泵,可节约9%。这说明燃气锅炉与空气源热泵联合供热在合肥具有可观的经济性。

图3 空气源热泵承担不同设计负荷下费用指标曲线图

图4 空气源热泵承担不同设计负荷下费用年值曲线图

5 碳排放量分析

燃气锅炉单位热量的碳排放量计算见式(6):

式中Cm—燃气锅炉的单位热量的碳排放:t/kW;Q—建筑物负荷,kW;C气—天然气单位热值CO2排放因子,tCO2/GJ。空气源热泵单位热量的碳排放量计算见式(7):

式中Cm—空气源热泵单位热量的碳排放:t/kW;Q为建筑物负荷,kW;COP—空气源热泵在不同温度下的COP修正值;C电—电力CO2排放因子, t CO2/ MW·h。

联立公式(6)、(7),代入C气为0.06t CO2/GJ,可知当COP数值为C电数值的4.63倍时,这两种方案的碳排放量相等。合肥当地的电力CO2排放因子可参照上海当地的数值。2022年上海采用外购电力排放缺省因子CO2排放系数平均值为0.42t CO2/MWh,天然气热值取35MW/Nm3。计算可知,当空气源热泵平均COP=1.95时,热源采用空气源热泵与燃气热水锅炉的碳排放量相当。由图5可知,在合肥使用空气源热泵相较于燃气锅炉将更加减碳。

根据公式(6)及公式(7)计算得出,空气源热泵承担不同设计负荷情况下热源系统的碳排放量,结果如图5所示。①当设计比例小于60%时随着空气源热泵承担设计负荷占比的增加,碳排放量逐渐减小;②设计比例在60%~100%之间时,碳排放量的降低率逐渐下降;③当设计比例为67%时,碳排放量达到最小值,甚至比单独使用空气源热泵还小;④水泵的碳排放量占热源系统的比例约为1.2%~4%。经计算当空气源热泵的配置比例为67%时与单独设置燃气锅炉相比,单位费用年值降低的碳排放量最大,数值为3.46t/万元·a。

图5 空气源热泵承担不同设计负荷下碳排放量曲线图

综合以上热源系统费用年值及碳排放量对比结果,并考虑项目屋顶实际可使用的设备区域及设备台数,业主最终选用了67%容量占比的空气源热泵加燃气锅炉方案。

6 结语

①在合肥冬季室外温度及能源价格体系下,空气源热泵费用年值低于燃气锅炉,当空气源热泵承担设计负荷占比为50%~70%时,费用年值较小,比例为67%时,费用年值达到最低。

②在合肥空气源热泵的碳排放量低于燃气锅炉。随着空气源热泵承担设计负荷占比的增加,碳排放量逐渐减小,当设计比例为67%时,碳排放量达到最小值。这为热源系统电气化提供了依据。

③空气源热泵与燃气锅炉联合供热系统具有较好的经济性,碳排放量较单独使用燃气锅炉更低,使用较低的经济代价即可收到较好节能减碳效果。当空气源热泵的设计比例为67%时与单独设置燃气锅炉相比,单位费用年值降低的碳排放量最大。

④夏热冬冷地区的公共建筑可根据当地冬季的室外温度及能源价格体系和碳排放因子来计算适合当地的联合供热系统中空气源热泵容量的占比。新建及改建项目可根据现有的设备区域条件来综合考虑空气源热泵容量占比。

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