西藏地区民居建筑太阳能 空气源热泵供暖系统性能及碳排放浅析.pdf

针对西藏地区民居建筑，进行了被动式建筑节能研究，模拟了建筑负荷，采用太阳能空气源热泵系统进行冬季供暖。分析了系统能耗、全寿命周期投资运行单价及碳排放情况。结果表明，太阳能空气源热泵供暖系统具有运行能耗低、运行费用少，碳排放量小等特点，具有显著节能效果和减碳作用。关键词：太阳能；空气源热泵；供暖；碳排放；西藏杨方德，男，年生，硕士研究生，高级工程师 上海虹口区逸仙路 号 ：收稿日期：引言建筑耗能与工业耗能、交通耗能并列，成为我国三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能，伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上扬趋势。建筑能耗约占全社会总能耗的，其中供暖和空调能耗约占总能耗。西藏太阳能资源全国排第一，对于西藏地区广大民居建筑，充分利用当地太阳能资源用于冬季供暖，不仅可以解决供暖用能问题还可以保护和改善生态环境，提高生活质量，同时降低建筑供暖成本，减少建筑碳排放，可为实现碳达峰碳中和发挥重要的作用。典型民居被动式建筑设置 建筑模型以西藏地区典型民居建筑为研究对象，大部分的建筑是家独栋别院相邻布置，根据人数的不同，有着不同的户型，楼有朝南的露台，厨房和厕所均朝北。但经过分析，该户型最大的缺陷是体型系数不满足 建筑节能与可再生能源利用通用规范 的要求。本文针对体形系数不满足的问题进行重新设计，将前院的厨房挪至后面整体建筑内，使新户型体型方正，无进退凹凸。优化后的典型户型体形系数降为 ，小于寒冷地区 的要求。经过 模型软件计算比对，对于典型户型进行了屋顶、外窗、层高、外墙等比选，最终该户型满足 建筑节能与可再生能源利用通用规范 的要求，且可以将单位面积热负荷降到最低，整体热工性能可满足 节能要求。典型建筑围护结构构造及传热系数见表。表典型建筑围护结构构造及传热系数材料构造传热系数（）外墙 水泥砂浆 挤塑聚苯板 加气混凝土砌块 水泥砂浆 楼板 水泥砂浆 细石混凝土 挤塑聚苯板 水泥砂浆 钢筋混凝土 屋面 细石混凝土 水泥砂浆 挤塑聚苯板 水泥砂浆 轻集料混凝土清捣 钢筋混凝土 地面瓷砖面层 挤塑聚苯板 水泥砂浆找平层 垫层素土夯实 外窗层中空 玻璃断桥铝合金窗 分别从户型和体形系数、窗户尺寸及玻璃选择、层高和保温材质等方面入手，进行建筑热负荷敏感性单因素分析，得出：）拥有好的保温隔热性能，前提是有好的户型，符合规范的体形系数；）合适的开窗尺寸 北向 高度开窗，南向 开窗；）合适的层高 为宜；）优质的门窗材料和保温材料也意味着高昂的价格，在经济性和材料性能上综合考虑，决定采用挤塑聚苯板作为屋顶和外墙的保 温 材 料，外 窗 采 用 木 窗 框 单 层 银 膜 玻璃 真空层单层银膜 玻璃的设计，建筑热负荷最小；）优良的施工工艺，减小热桥对于建筑热负荷的影响及高气密性，都很重要。建筑热负荷模拟选取以上典型建筑进行供暖季热负荷模拟。该建筑为层框架结构，层高均为，建筑总面积为 ，包括个起居室、个卧室、个厨房、个卫生间和个储藏室。根据典型建筑结构和当地气象参数，进行建筑供暖负荷模拟，选取当年 月 日至次年月 日为供暖季，忽略建筑内部人员、设备及照明等散热的影响，全年供暖热负荷如图所示，其中月份最大日供暖负荷为 ，月总负荷为 ；月份最大日供暖负荷为 ，月总负荷为 ；全年总热负荷为 ，最大逐时供暖热负荷为 ，设计逐时负荷最大值为 。图典型建筑供暖季逐时热负荷供暖系统全年能耗计算 供暖系统设置供暖供热暖通空调 年第 卷增刊采用太阳能空气源热泵联合供暖，充分利用太阳能集热，当阴天和夜间时，启动空气源热泵作为辅助热源，其中太阳能集热系统采用平板型集热器。建筑物供暖所需太阳能集热器总面积为 （）（）式中为太阳能集热器面积，；为太阳能集热系统设计负荷，；为太阳能保证率，取；为当地纬度倾角平面 月平均日辐照量，（），取 （）；为太阳能集热器全热集热效率，取 ；为管路及贮热装置热损失率，取。计算得 ，每台集热器，需设置台集热器。空气源热泵选用超低温型冷暖空气源热水机组，额定制热量为，出水温度为，供回水温差为。末端装置采用辐射地埋管，水系统循环泵参数为：流量，扬程，功率 ，一用一备。供暖系统能耗模拟选取当年 月 日至次年月 日为供暖季，保持供暖末端及水系统循环泵参数不变，分别对单独锅炉供暖（额定容量 ）、空气源热泵供暖（额定制热量）、太阳能（集热器面积）空气源热泵供暖（额定制热量）联合系统种不同热源进行能耗模拟，模拟结果见表。由表可以看出：太阳能空气源热泵供暖系统能耗低于单独空气源热泵供暖系统能耗和单独锅炉供暖系统能耗；太阳能空气源热泵供暖系统能耗约占空气源热泵供表不同热源形式下建筑能耗模拟结果锅炉空气源热泵太阳能空气源热泵年能耗（）建筑面积 单位面积年能耗（）水泵能耗（）可再生能源消耗（）暖系统能耗的，节能率为 ；约占锅炉供暖系统能耗的，节能率为 。供热系统经济性分析根据典型民居建筑的负荷计算结果，选用不同热源形式，比较全寿命周期投资运行单价。（）（）式中为全寿命周期投资运行单价：元（）；为供暖项目工程总投资，元；为水、电、天然气、油等各种能源消耗年费用：元；为维修费、材料费、人员工资等年费用，元；为供暖系统正常使用寿命，；为供暖系统年耗热量，。典型民居建筑采用不同热源形式，同样的供暖末端方式，在保证如前所述的热负荷计算、设备选型、建设标准、投资及运行费用测算方法等条件均一致的情况下，对全寿命周期的投资运行单价进行计算比较，以 为计算期，结果见表。电供暖初投资最低，但是运行费用较高；太阳能空气源热泵系统初投资较高，但是运行费用较低，全寿命周期投资运行单价最低，为 元（）。表不同热源形式下建筑全寿命周期投资运行单价对比元（元）（元）（）（元（）太阳能空气源热泵系统 空气源热泵系统 电供暖系统 锅炉供暖系统 注：空气源热泵及锅炉房造价按照 元估算，太阳能平板集热器按照 元估算。碳排放分析采用碳排放因子法对典型民居建筑进行碳排放量计算，建筑全寿命周期碳排放主要包括以下阶段：建筑物建材生产及运输阶段、建造及拆除阶段和运行阶段。同时考虑可再生能源、绿色植被（碳汇）等对碳排放的扣减。考虑西藏地区绿色植物的布置普遍存在一定的难度，在进行碳排放时进行了忽略。表显示了供暖系统全寿命周期碳排放计算结果比较。表供暖系统全寿命周期碳排放计算结果比较碳排放量单位面积年碳排放量（）建材生产及运输阶段占比建造阶段占比运行阶段占比拆除占比太阳能空气源热泵 空气源热泵 锅炉 由表可以看出：运行阶段，太阳能空气源热泵供暖系统碳排放量约占锅炉供暖系统碳排放量的 ，节约碳排放率为 ；太阳能空气源热泵供暖系统碳排放量约占空气源热泵系统碳排放量的 ，节约碳排放率为 。在各阶段占全寿命周期的比例方面，建材生产及运输阶段占比及运行阶段碳排放比例较大。以太阳能空气能热泵供暖系统为例，对建材生产及运输阶段各建造材料碳排放占比的分析如图所示。由图可以看出，建材生产阶段混凝土和混凝土砖的使用占碳排放量的比例最大，超过 。可见采取新型绿色环保建材替代传统混凝土材质具有巨大和显著的减碳潜力。暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热图建材类型与建材生产阶段碳排放比例结论本文以西藏地区典型民居建筑为研究对象，对其被动式节能进行了热负荷模拟、供暖系统设置及不同热源系统经济分析和碳排放研究，得到如下结论：）在满足规范要求的体形系数条件下，分别对建筑户型和体形系数、层高、外窗、保温材质等热工参数进行比选，最终选取的设置参数整体热工性能可达到 节能要求。）选用太阳能空气源热泵作为供暖系统热源，进行能耗模拟，并与锅炉供暖系统和空气源热泵供暖系统进行了比较，具有明显的节能效果。）太阳能空气源热泵供暖系统的全寿命周期投资运行单价比锅炉供暖系统和空气源热泵供暖系统低，具有明显的经济性优势。）相比锅炉供暖系统和空气源热泵供暖系统，太阳能空气源热泵供暖系统具有明显的减碳效果；全寿命周期碳排放中建材生产和运输阶段占比最高，运行阶段次之，其中混 凝 土 材 质 的 使 用 对 碳 排 放 影 响 最 大，占 比 超 过，选用新型绿色建材降低碳排放具有重要的意义。参考文献：冯荣，李金平，杨捷媛基于太阳能和沼气互补供暖系统的农村节能建筑优化中国沼气，（）：中国建筑科学研究院有限公司太阳能供热采暖工程技术标准：北京：中国建筑工业出版社，：供暖供热暖通空调 年第 卷增刊