丁 德 吳佳艷 寧太剛 張蔚琳△ 陳泓蓓

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,杭州;2.浙江大學(xué),杭州)

0 引言

我國建筑領(lǐng)域的碳排放量約占全社會碳排放量的50.9%,其中建筑運行階段碳排放量約占全社會碳排放量的21.7%[1],建筑運行過程中,暖通空調(diào)運行碳排放量約占建筑運行碳排放量的30%～40%。建筑領(lǐng)域碳排放控制越來越受到社會重視,在GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(以下簡稱《通用規(guī)范》)中明確提出建設(shè)項目可行性研究報告、建設(shè)方案和初步設(shè)計文件應(yīng)包含建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放分析報告。為了配合建筑碳排放分析工作的開展,依據(jù)浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳要求,浙江省啟動編制工程建設(shè)標準《民用建筑碳排放計算標準》(以下簡稱《省標》)并即將發(fā)布,《省標》編制過程中對GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》作了補充與完善,旨在提高在浙江省范圍內(nèi)實施國家標準的可操作性。本文就暖通空調(diào)運行的碳排放量計算在編制過程中的探索與特點進行介紹。

1 計算方法與邊界

1.1 計算方法

目前二氧化碳排放量的計算方法主要概括為3種:排放因子法、質(zhì)量平衡法、實測法。排放因子法是適用范圍最廣、應(yīng)用最為普遍的一種碳核算方法。建筑運行的碳排放量主要是建筑用能設(shè)備運行過程中的能源消耗量,碳排放因子為相應(yīng)能源類型的碳排放因子。計算公式分別為

(1)

(2)

式(1)、(2)中C為建筑運行碳排放量,t/a;Em為第m類能源年消耗量,運行階段采用能源賬單法核算,設(shè)計階段則采用預(yù)測法計算,化石能源以能源熱值表達,電力能源以用電量表達,市政熱力以熱量值表達,根據(jù)能源類別確定單位;Fm為第m類能源的碳排放因子,根據(jù)能源類別確定單位;Em,n為第n類系統(tǒng)的第m類能源年消耗量,包括電力、燃氣、石油、市政熱力等,根據(jù)能源類別確定單位;Rm,n為第n類系統(tǒng)年消耗的由可再生能源系統(tǒng)或建筑分布式自發(fā)電裝置提供的第m類能源量,根據(jù)能源類別確定單位。

其中,電力的碳排放因子統(tǒng)一采用由生態(tài)環(huán)境部公布的區(qū)域電網(wǎng)平均碳排放因子,市政熱力碳排放因子根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會的《公共建筑運營企業(yè)溫室氣體排放核算方法和報告指南(試行)》確定,化石能源的碳排放因子按式(3)計算。

Fm=3.67Cm?m

(3)

式中 3.67為二氧化碳與碳的摩爾質(zhì)量之比;Cm為第m類化石能源單位熱值含碳量,t/TJ;?m為不同化石能源燃燒的碳氧化率。

常用化石能源的單位熱值含碳量、碳氧化率及碳排放因子見表1。

表1 常用化石能源的單位熱值含碳量、碳氧化率及碳排放因子

需要說明的是,對于建筑分布式自發(fā)電裝置(如冷熱電聯(lián)供設(shè)施)提供的能源,在計算碳排放量時,建筑用電的碳排放因子依然采用生態(tài)環(huán)境部公布的電網(wǎng)平均碳排放因子,但是建筑能耗計算中的計算結(jié)果應(yīng)扣除冷熱電聯(lián)供設(shè)施生產(chǎn)及提供的電量及余熱量。同時,冷熱電聯(lián)供設(shè)施發(fā)電所消耗的化石能源計入建筑化石能源的用量。

1.2 計算邊界

通過分析2010—2019年浙江省民用建筑運行碳排放的全省能源平衡表,民用建筑運行過程中,直接碳排放量平均占比為22%,間接碳排放量平均占比為78%,如圖1所示。浙江省民用建筑運行的直接碳排放主要發(fā)生在燃氣(油)鍋爐及炊事化石燃料的使用中。

圖1 浙江省2010—2019年直接碳排放量與間接碳排放量占比

鑒于建筑最終碳排放賬單數(shù)據(jù)以統(tǒng)計局能源平衡表數(shù)據(jù)為依據(jù),能源平衡表數(shù)據(jù)對建筑碳排放量計算邊界進行全覆蓋,因此《省標》通過比較國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)能耗及碳排放量標準計算邊界,對民用建筑運行碳排放量的計算邊界相較GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》作了擴展。浙江省民用建筑運行碳排放量計算邊界包括暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、炊事燃料、可再生能源系統(tǒng)在建筑運行期間的碳排放量。表2給出了民用建筑碳排放量計算與應(yīng)用邊界。

表2 民用建筑碳排放計算與應(yīng)用邊界

1.3 建筑運行名義工況

由于建筑實際運行管理過程中存在較大差異,碳排放預(yù)測模擬的模型不可能完全與所有建筑物的實際運行使用一致,只能無限接近實際運行使用狀態(tài)。預(yù)測模擬的模型越接近實際使用狀態(tài),預(yù)測模擬結(jié)果越能對建筑設(shè)計的減碳優(yōu)化具備指導(dǎo)意義。如果將建筑視同定制化“產(chǎn)品”,為了比較“產(chǎn)品”的“出廠碳效”,統(tǒng)一碳排放的分析比較基礎(chǔ),《省標》借鑒了能耗產(chǎn)品的能效標識做法,規(guī)定了浙江省內(nèi)民用建筑運行碳排放的“建筑運行名義工況”,即在進行碳排放量的預(yù)測模擬計算時,建筑的標準使用運行模式包括建筑物的標準使用模式和建筑設(shè)備的標準運行模式。

1.3.1建筑物的標準使用模式

建筑物的標準使用模式邊界條件包括建筑運行時間、空調(diào)和供暖系統(tǒng)的日運行時間、供暖空調(diào)區(qū)室內(nèi)外溫度、不同類型房間人均占有的建筑面積、人員在室率,以及照明、電氣設(shè)備、新風(fēng)的使用率等。不同的建筑運行碳排放量計算方法對于建筑物標準使用模式的邊界要求不同。例如逐時法的室外氣象參數(shù)、不同類型房間的人員在室率及照明、電氣設(shè)備、新風(fēng)的使用率按時平均確定;而逐月法按月平均確定?！锻ㄓ靡?guī)范》采用逐時計算的方法,浙江省節(jié)能標準體系已具有完整的逐時氣象數(shù)據(jù)庫,原有的建筑節(jié)能計算方法體系也采用逐時計算的方法,因此《省標》延續(xù)逐時計算的方法,建筑物的標準使用模式邊界條件基本與《通用規(guī)范》保持一致。

1.3.2暖通空調(diào)設(shè)備(建筑設(shè)備)的標準運行模式

作為建筑設(shè)備的暖通空調(diào)設(shè)備的標準運行模式包括:

1) 蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機組、溴化鋰吸收式機組、熱水鍋爐等集中冷熱源空調(diào)系統(tǒng),各冷熱源機組部分負荷運行時采用運行機組負載率最大的“臺數(shù)優(yōu)先”控制;多聯(lián)機系統(tǒng)、分體空調(diào)系統(tǒng)等分散冷熱源系統(tǒng),由于1臺(套)空調(diào)冷熱源設(shè)備對應(yīng)1個(或1組)房間,建筑運行名義工況中每個房間使用時間等標準使用模式邊界條件均已確定,不存在1個系統(tǒng)中局部房間不使用或無負荷狀態(tài),因此部分負荷運行時不考慮冷熱源、輸配設(shè)備的臺數(shù)控制。

2) 由于建筑運行名義工況確定了各房間逐時運行狀態(tài),因此部分負荷時,空調(diào)末端處理設(shè)備不考慮臺數(shù)控制,多聯(lián)機系統(tǒng)不考慮室內(nèi)負荷不均勻指數(shù)[2]的影響。

3) 部分負荷運行時,啟動的設(shè)備按相同負載率,即負荷分攤方式運行。

4) 對于使用側(cè)或用戶側(cè)變流量系統(tǒng),為統(tǒng)一與簡化計算模型,計算時忽略末端表冷器或熱盤管流量變化引起的換熱能力變化,制冷與供熱的水溫按設(shè)計工況供水溫度定溫差控制,末端流量與冷熱負荷呈線性關(guān)系。定頻循環(huán)冷水泵與冷水(熱泵)機組通過水系統(tǒng)的壓差旁通保持定流量定速運行。變頻循環(huán)冷水泵根據(jù)供回水管壓差變速運行。為保護低頻低流量下的冷水機組與水泵電動機的安全,變頻循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速變化下限按工頻的50%計算,即變流量下限為50%額定流量,低于50%額定流量時,按50%額定流量定轉(zhuǎn)速運行,冷水(熱泵)機組根據(jù)所承擔(dān)負荷通過調(diào)節(jié)離心機葉輪開度或螺桿機滑閥開度等方式調(diào)節(jié)供冷量匹配負荷,計算逐時能耗。對于源側(cè)變流量系統(tǒng),冷水(熱泵)機組的冷卻水采用定溫差控制,冷卻水流量與冷負荷呈線性關(guān)系。變頻循環(huán)水泵根據(jù)冷卻水供回水運行溫差反饋值變速運行,轉(zhuǎn)速變化下限按50%額定流量確定,低于50%額定流量時,按50%額定流量定轉(zhuǎn)速運行。冷水(熱泵)機組根據(jù)所承擔(dān)的負荷計算逐時能耗。

2 冷熱源運行碳排放

根據(jù)逐時空調(diào)冷熱負荷、空調(diào)冷熱源主機運行效率及運行時間進行能耗計算,根據(jù)不同能耗類型的碳排放因子核算其碳排放量。能耗計算公式為

(4)

Li,j=Qjζi

(5)

(6)

式(4)～(6)中EC為建筑單體空調(diào)冷熱源年能耗,kW·h,化石能源以能源熱值表達,電力能源以用電量表達,市政熱力以熱力提供熱量值表達;Li,k為第i時刻第k幢建筑的主機承擔(dān)的總冷(熱)負荷,kW;Li為第i時刻主機承擔(dān)的總冷(熱)負荷,kW;Li,k/Li為第i時刻區(qū)域冷熱源下單幢建筑的冷熱源能耗占比,對于單幢建筑獨立冷熱源系統(tǒng),Li,k=Li,下文輸配系統(tǒng)的能耗分攤同;Yi,j為第i時刻第j臺主機的啟停狀態(tài),取1或0;Li,j為第i時刻第j臺主機承擔(dān)的冷(熱)負荷,kW;εi,j為第i時刻第j臺主機運行效率;Qj為第j臺主機規(guī)定工況下的制冷(供熱)量,kW;ζi為第i時刻主機的負載率,建筑運行名義工況按所有啟動主機的負載率相等計算。

在計算空調(diào)冷熱源碳排放量時,考慮免費冷熱源利用、主機臺數(shù)控制、主機運行效率變化的影響。

2.1 考慮免費冷熱源利用

設(shè)備承擔(dān)的總冷(熱)負荷與建筑計算冷(熱)負荷不同。建筑計算冷(熱)負荷與建筑本身的圍護結(jié)構(gòu)熱工特性、建筑的室外壞境、建筑的標準使用模式有關(guān),一部分由空調(diào)設(shè)備承擔(dān),當(dāng)設(shè)置了免費冷熱源利用措施時,計算空調(diào)設(shè)備承擔(dān)的總冷(熱)負荷應(yīng)將免費冷熱源承擔(dān)的冷(熱)負荷從建筑計算冷(熱)負荷中扣除。因此空調(diào)冷熱源承擔(dān)的總冷(熱)負荷為

Li=LAi-LFi

(7)

式中LAi為第i時刻建筑冷(熱)負荷,kW;LFi為第i時刻免費冷熱源承擔(dān)的冷(熱)負荷,kW。

2.1.1全新風(fēng)免費冷源

當(dāng)設(shè)置了過渡工況全新風(fēng)免費冷源時,第i時刻全新風(fēng)免費冷源承擔(dān)的冷負荷為

(8)

式中hni,j為第i時刻第j臺空調(diào)末端機組服務(wù)的室內(nèi)空氣的比焓,kJ/kg;hoi為第i時刻機組新風(fēng)入口的空氣比焓,kJ/kg,取典型氣象年中第i時刻室外空氣比焓;Gi,j為第i時刻第j臺設(shè)置了過渡工況全新風(fēng)免費冷源利用措施的空調(diào)機組總送風(fēng)量,kg/s;Gxi,j為第i時刻第j臺空調(diào)機組的設(shè)計新風(fēng)量,kg/s。

2.1.2排風(fēng)熱回收

當(dāng)設(shè)計采用排風(fēng)熱回收措施時,若新風(fēng)系統(tǒng)利用排風(fēng)熱回收承擔(dān)冷負荷,則

(9)

式中c為比熱容,kJ/(kg·℃)。

若新風(fēng)系統(tǒng)利用排風(fēng)熱回收承擔(dān)熱負荷,則

(10)

式(9)、(10)中Gpi,j為第i時刻第j臺排風(fēng)熱回收機組的排風(fēng)量,kg/s;ηh為排風(fēng)熱回收機組全熱交換效率;toi為第i時刻排風(fēng)熱回收機組新風(fēng)入口空氣溫度,℃,取典型氣象年中第i時刻室外空氣溫度;tni,j為第i時刻第j臺排風(fēng)熱回收機組排風(fēng)入口空氣溫度,℃,取第j臺排風(fēng)熱回收機組服務(wù)的室內(nèi)空氣溫度;ηt為排風(fēng)熱回收機組顯熱交換效率。

2.1.3凝結(jié)水熱回收

當(dāng)設(shè)計采用蒸汽凝結(jié)水熱回收措施時,凝結(jié)水熱回收承擔(dān)的熱負荷為

(11)

式中c為水的比熱容,4.2 kJ/(kg·℃);th為蒸汽換熱后的凝結(jié)水溫度,℃,一般取80 ℃[3];tc為凝結(jié)水熱回收后溫度,℃,對于僅回收熱量的間接換熱系統(tǒng)按凝結(jié)水換熱后的設(shè)計值確定,對于同時回收凝結(jié)水熱量與水量的系統(tǒng)按20 ℃取值;q為蒸汽汽化潛熱,kJ/kg,按設(shè)計飽和蒸汽壓力取值。

2.2 考慮冷熱源主機臺數(shù)控制

集中冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)部分負荷運行時,各冷熱源機組采用“臺數(shù)優(yōu)先”控制。例如對于設(shè)計工況冷負荷L0,配置4臺相同規(guī)格制冷機組,單機制冷量為0.25L0,相應(yīng)配置4套相同規(guī)格的冷水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵及冷卻塔,在部分負荷運行時,不同臺數(shù)控制對應(yīng)的負載率見表3。

表3 冷熱源主機臺數(shù)控制策略

表3中70%負荷率時,主機可以啟動4臺運行(負載率70%),也可以啟動3臺運行(負載率93%)。實際運行時,冷熱源機組往往采用最高效率尋優(yōu)算法控制,臺數(shù)控制未必是所有機組最高效運行的方式。臺數(shù)控制優(yōu)先還是主機效率優(yōu)先,需要綜合考慮機組效率、輸配能耗、冷卻設(shè)備能耗進行判斷。在碳排放計算時,為簡化模型統(tǒng)一計算邊界,建筑運行名義工況下各冷熱源機組采用運行機組“臺數(shù)優(yōu)先”控制策略。

臺數(shù)控制時,第i時刻第j臺主機啟停狀態(tài)Yi,j判定邏輯為:從大到小累加第1～j臺主機制冷(供熱)量,當(dāng)累加制冷(供熱)量小于第i時刻空調(diào)冷熱源承擔(dān)的負荷時,第j臺主機開啟,繼續(xù)依次累加下一臺主機制冷(供熱)量并作判定;當(dāng)累加制冷量大于第i時刻空調(diào)冷熱源承擔(dān)的負荷,并且該臺主機制冷(供熱)量小于等于剩余末開啟主機中能單獨承擔(dān)所需剩余負荷的制冷(供熱)量時,該主機開啟;其余情況下該主機停止運行。

因此,Yi,j的數(shù)學(xué)表達式為

(12)

對于分散冷熱源的空調(diào)系統(tǒng),不考慮分散冷熱源空調(diào)系統(tǒng)的主機臺數(shù)控制,即分散冷熱源空調(diào)系統(tǒng)的Yi,j=1。

2.3 考慮冷熱源主機的運行效率變化

民用建筑冷熱源主機的運行效率受主機制冷(供熱)溫度、散熱(取熱)溫度、負載率等多因素影響?！妒恕吠ㄟ^對浙江省各類常用冷熱源主機運行效率的產(chǎn)品軟件計算數(shù)據(jù)的采集匯總與分析,形成各類冷熱源主機通用的運行效率擬合數(shù)學(xué)模型。預(yù)測計算以所采用的產(chǎn)品檢測報告數(shù)據(jù)為準,當(dāng)沒有明確的產(chǎn)品檢測報告數(shù)據(jù)時,則以《省標》中相應(yīng)類型的冷熱源主機模型計算?！妒恕防錈嵩粗鳈C運行效率模型見表4。

以水冷冷水機組制冷、熱水鍋爐供熱的常規(guī)冷熱源系統(tǒng)為例,《省標》編制組對蒸氣壓縮循環(huán)冷水機組建立主機效率數(shù)學(xué)模型的步驟如下:

1) 對浙江省市場各主要品牌份額較大的主流產(chǎn)品在不同運行工況下采用選型軟件計算得出的性能數(shù)據(jù)進行計算、匯總。樣本包含離心機組22臺,螺桿機組25臺,磁懸浮機組8臺,渦旋機組3臺;變頻機組30臺,定頻機組28臺;額定制冷量127～7 000 kW。對樣本機組冷水溫度范圍4～14 ℃(步長1 ℃)、冷卻水溫度范圍18～35 ℃(步長1 ℃)、負載率范圍10%～100%(步長10%)的性能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

2) 分析影響單臺主機效率的自變量。根據(jù)文獻[4],蒸氣壓縮循環(huán)冷水機組運行效率與冷源的冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、主機負載率、壓縮機類型、變流量等因素相關(guān)。逐一對單臺主機單自變量構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,以矯正擬合優(yōu)度作為擬合度評價,利用Origin軟件對模型求解并分析和檢驗單個因素的影響規(guī)律。對主流機型與產(chǎn)品的數(shù)值擬合曲線分析,冷水(熱泵)機組的效率與機組的負載率呈二次冪多項式關(guān)系,與使用側(cè)供水溫度、熱源側(cè)或放熱側(cè)溫度呈線性關(guān)系,且矯正擬合優(yōu)度均大于0.9。

3) 根據(jù)2)計算分析的自變量與因變量關(guān)系結(jié)果,構(gòu)建同一類型冷水(熱泵)機組的多自變量數(shù)學(xué)模型如下:

εi,j=ε0j[1+k1(tC0-tCi)+k2(tE-tE0)]×

[k3(100%-ζi)2+k4(100%-ζi)+1]

(13)

式中ε0j為第j臺主機規(guī)定工況下的運行效率;k1～k4為主機性能擬合系數(shù);tC0為與ε0j對應(yīng)規(guī)定工況下主機熱源側(cè)(或放熱側(cè))溫度,℃;tCi為第i時刻主機運行工況下熱源側(cè)(或放熱側(cè))溫度,℃;tE為運行工況下主機使用側(cè)供水溫度,℃;tE0為與ε0j對應(yīng)規(guī)定工況下主機使用側(cè)供水溫度,℃。

不同類型機組各項溫度取值見表5。

表5 不同類型機組各項溫度取值

2) 水環(huán)熱泵式、地下水熱泵式、地埋管熱泵式、地表水熱泵式機組的規(guī)定工況數(shù)據(jù)來自于GB/T 19409—2013《水(地)源熱泵機組》。

3) 雙工況(乙二醇)單冷式機組的規(guī)定工況數(shù)據(jù)來自于JGJ 158—2018《蓄能空調(diào)工程技術(shù)標準》。

4)tWi為典型氣象年第i時刻室外濕球溫度。

5)tDi為典型氣象年第i時刻室外干球溫度。

4) 將冷水機組按表6分類,不同品牌、不同規(guī)格、相同類型機組的所有數(shù)據(jù)代入式(13),以均方根誤差RMSE作為擬合度評價,利用Origin軟件對模型求解以獲取同一類型主機不同品牌的相對平均的運行效率擬合公式,并進行分析與檢驗,使同一類型主機各產(chǎn)品的RMSE相對最小。RMSE反映了數(shù)據(jù)與擬合線之間的離散程度,其數(shù)據(jù)越小,表示擬合的模型離散程度越小。

表6 水冷冷水機組擬合模型分類

擬合得到不同類型機組的k1～k4,如表7所示,負載率、冷卻水溫度、冷水溫度、主機運行工況與規(guī)定工況下的效率比的關(guān)系如圖2所示。

圖2 水冷冷水機組運行效率變化趨勢

表7 部分水冷冷水機組制冷k1～k4

采用同樣方法對燃氣與燃油熱水鍋爐數(shù)據(jù)進行處理,鍋爐運行工況的計算效率受燃燒空氣進風(fēng)溫度、鍋爐負載率、進出水溫度影響。民用建筑供暖鍋爐的燃燒空氣經(jīng)過鍋爐房內(nèi)鍋爐與煙囪的輻射加熱,溫度影響相對較小;且民用建筑名義運行工況的供暖供回水溫度按設(shè)計工況溫度運行,因此鍋爐運行工況的計算效率僅考慮供暖負載率變化的影響。對于多段火調(diào)節(jié)鍋爐與比例調(diào)節(jié)鍋爐,其運行效率的計算式為

(14)

式中η0j為第j臺鍋爐規(guī)定工況下的運行效率;m1～m4為熱水鍋爐效率擬合系數(shù),見表8;z為鍋爐運行效率分段曲線交點所對應(yīng)的負載率。

表8 熱水鍋爐制熱m1～m4及z

鍋爐負載率、運行工況與規(guī)定工況下的效率比的關(guān)系如圖3所示。

圖3 熱水鍋爐運行效率變化趨勢

3 輸配系統(tǒng)運行碳排放

輸配系統(tǒng)碳排放包括暖通空調(diào)使用側(cè)循環(huán)泵、熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵、油泵等的能源消耗造成的碳排放。

3.1 空調(diào)循環(huán)泵

空調(diào)循環(huán)泵包括使用側(cè)冷熱水循環(huán)泵、使用側(cè)乙二醇泵、熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵等,循環(huán)泵的能耗根據(jù)泵的實際運行功率、運行時間進行計算。

(15)

(16)

式(15)、(16)中Ep為建筑單體循環(huán)泵年運行能耗,kW·h;Ypi,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵啟停狀態(tài),取1或0;Npi,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵的運行輸入功率,kW;Gp0,j為第j臺循環(huán)泵設(shè)計工況流量,m3/h;Hp0,j為第j臺循環(huán)泵設(shè)計工況揚程,m;ρr為循環(huán)流體密度,kg/m3,水的密度取103kg/m3,乙二醇密度取1.03×103kg/m3;g為自由落體加速度,m/s2,取9.8 m/s2;φpi為第i時刻循環(huán)泵有效功率的負載率修正系數(shù);ηpi,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵的效率。

在計算空調(diào)使用側(cè)循環(huán)泵碳排放量時,需考慮循環(huán)泵臺數(shù)控制、負載率、運行效率的影響。

3.1.1考慮循環(huán)泵臺數(shù)控制

與冷熱源主機碳排放計算一樣,集中冷熱源空調(diào)系統(tǒng)在部分負荷運行時,循環(huán)泵采用“臺數(shù)優(yōu)先”控制策略。Ypi,j的數(shù)學(xué)表達式為

(17)

當(dāng)循環(huán)泵與冷熱源主機對應(yīng)配置時,Ypi,j=Yi,j,即主機停止運行,相應(yīng)循環(huán)泵也同樣停止運行。

式(17)中,使用側(cè)與熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)水泵承擔(dān)的冷(熱)負荷不同。使用側(cè)循環(huán)泵承擔(dān)的冷(熱)負荷為

Lpi=Li

(18)

對于熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵則需要考慮壓縮機運行放熱量,因此熱源側(cè)(或放熱側(cè))循環(huán)泵承擔(dān)的冷(熱)負荷為

(19)

式中μj為第j臺主機冷凝熱回收量與總冷凝散熱量的比值,若未設(shè)置冷凝熱回收系統(tǒng),則μj取0。

相應(yīng)地,設(shè)置冷凝熱回收系統(tǒng)的熱水循環(huán)泵承擔(dān)的熱負荷為

(20)

3.1.2考慮循環(huán)泵的負載率影響

循環(huán)泵的有效功率計算式為

(21)

式中N′為循環(huán)泵有效功率,kW;G為循環(huán)泵流量,m3/h;H為循環(huán)泵揚程,m。

1) 循環(huán)泵定頻運行。

定頻循環(huán)泵的輸配水量及轉(zhuǎn)速不會隨著末端負荷的改變而變化,整個運行過程中,循環(huán)泵的有效功率均為設(shè)計工況有效功率,即有效功率的負載率修正系數(shù)φpi=1。

2) 循環(huán)泵變頻運行。

當(dāng)采用變頻水泵時,運行控制策略可以采用定靜壓與變靜壓控制。定義水泵的負載率為

(22)

式中ξpi為第i時刻循環(huán)泵的負載率,考慮到冷熱源系統(tǒng)最小流量要求及循環(huán)泵電動機保護的需要,ξpi低于50%時按50%運行。

當(dāng)循環(huán)泵在定靜壓控制策略下運行時,理想定靜壓控制策略下,循環(huán)泵揚程H不變,因此循環(huán)泵的軸功率與水泵流量呈線性關(guān)系,有效功率的負載率修正系數(shù)為

(23)

式中N′pi,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵的有效功率,kW;N′p0,j為第j臺循環(huán)泵的設(shè)計工況有效功率,kW;Gpi,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵的運行流量,m3/h。

當(dāng)循環(huán)泵在變靜壓控制策略下運行時,理想變靜壓控制策略下H=SG2(其中S為管道阻抗),因此當(dāng)S不變時,循環(huán)泵的軸功率與水泵流量呈三次冪關(guān)系,有效功率的負載率修正系數(shù)為

(24)

3.1.3考慮循環(huán)泵變頻的效率變化

循環(huán)泵運行效率包含循環(huán)泵工作點效率、電動機效率、傳動效率。對于變頻循環(huán)泵,工作點效率與傳動效率不變,基本與設(shè)計工況一致;但是電動機效率與變頻器效率隨轉(zhuǎn)速變化,文獻[5]給出了電動機效率及變頻器效率與電動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線,文獻[6]通過曲線擬合得出了利用電動機轉(zhuǎn)速計算電動機效率及變頻器效率的公式。因此,循環(huán)泵效率為

ηpi,j=ηbjηdjηei,jηci,j

(25)

ηei,j=0.941 87(1-e-9.04ξpi)

(26)

(27)

式(25)～(27)中ηbj為第j臺循環(huán)泵設(shè)計工況工作點效率;ηdj為第j臺循環(huán)泵傳動效率,取0.98;ηei,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵電動機效率;ηci,j為第i時刻第j臺循環(huán)泵變頻器效率。

3.2 供油泵

民用建筑的供油泵主要用于燃油鍋爐的油輸配系統(tǒng)中。供油量屬于消耗量,不屬于循環(huán)量,供油泵全年能源消耗量按鍋爐總耗油量計算。供油泵間歇運行時,將室外油罐儲油泵向室內(nèi)日用油箱,因此運行時揚程和效率均維持與設(shè)計工況一致。

(28)

式中Eo為建筑單體油泵年運行能耗,kW·h/a;Ec為燃油鍋爐年能耗,kW·h/a,按式(4)計算;Ho為油泵設(shè)計揚程,m;σ為燃油低位發(fā)熱值,kJ/kg,取42 705 kJ/kg;ηo為油泵效率,設(shè)計文件未明確時,取0.4。

4 風(fēng)系統(tǒng)運行碳排放

民用建筑暖通空調(diào)的風(fēng)系統(tǒng)碳排放包括空調(diào)末端處理設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗造成的碳排放。其中,通風(fēng)系統(tǒng)中不考慮消防防排煙、事故通風(fēng)等涉及人民生活安全的應(yīng)急通風(fēng)專用系統(tǒng)。

4.1 空調(diào)末端處理與通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備

風(fēng)機能耗根據(jù)實際運行功率、運行時間進行計算。

(29)

式中Ef為風(fēng)機總能耗,kW·h;φfi為第i時刻風(fēng)機有效功率的負載率修正系數(shù);Nf為所有風(fēng)機設(shè)備的輸入功率之和,kW,對于電壓220 V的風(fēng)機,如風(fēng)機盤管、多聯(lián)機的室內(nèi)機、換氣扇等,采用產(chǎn)品方提供的輸入功率,對于電壓380 V的風(fēng)機,根據(jù)式(30)計算:

(30)

式中Gf0,j為第j臺風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)量,m3/h;pf0,j為第j臺風(fēng)機的設(shè)計風(fēng)壓,Pa;ηfdj為設(shè)計工況下第j臺風(fēng)機的效率;ηfej為第j臺風(fēng)機的電動機及傳動效率,取0.855。

與輸配系統(tǒng)循環(huán)泵類似,在計算空調(diào)末端處理設(shè)備的能耗時,需要考慮負載率對能耗的影響。末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機定頻運行時的負載率修正系數(shù)φfi取1;當(dāng)末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機變頻運行時,若采用定靜壓變風(fēng)量控制策略時,負載率修正系數(shù)為

(31)

式中ξfi為第i時刻末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機的負載率;Gfi,j為第i時刻第j臺末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機的運行風(fēng)量,m3/h;LA0為設(shè)計工況下的建筑冷(熱)負荷,kW。

考慮到風(fēng)機電動機保護的需要,ξfi低于40%時按40%運行。

當(dāng)末端空調(diào)設(shè)備風(fēng)機變頻運行時,若采用變靜壓變風(fēng)量控制策略,負載率修正系數(shù)為

(32)

4.2 冷卻塔風(fēng)機

建筑冷卻塔風(fēng)機能耗按每170 kW(制冷量)1 kW計算[7]。因此,全年冷卻塔風(fēng)機能耗為

(33)

式中Efc為建筑單體冷卻塔風(fēng)機年運行能耗,kW·h。

5 結(jié)論

《省標》具有以下特點:

1) 相比現(xiàn)行國家標準,對民用建筑運行碳排放量的計算邊界作了擴展與延伸,民用建筑碳排放計算覆蓋了全壽命周期的全邊界。

2) 將建筑視同定制化用能“產(chǎn)品”,定義了建筑運行名義工況,統(tǒng)一了民用建筑運行碳排放邊界條件。

3) 補充了暖通空調(diào)各系統(tǒng)的詳細算法,給出空調(diào)冷熱源、輸配、末端空氣處理設(shè)備及通風(fēng)風(fēng)機的運行能耗與碳排放量計算公式,為碳排放量計算軟件化提供了依據(jù)。

《省標》對碳排放量計算邊界的延展與計算方法的深化,提高了在浙江省范圍內(nèi)建筑碳排放量計算的可操作性,也配套用于銜接國家即將編制發(fā)布的《零碳建筑計算標準》,能更好地貫徹國家碳達峰碳中和的戰(zhàn)略方針。