高速公路沿線房建冷熱源方案綜合對比研究

劉亞軍 朱洪發 劉煒 張肖敏 張明創

1高速集團寶漢公司漢中建設管理處

2西安建筑科技大學環境與市政工程學院

0 引言

長期以來， 高速公路沿線房建設施大多采用燃煤鍋爐實現供暖， 對空氣的污染非常嚴重。隨著國家和省政府對環保方面的政策和執行力度逐漸加強， 使得改造站點燃煤鍋爐成了亟待解決的問題， 為此， 高速公路沿線房建設施需尋求節能環保性強的冷熱源方案。地源熱泵和多聯機等節能性空調系統在住宅和辦公建筑中得到了較快的發展與應用， 目前也逐步應用到高速公路房建中 [1] 。本文采用綜合模糊評判法， 對某一高速房建站點實例進行經濟性和節能性的綜合評價， 以期選擇適合該站點的冷熱源方案。

1 高速公路沿線房建設施的特點

按照 《陜西省高速公路網規劃》， 目前陜西路網總規模達 8080 公里[2]， 總體呈 “米” 字形框架， 高速公路覆蓋全省所有的縣 （市、 區）， 具體站點如圖1。

1） 房建類型。按使用功能分類， 高速公路沿線房建設施可分為匝道收費站，高速管理所和高速服務區。按服務對象分類， 房建設施可分為對內型建筑， 對外型建筑。對內型建筑主要是為高速公路管理和服務人員服務的， 建筑區包括管理分公司， 高速公路管理所，主線收費站和匝道收費站。對外型建筑主要是為高速來往車輛與旅客服務的， 主要包括高速服務區和停車區。

2） 建筑規模。不同的房建類型其建筑面積不同。收費站和停車區等房建站點，建筑面積主要集中在150～4000m2， 服務區和管理所等房建站點， 建筑面積主要集中在 4000～20000m2。由于收費站內的收費人員和路政執法人員流動性強，這些人員采用輪班制，負責站外的收費棚和該管轄區域間的路面及安全設施的養護工作， 因此建筑規模較其他房建類型相比小很多。

3） 既有采暖形式及特點。陜西高速集團公司目前采暖設備共有燃煤鍋爐 165 臺， 燃氣鍋爐 12 臺， 燃油鍋爐2臺， 空調2組。主流采暖形式為燃煤鍋爐系統，然而其能源利用率低， 小型燃煤鍋爐的燃燒效率僅有60%左右， 設備使用壽命短， 大約在 5～6 年 [3] ， 對環境的污染嚴重， 因此高速房建站點采暖需進行燃煤鍋爐的改造。

圖1 陜西省高速公路途經城市站點分布

2 冷熱源方案分析

由于高速公路房建設施占地面積大，容積率小，擁有著豐富的地下水資源， 可考慮使用地下水源熱泵系統。建筑類型多樣， 存在負荷錯峰性， 因此考慮多聯機系統。而建筑規模小， 其傳統冷熱源方式為燃煤鍋爐加分體空調系統， 出于改造的方便性， 可以將燃煤鍋爐替換成燃油鍋爐。因此， 高速公路沿線房建設施供暖空調系統備選可用的冷熱源方案有： 地下水源熱泵系統， 多聯機系統和燃油鍋爐加分體空調系統。三種冷熱源方案運行可靠性分析對比結果見表1。

表1 三種備選冷熱源方案運行可靠性分析對比

在運行風險方面， 地下水源熱泵主要包括熱貫通和回灌堵塞問題 [4-5] ， 出現熱貫通現象會導致機組的性能下降， 回灌堵塞問題嚴重時會出現溢井現象[6]， 系統無法正常運行。多聯機系統運行風險主要是機組維護不到位導致機組性能下降嚴重。而燃油鍋爐在運行過程中本體易出現腐蝕現象， 存在一定的安全隱患， 分體空調機使用已經非常成熟， 風險出現的幾率較低。

在運行維護方面， 地下水源熱泵系統需定期洗井與回揚， 同時要解決結垢問題， 管理運行較為復雜， 需培訓專門的技術人員進行管理。多聯機系統基本不需要專門的技術人員來管理， 其自帶自控系統就可以滿足機組運行的要求。燃油鍋爐加分體空調器系統， 運行管理主要在于鍋爐系統， 鍋爐系統的技術人員需持特種設備操作證上崗 [7] 。

在運行調控方面， 地下水源熱泵運行時通過機組，水泵和末端的協同調控，系統自動化程度高。多聯機系統具有部分負荷下的自動調控能力， 通過其自帶的控制系統可實現變負荷調控， 室內末端空調房間可根據自身負荷需求自行選擇空調的啟停。燃油鍋爐具有自動化的燃燒與控制系統， 燃燒器電子自動點火， 然而冬季供暖鍋爐全天24小時開放， 室內末端無法調控。

3 綜合性評價

3.1 工程概況

以陜西高速集團漢川分公司管理分中心為例作為建筑模型， 分析不同地區各冷熱源系統的具體參數。該管理分中心建筑面積為 5345m2，主體房建有辦公樓， 宿舍樓和餐廳。其中， 辦公樓 2888m2， 宿舍樓1842m2， 餐廳390m2。經DeST軟件模擬計算后可得，該站點所需供冷量為 222007 kW· h，所需供熱量為158327 kW · h。

該管理分中心地處漢江北岸， 褒河東岸， 地貌屬褒河二級階梯， 地表水和地下水較為豐富， 滿足地下水源熱泵系統應用的條件， 同時站點地處夏熱冬冷地區， 冬季溫度一般在0 ℃以上，冬季不會影響多聯機運行效率，因此多聯機也是可行的。燃油鍋爐加分體空調系統應用不受限制。

3.2 經濟性分析

采用壽命周期費用成本法LCC（Life Cycle Cost）對各比選方案的經濟性進行評價 [8] 。壽命周期成本法是把供暖空調系統在壽命周期內所有的成本， 包括初投資、 運行能耗費用等通過選擇貼現率， 把未來的成本價值貼現為與之等值的現值累加起來。考慮到地下水地源熱泵系統與常規的冷熱源系統壽命不相同， 因此采用費用年值法對工程所選用的冷熱源方案進行對比分析。費用年值是指項目在壽命期內的年費用值， 按給定的折現率折算的平均值， 記作AC。具體計算公式如下：

式中：AC為費用年值，元 /年；Cr為年運行費用，元 /年；(A/P,i,n) 為資金回收系數；(A/F,i,n) 為償債基金系數；Co為初投資，元；S為凈殘值（設備凈殘值率取5%），元 ；i為折現率；n為壽命周期，年 。

各系統初投資主要包括冷熱源，室 外管網和室內末端設備三部分的初投資。根據項目管理人員提供的資料，包 括設備價格，安 裝費用和建筑工程費用等，計算得各系統的初投資。其中，地 下水源熱泵初投資還包括打井費用。

運行費用包括系統運行能耗費用，運 行管理費和設備維護保養費等。地下水源熱泵和多聯機全年的動力來源為電，當 地電價為0.6元/kW· h 。燃油鍋爐加分體空調夏季耗電，冬季除循環水泵消耗少量電之外，其余能耗花費主要來源于柴油。依據市場調研，柴 油價格為 6000 元 /t。表 2 給出了各系統的能耗計算結果，為 使結果具有可比性，將 不同系統的總能耗折算成標煤消耗量。

表2 各系統能耗計算結果

表3 不同系統初投資和運行費用及費用年值統計表

表 3給出了各系統的初投資和運行費用， 經計算得出各系統的費用年值。費用年值越低，表示系統的經濟性越好。

由圖2可知，以地下水源熱泵的各經濟指標作為1， 發現地下水源熱泵初投資最大， 然而其運行費用小且壽命長， 費用年值最小， 經濟性最優。燃油鍋爐雖初投資僅為地下水源熱泵的0.62，而其運行費用卻又高出了0.96， 總體費用年值最高， 經濟性最差。多聯機的經濟性介于兩者之間。

圖2 各系統費用指標比例示意圖

3.3 節能性分析

由于各系統運行消耗的能源類型不同， 為保證可在同一平臺上進行比較， 常常將系統能耗折算成一次能源進行比較，即換算成標煤的形式。節能性評價一般以節能率作為節能性評價的指標， 節能率的計算公式如下：

式中：SEP為節能率；CEc為傳統燃煤鍋爐加分體空調系統一次能源消耗量，tce；CEg為待評價系統的一次能源消耗量， tce。

若該工程項目使用燃煤鍋爐加分體空調系統， 燃煤鍋爐效率為0.6， 無煙煤熱值為 25.09 MJ/kg， 經計算冬季消耗47.33 t無煙煤， 折合標煤量為80.49 tce。 表4給出了各系統的節能量和節能率， 發現地下水源熱泵的節能率最高， 達 36.97%， 燃油鍋爐的節能率最低， 為16.81%。

表4 各系統節能量和節能率計算結果

3.4 模糊綜合評判

模糊綜合評判方法在處理各種難以用精確數學方法描述的復雜系統問題方面有著獨特的優越性。該方法的主要步驟詳見文獻[9]。本文引入無量綱數—— —優度， 表示定量因素和定性因素在分析各種供暖方式中的相對優勢， 其值介于0到1之間。 確定出各因素的權重后， 計算各因素的優度的加權和， 便得出綜合優度， 綜合優度最大即為最優。這里選取經濟效益和社會效益作為評價因素， 則綜合優度計算公式如下：

式中：M為綜合優度；MCj、MEj分別代表第j種供暖空調方式的經濟效益優度，社會效益優度；α1、α2分別為MCj、MEj的權重值。

圖 3 給出了不同決策類型下各系統的綜合優度值，經濟效益主導型表示決策者更看重經濟效益，α1與α2之比為2:1，社會效益主導型則相反，均衡型α1與α2之比為1:1。結果可知，不 論在哪種決策形式下，地下水源熱泵系統均為最優，表 明該管理所最適宜的冷熱源方案為地下水源熱泵系統。

圖3 不同決策類型下各系統的綜合優度值

4 結論

1） 三種冷熱源方案中， 地下水源熱泵系統初投資較高， 而其運行費用卻較低， 總體費用年值最小， 經濟性最優， 同時其節能率最高， 在高速公路房建設施中可優先考慮該節能高效系統。

2） 地下水源熱泵系統綜合性最好， 然而其使用要受到當地水文地質的限制， 在水文地質條件不適宜地下水源熱泵系統時， 可優先考慮多聯機空調系統。多聯機系統由于運行維護簡單，風險小且調控能力較強， 其運行可靠性程度高。

參考文獻

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[2] 王非.打造陜西高速公路網[J]. 西部大開發,2009,(2):51-52.

[3] 張云龍.高速公路沿線房建設施利用地下水源熱泵適宜性研究[D].西安:西安建筑科技大學,2015.

[4] 胡繼華,張延軍,于子望.水源熱泵系統中地下水流貫通及其對溫度場的影響[J]. 吉林大學學報(地球科學版),2008,(6):992-998.

[5] Steaphanie Rinck-Pfeiffer.Interrelationships between Biological,Chemical,and Physical processes as an analog to clogging in aquifer storage and recovery(ASR)wells[J].Aquifer Storage and Recovery,2000,34(7):2110-2118.

[6] 張群力,王晉.地源和地下水源熱泵的研發現狀及應用過程中的問題分析[J].流體機械,2003,(5):50-54.

[7] 李惠, 張劍. 鍋爐的安全運行管理與維護保養[J].山東工業技術,2016,5(15):78-79.

[8] 房華榮.基于壽命周期成本 （LCC） 的暖通空調方案選擇的應用研究[D].西安:長安大學,2008.

[9] 李麗王樂樂.基于模糊綜合評價的集中供熱方案選擇[J].區域供熱,2013,(4):83-88.